【原创】LTCC产业发展与思考——面对日欧美的包夹,我们该如何摆脱困局?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  我国在 LTCC技术方面己经获得了快捷的发展,但是由于关键技术特别是材料研究还存在不足,所以我国只能作为LTCC 的应用大国,还不是技术强国。

中国粉体网讯  随着电子信息产品向数字化、网络化、集成化、便携化方向发展,复合元件和集成无源元件已经成为电子元件发展的主要方向。因此,电子产品的系统集成(SIP)和系统级封装(SOP)成为目前的研究和应用热点。


图片来源:中电科四十三所


但是,电子产品在许多情况下,遵循摩尔定律的IC仅占一个系统总体积的10%,其余的都是无源元件,包括电阻、电容、电感、天线、滤波器、开关和传感器等几大类,占90%的体积。无源元件的体积变化不满足摩尔定律,即所谓“90%问题”仍然存在,元器件成为了电子整机小型化的瓶颈。因此对于SOP,出现了一个关于系统集成的新定律:“随着元件尺寸的缩小,在一个SOP里元件密度每年大约增加一倍,而封装内系统功能也将增加约一倍”。在这一原则主导下,无源元件多层化,多层元件片式化,片式元件集成化,以及功能元件复合化、模块化,成为当前的技术潮流。


低温共烧技术(LTCC)为实现以上目标提供了解决方案。


LTCC简介


现代LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆和精密导体浆料印刷等工艺制出所设计的电路版图,并将多个元器件埋入多层陶瓷基板中,然后叠压在一起,内外电极可选用Ag、Cu和Au等金属材料,在小于1000℃的温度条件下烧结,最终制成3D的高密度集成电路,也可制成内置无源元件的3D电路基板,也可以在其表面贴装IC和有源器件,制成无源/有源集成的功能模块。



图片来源:中电科四十三所


LTCC技术被公认为结合了厚膜技术和HTCC技术的优点,三者的比较如下图所示。



总结起来,与其他集成技术相比,LTCC技术的主要优势在于:


(1)陶瓷材料具有优良的高频、高速传输和宽通带的特性;


(2)热膨胀系数低,有利于高密度封装的可靠性;绝缘性和温度稳定性好,适应大电流和高温应用要求;具备比普通PCB基板更优良的热导率,电路散热性好,可靠性高;


(3)易于实现多层互连,有利于小型化和低延时;可形成空腔和阶梯结构,并内埋多种无源元器件,结合表面贴装技术,实现有源无源集成,有利于提高组装密度;


(4)工艺兼容性好,可与不同特性的材料和元器件结合,并与其他多层布线技术兼容,开发混合多芯片组件技术;


(5)非连续性生产,有利于提高制品优良率和降低成本,缩短生产周期;


(6)节能、节材、绿色、环保。


LTCC国外发展情况


随着电子信息技术的发展,全球LTCC市场规模逐年上升,仅9年时间LTCC总产值从2010年的6.2亿美元上升到2019年的12.4亿美元,翻了一倍,年均复合增长率达到8%,到2022年有望达到15亿美元


随着LTCC市场的稳步增长,海外企业形成寡头垄断格局。从全球LTCC市场的占有情况来看,排名前9的厂商占据近90%市场份额,主要技术掌握在日本、美国和部分欧洲国家手中,产业集中度较高。


以LTCC生产地区来看,全球第一大产区为日本,约占全球LTCC市场份额的60%,其次为欧洲与美国地区,约占全球LTCC市场份额的17%


从厂商市占率来观察,全球第一大生产厂商为日本村田,全球市占率为30%,第二大厂商为日本京瓷,全球市占率为16%,第三大厂商为德国的Bosch(博世),全球市占率为8%,其他大厂还有日本TDK、太阳诱电和美国的CTS(西迪斯)公司。




自从LTCC出现以来,日本村田就一直保持世界第一的地位,全球市场占有率一直高于26%,在高端市场的占有率更高。村田公司采用低介电陶瓷材料和低阻抗银导体开发出独特的“零收缩LTCC”,能够将陶瓷收缩局限于Z方向(厚度方向),而且确保极佳的尺寸精度和表面光坦度,可靠性高,适用于汽车电子和射频电路。京瓷公司生产出高强度材料(LTCCHard):GL300,该材料抗下落冲击能力强,是非常适用于移动电子设备用模块基板的材料。TDK公司提供LTCC技术的天线、滤波器、耦合器、双工器、平衡器等高频元件,在WLAN、蓝牙连接、导航以及汽车电子等应用中发挥着重要作用。该公司LTCC产品的最大优势在于能够将滤波器的尺寸做到很小,2017年研制的LTCC低通滤波器的尺寸仅为0.65mm×0.5mm。


国内LTCC发展现状


我国LTCC产业起步较晚,深圳南玻电子(2008年被顺络电子收购)是国内最早引入LTCC生产线的厂商,在2003年率先引进LTCC生产线之后,目前国内已建立数十条生产线,产业规模初步形成。国内主要LTCC制造商为顺络电子、麦捷科技、振华富和风华高科,产品以叠层电感等元件为主。此外,中国电科10所、14所、29所、38所、43所和55所,中国兵器214所以及中国航天23所、504所和539所等研究院所,也在从事LTCC器件模组的研发生产。


近年来我国LTCC市场规模保持高速增长态势,2018年我国LTCC市场规模约为37.26亿元,同比增长11%。从市场份额的集中度来看,我国LTCC行业集中度不高,顺络电子占比最大但也仅为10.7%,而其他几家大企业如麦捷科技、振华富、风华高科占比都不超过5%。


图片来源:顺络电子


顺络电子是国内电感龙头企业,电感产品全球市场份额超过6%,其中叠层电感产能位居全球第二、片式绕线电感位居全球第三。2019年LTCC产品销售额占比由2018年的1.5%提高至3.2%,通过不断拓展LTCC产品品类,实现LTCC产品线的高增长。近年来,顺络电子在01005电感的产业化方面取得重要突破,相关产品与国际上的领先厂商日本村田的产品综合性能对比上处于同一水平。此外,麦捷科技重点研发的基于LTCC基板的SAW滤波器目前也已开始量产。


2017年清华大学联合西安交通大学、电子科技大学、中科院上硅所、顺络电子、风华高科、振华富电子等十五家单位合作从材料层面、设计及工艺层面和元器件层面对高性能电磁介质及高性能元器件的前沿科学技术问题开展了深入系统的研究,并将研究成果应用于产业技术创新中,实现关键材料和关键技术的产业化应用。


总体来说,我国LTCC技术的研发落后国外发达国家5~10年。目前我国在叠层片式电感领域具备较强的批量生产能力,在全球占据了一定的市场份额。但是生产所用的原材料和设备依然严重依赖进口,LTCC产品主要集中在利润率低的中低端产品,高端产品的研发和生产仍然落后于日本、欧美等发达国家。


我国LTCC产业的经济社会需求分析


(1)高性能LTCC材料及器件的研究开发及产业化将会带动移动通信等产业中基础性、关键性技术的发展,促进电子信息产业作为国民经济支柱产业的形成,对于电子信息产业的发展以及产业结构升级,提高我国基础电子信息产业的技术水平,增强民族电子信息产业的国际竞争力有着重要的现实意义。



图片来源:中电科第二研究所


(2)启动新的经济增长点。以5G移动通信为代表的一系列新兴电子信息产业是重要的经济增长点,这些产业发展迅速,市场广阔。


(3)加速高端电子元器件国产化的步伐。由于市场需求强劲,国外公司在我国无源元器件市场上获得了巨额利润。我国政府和企业在这一产业的发展中所获得的利益仍然微乎其微。为此,面向新一代移动通信技术,开展具有针对性的研发工作,有助于推进移动通信产品的国产化和本地化进程。


国内LTCC产业存在的主要问题


(1)LTCC原材料国产化问题


我国虽然具有庞大的元器件制造生产能力,但是在高频低损耗低温共烧陶瓷介质材料生产方面依然落后于国外发达国家,在高性能LTCC陶瓷粉和生瓷带上还依赖进口,尤其是面向5G通信器件应用的新型低介电常数、超低介电损耗、稳定介温特性和优异耐压强度的LTCC材料目前在国内近乎空白。


目前我国在研制LTCC材料体系中具体存在的问题主要有:一、LTCC瓷粉批次稳定性差,没有量产能力,无法商业化;二、LTCC生瓷带性能与国际领先水平存在差距;三、LTCC生瓷带与银电极浆料材料匹配性差;四、由于存在批次稳定性差等问题,国产瓷粉的需求量不足,不能形成规模生产,无法开展批产稳定性等方面的技术攻关,抑制了国产瓷粉和生瓷带的应用。


(2)成本居高不下


成本高是制约LTCC产业发展的主要问题。由于关键材料和设备对进口的严重依赖,LTCC产品尽管拥有诸多优势,但相对于多层PCB而言,成本提高了3~4倍。受此影响,国内LTCC集成技术的应用仍然多见于军工和航天领域,在射频民用方向尚未形成大的产业规模,产品具有明显的定制化特征。


我们该如何摆脱困局


目前我国电子信息产业处于加快转型升级的关键阶段,为了发展高性能LTCC材料及器件核心技术,提高电子基础产业的核心竞争力,提出以下建议:


(1)产学研联合攻关开发新型LTCC材料和器件。对于高校和科研机构而言,将被“卡脖子”的核心材料和核心技术作为科研任务进行重点布局,整合高校、科研院所和企业的优质资源,开展产学研联合攻关。


(2)制定电子元器件各个细分领域的国家标准以及行业/团队标准。对于企业而言,应与高校科研院所合作培养具有创新能力的产学研结合的研发队伍,积极将高校科研院所的成果产业化。协同产业链上下游各方企业制定相关行业标准,统一产品规格。


(3)政策上支撑中小电子元器件企业发展。我国电子元器件企业规模相对较小,贷款困难,一方面需要降低企业的银行信贷成本,另一方面需要深化资本市场改革,发挥好资本市场融资功能,为降低社会融资成本和增加企业中长期融资提供有力支持。


(4)培养和引进高端人才。电子元器件产业属于技术密集型产业,需要大量的高端人才作为支撑,人才培养和人才引进力度需要进一步提高,通过人才实现科技第一生产力的转化,实现电子元器件产业由低端产品向高端、高附加值产品转变。


结语


对于 LTCC 的研究,世界各国的发展差异很大,主要技术还是掌握在少数发达国家的一些大公司中。中国由于起步比较晚,虽然国家加大了这方面的投入,以及广大科研人员的辛勤努力,我国在 LTCC技术方面己经获得了快捷的发展,但是由于关键技术特别是材料研究还存在不足,所以我国只能作为LTCC 的应用大国,还不是技术强国。目前,LTCC 器件的市场需求量远远大于现在所能达到的生产量,政府在国产化进程中进行了大力扶持,这也为我国 LTCC 技术的发展提供了契机。


参考来源:

[1]虞成城,等.低温共烧陶瓷技术发展及行业现状分析

[2]杨斌,等.LTCC 材料及其器件—产业发展与思考

[3]杨邦朝,等LTCC 技术的现状和发展

[4]侯旎璐,等.LTCC 技术简介及其发展现状


(中国粉体网编辑整理/山川)

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