低温共烧陶瓷(Low temperature cofired ceramic简称LTCC)技术是通过在900℃下,将印刷有导电金属图形与具有互连通孔的多层陶瓷生片,在实现精确对位后叠在一起,最后共烧结成为一块整体多层互连结构的高密度电路板,用这种工艺也可制成内置无源元件的三维电路基板。
内层基板中可以埋入无源电路元件,这使基板的表面将有更多的区域可以用来安装有源器件和铺设大面积地。这有两方面好处,一可以使组装密度获得提高,生产效率得到改善,系统可靠性得到增强;二可以通过大面积地的设计来实现微波的良好接地,进一步获得优良的高频特性。
与传统的 PCB 板电路相比,导热性更好,可适应大电流及耐高温特性要求,这能够减小裸芯片在安装时与基板的热应力,方便安装和拆卸。
增大布线密度,使互连线距离缩短,并可以在各层基板上独立设计电路,从而满足电子整机对电路小型化、高密度、多功能、高可靠性和高传输速率的要求。
优良的温度特性,如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数,可以制作层数极高的电路基板,可以制作线宽小于50μm的细线结构。
导体为电导率高的金属材料,有利于提高电路系统的品质因子。
生产方式是不连续的,能够在共烧前对每层布线基板进行检查,有利于提高基板的质量和成品率,使生产周期缩短,成本降低。
LTCC技术工艺流程主要包括生瓷带的制备、打孔前处理、打孔、填空、导体层印刷、叠层、等静压、切割、排胶烧结、焊接、检测等过程:
1、浆料制备
材料通常采用陶瓷、玻璃粉和有机粘合剂按照一定比例配方混合,制成成份均匀、性能均一的浆料。
2、流延
浆料通过脱泡、消泡等,再将浆料通过流延成型制成生瓷带。对生瓷带的要求是:致密、厚度均匀和具有一定的机械强度。
3、裁片
将卷带生瓷带按照一定的尺寸进行裁切,裁切的尺寸要比所需要的尺寸略大,以便满足后面的加工。
4、冲孔
在生瓷片上以机械冲孔/激光冲孔的方式制作出用以进行电气互联的过孔、通孔。该工艺有两种方法,机械式冲孔机和激光式打孔机。
孔径大小、位置精度均将直接影响布线密度与基板质量。在生瓷片上打孔就是要求在生瓷片上形成(0.1~0.5)mm直径的通孔。打孔过程中要求对孔周围的影响要小。
5、填孔
将过孔填充剂填入过孔中,作为层与层之间电路连接的垂直通路,以制备多层陶瓷基板内部的过孔;
填充通孔的导体浆料与形成导电带的导体浆料的组分不同,其粘度应加以控制,充分使其凝胶化,使通孔填充饱满。
6、印刷
使用丝网印刷方法,将导电浆料或介质材料印刷在生瓷片上,用以制作电气互联的导线及印制元器件(电阻、电容、压敏电阻等);
印刷工艺参数包括刮板速度、角度、压力和柔韧性等,若印刷参数控制不当,则线条边缘呈现锯齿状,对电路性能影响较大。
7、叠片
将已印刷电路图形的生瓷片按预先设计的层数和次序,依次放入紧密叠片模具中,模具上设计有与生瓷片对位孔一致的对位柱,保证对位精度。该工艺对精度要求高,一般高精度的叠片机使用进口设备。
8、等静压
为使叠层后的生瓷体在排胶烧结时不起泡分层,对生瓷体进行热压。采用等静压工艺,在一定的温度和压力下,使它们紧密粘接,形成一个完整的多层基板坯体。等静压可使层压压力均匀分布到生瓷体上,确保基板烧结收缩一致。该工艺需要层压机(均压机)设备,部分产品对压力及均匀性要求高。
9、切割
将较大面积的生瓷基板,按照各元件、模块的切割边界进行切割分离,便于进行烧结。切割机目前主要是在速度及精度上要求高,通常小尺寸产品切割难度较大。
10、排胶、烧结
将热切下来的生瓷单体放置在烧结炉内的承烧板上,设定好产品烧结的温度曲线后进行烧结。在保证温度均匀的前提下,缓慢进行加热升温,以实现产品的排胶烧结,烧结温度约850~900°C。
排胶烧结关系到瓷体中气体多少、颗粒之间的结合程度以及基板的机械强度的高低。烧结工艺的关键是烧结曲线和炉膛温度的一致性,它决定了烧结后基板的平整度和收缩率。升温速率不宜过快,否则会导致烧结后基板的平整度差、收缩率减小,甚至会发生翘曲。采用烧结炉,优化排胶升温速率和保温时间与生瓷带的尺寸、层数和金属化量的关系。
11、钎焊
将表面清洗好的工件以搭接形式装配在一起,把钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间。加热使钎料熔化,液态钎料与工件金属相互扩散溶解,冷凝后即形成钎焊接头。
12、测试
对烧结好的低温共烧陶瓷多层基板进行检测,以验证多层布线的连接性。主要使用探针测试仪、激光调阻设备、分选设备等。
利用LTCC 技术,不仅可以制造单一功能元件,如电阻、电感、天线、双工器、滤波器等,还可以整合前端元件,如天线、开关、滤波器、双工器、LNA、功率放大器等制成RF前端模块,可有效地降低产品重量及体积,达到产品短、小、轻、薄以及低功耗的要求。特别是随着5G通信频率的升高,天线和射频模组尺寸会更小、集成度更高。当工作频率≥30 GHz时,天线尺寸将减小至毫米级甚至更小的级别,此时天线的设计方案将由现有的单体天线改为阵列天线,可以多方面提高通信频率。目前LTCC技术在天线上的应用主要有5G阵列天线、超宽带LTCC天线、Wifi/Bluetooth天线、GPS天线、多频段LTCC天线、RFID天线、NFC天线、集成化封装天线等。以下我们还整理出LTCC陶瓷的其他应用领域。
通讯设备如智能手机,ipad、电脑等
电器元器件
电力基站
汽车电子
太阳能应用
稳压器,放大器电路
内存模块等
雷达
航天航空
高频微波设备