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                  LTCC應用于基板、天線、高密度封裝及功能器件等領域

                  發布時間:2022-01-11 責任編輯:wenwei

                  【導讀】LTCC技術是上世紀80年代中期出現的一種新型多層基板工藝技術,采用了獨特的材料體系,故其燒結溫度低,可與金屬導體共燒,從而提高了電子器件性能。上世紀90年代開始,日本和美國的 NEC、富士通、IBM、村田等公司將LTCC技術成功引入通訊商業應用,LTCC開始朝向移動通訊和高頻微波應用領域發展,今天我們來聊一下它的應用。


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                  (圖片來源:中電科四十三所)


                  根據產品在電路中起到的作用,LTCC產品可以大致分為LTCC元件、LTCC封裝基板、LTCC功能器件和LTCC集成模塊等四種。


                  LTCC元件


                  利用LTCC技術生產的元器件在移動通信設備等領域得到廣泛的應用。例如:手機、WLAN、藍牙、功率放大器、汽車電子等。從20世紀90年代開始,相關的LTCC產品逐漸得到應用,其推廣應用主要歸功于航空航天和通信領域的快速發展。其產品種類眾多,囊括了濾波器、雙工器、巴倫、耦合器、收發開關功能模塊、功分器以及共模扼流圈等。


                  在高密度封裝中的應用


                  1、應用于航空、航天及軍事領域


                  LTCC 技術最先是在航空、航天及軍事電子裝備中得到應用的。美國羅拉公司的太空系統部門(Space System/LoralInc.)利用 LTCC 的技術研制成衛星控制電路組件。它使用 9 層導體,金屬線寬和線間距為 125 μm,生坯材料為杜邦公司的 A951,該產品通過嚴酷的航天校準試驗。美國 Raytheon、Westinghouse 和 Honeywell 等公司都擁有 LTCC 設計與制造技術,并研制出了多種可用于導彈、航空和宇航等電子裝置的 LTCC 組件或系統。


                  2、應用于 MEMS、驅動器和傳感器等領域


                  LTCC 可以通過內埋置電容、電感等形成三維結構,從而大大縮小電路體積。因此,在射頻電路的驅動器、高頻開關等高性能器件中,三維結構電路得以大量應用,以適應目前對該類電路體積和性能的要求。


                  3、應用在汽車電子等領域


                  隨著汽車電子技術的發展,現代汽車的控制已開始邁入電子化和信息時代,但是一般的電路系統無法完全安裝在駕駛室內,加之許多控制電路又必須與被控制的系統放在一起,置于引擎蓋的下方,而一般引擎附近的溫度為 130~500 ℃,因此要求電路板必須能夠耐受高溫、高濕的工作環境,還必須具有很高的工作可靠性。由于 LTCC具有眾多優良的特性,在國外已被列為制作汽車電子電路的重要技術。美國通用汽車的子公司 DelcoElectronics 利用 LTCC 技術制作了引擎控制模塊,意大利的 Magneti Marelli's Electronics 公司制作了汽車油閥控制模塊,其中包括 MOSFET 及功率 MOS 器件集成在內。


                  功能器件


                  早期通信產品內的濾波器和雙工器多為體積很大的介質濾波器和雙工器。GSM和CDMA手機上的濾波器已被聲表面濾波器取代或埋入模塊基板中,而PHS手機和無繩電話上的濾波器則大多為體積小、價格低、由LTCC制成的LC濾波器,藍牙和無線網卡則從一開始就選用LC濾波器。


                  由LTCC制成的濾波器包括帶通、高通和低通濾波器三種,頻率則從數十MHz直到5.8GHz。LC濾波器在體積、價格和溫度穩定性等方面有其無可比擬的優勢,其不斷受到廣泛重視就不難理解了。


                  由LTCC制作的上述射頻器件在國外和我國臺灣省已有數年的歷史,日本的村田、東光、TDK、雙信電機,我國臺灣省的華信科技、ACX,韓國的三星等都在批量生產和銷售。我國內地在2003年才從展覽會和網頁上看到,南玻電子公司和另一家公司著手開發類似產品。


                  模塊基板


                  電子元件的模塊化已成為業界不爭的事實,其中尤其以LTCC為首選方式??晒┻x擇的模塊基板有LTCC、HTCC(高溫共燒陶瓷)、傳統的PCB如FR4和PTFE(高性能聚四氟已烯)等。HTCC的燒結溫度在1500℃以上,與之匹配的難熔金屬如鎢、鉬/錳等導電性能較差,燒結收縮不如LTCC易于控制。LTCC的介電損耗比RF4低一個數量級。PTFE的損耗較低,但絕緣性都較差。LTCC比大多數有機基板材料可更好地控制精度。沒有任何有機材料可與LTCC基板的高頻性能、尺寸和成本進行綜合比較。


                  國外和我國臺灣省對LTCC模塊基板的研究可謂如火如荼,已經有多種LTCC模塊商業化生產和應用。僅生產手機天線開關模塊(簡稱ASM)的就有村田、三菱電工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家。此外還有NEC、村田和愛立信等公司的藍牙模塊、日立等公司的功放模塊等等,都是由LTCC工藝制成的。


                  LTCC模塊因其結構緊湊、耐機械沖擊和熱沖擊性強,在軍工和航天設備上受到極大關注和廣泛應用,今后其在汽車電子上的應用將會非常廣泛。


                  在天線中的應用


                  1、5G陣列天線


                  隨著5G通信頻率的升高,天線和射頻模組尺寸會更小、集成度更高。當工作頻率≥30 GHz時,天線尺寸將減小至毫米級甚至更小的級別,此時天線的設計方案將由現有的單體天線改為陣列天線,LTCC有望成為5G天線的核心集成技術。


                  2、超寬帶LTCC天線


                  LTCC的多層貼片結構能夠有效拓寬天線的帶寬,用以制備相對帶寬≥20%的超寬帶天線。同時,LTCC 還能夠將接收芯片和超寬帶天線集成于LTCC模塊中,為超大規模集成電路用超寬帶收發裝置的研制提供單模塊設計及制作方案。


                  3、Wifi/Bluetooth天線


                  Wifi和藍牙設備通信距離短,收發功率小,對天線的功率和收發特性要求不高,但對天線占PCB的面積和成本有較高的要求,LTCC技術有望廣泛用于Wifi/Bluetooth天線。


                  4、GPS天線


                  GPS陶瓷天線分為塊狀陶瓷天線和多層陶瓷天線,LTCC天線屬于多層陶瓷天線。移動通信設備的發展,使得GPS天線向小型化、多頻段和抗干擾的方向發展。利用陶瓷材料的高介電常數和高Q值,能夠有效減少天線的體積;結合LTCC多層結構的特點,能在尺寸縮小的同時,保持天線帶寬和增益不受影響,實現多頻GPS天線的設計和制作。


                  5、多頻段LTCC天線


                  LTCC天線可通過多種技術手段實現天線的多頻化,除了在單天線結構中加載可調容感以及加載不同長度枝節的方法之外,常采用多天線結構來設計LTCC多頻天線。曲折型天線可通過多層疊層形式,每層天線實現一個諧振頻率;螺旋天線可通過不同長度的螺旋線相互纏繞實現多螺旋結構;貼片天線可在不同層之間,采用多個諧振貼片結構,構成多頻點諧振。借由LTCC天線結構的這一特征,可設計、制造雙頻/多頻GPS和Wifi天線。


                  6、RFID天線


                  LTCC高介電常數、低損耗、性能穩定和易于實現混合集成等特性,可滿足RFID微型片式天線的微型化和高增益要求,并具有全向性好、阻抗匹配、讀取距離遠等優點,使RFID的應用前景更廣闊。


                  7、NFC天線


                  NFC天線用鐵氧體膜片通常采用LTCC技術制備,將多層流延制得的鐵氧體生帶疊成具有一定厚度的鐵氧體膜片。而近年來興起的貼片式NFC天線,可利用LTCC技術進行層間線圈繞制和多層結構設計,充分利用鐵氧體芯片的空間,有效減小天線尺寸。


                  8、集成化封裝天線


                  封裝天線技術是過去20年來為適應系統級無線芯片出現而發展起來的集成天線解決方案,它將天線與射頻收發系統集成為一體,構成一個標準的表面貼裝器件。LTCC是目前封裝天線的主流技術方案,可將天線集成于天線-芯片系統中,使整個系統獲得更高的集成度,并提高系統的性能,比如提高增益和展寬帶寬。


                  參考來源:


                  [1]虞成城等.低溫共燒陶瓷技術發展及行業現狀分析

                  [2]張曉輝等.低溫共燒陶瓷材料的研究進展

                  [3]楊邦朝等.低溫共燒陶瓷(LTCC)技術新進展

                  [4]粉體網、先進陶瓷材料等



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