LTCC——解決電子產(chǎn)品“90%問題”的主流技術(shù)

“90%問題”

隨著電子信息產(chǎn)品向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、便攜化方向發(fā)展，復(fù)合元件和集成無源元件已經(jīng)成為電子元件發(fā)展的主要方向。因此，電子產(chǎn)品的系統(tǒng)集成（SIP）和系統(tǒng)級(jí)封裝（SOP）成為目前的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。

圖片來源：中電科四十三所 但是，電子產(chǎn)品在許多情況下，遵循摩爾定律的IC僅占一個(gè)系統(tǒng)總體積的10%，其余的都是無源元件，包括電阻、電容、電感、天線、濾波器、開關(guān)和傳感器等幾大類，占90%的體積。無源元件的體積變化不滿足摩爾定律，即所謂“90%問題”仍然存在，元器件成為了電子整機(jī)小型化的瓶頸。因此對(duì)于SOP，出現(xiàn)了一個(gè)關(guān)于系統(tǒng)集成的新定律：“隨著元件尺寸的縮小，在一個(gè)SOP里元件密度每年大約增加一倍，而封裝內(nèi)系統(tǒng)功能也將增加約一倍”。在這一原則主導(dǎo)下，無源元件多層化，多層元件片式化，片式元件集成化，以及功能元件復(fù)合化、模塊化，成為當(dāng)前的技術(shù)潮流。

LTCC——解決電子產(chǎn)品“90%問題”的主流技術(shù)

1982年，美國休斯航空器公司開發(fā)了一種新型材料技術(shù)，其根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)采用厚膜材料技術(shù)將電極材料、基板和電子器件等部件一次性地?zé)Y(jié)成型，這就是最初的低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）。 現(xiàn)代LTCC技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿和精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所設(shè)計(jì)的電路版圖，并將多個(gè)元器件埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可選用Ag、Cu和Au等金屬材料，在小于1000℃的溫度條件下燒結(jié)，最終制成3D的高密度集成電路，也可制成內(nèi)置無源元件的3D電路基板，也可以在其表面貼裝IC和有源器件制成無源/有源集成的功能模塊。目前來看，LTCC技術(shù)是解決所謂“90%問題”的主流技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)或系統(tǒng)小型化、高性能化與高密度化的首選方案。

LTCC工藝流程

結(jié)合了厚膜技術(shù)和HTCC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

LTCC技術(shù)被公認(rèn)為結(jié)合了厚膜技術(shù)和HTCC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，三者的比較如下圖所示。

總結(jié)起來，與其他集成技術(shù)相比，LTCC技術(shù)的主要優(yōu)勢在于： （1）陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高速傳輸和寬通帶的特性； （2）熱膨脹系數(shù)低，有利于高密度封裝的可靠性；絕緣性和溫度穩(wěn)定性好，適應(yīng)大電流和高溫應(yīng)用要求；具備比普通PCB基板更優(yōu)良的熱導(dǎo)率，電路散熱性好，可靠性高； （3）易于實(shí)現(xiàn)多層互連，有利于小型化和低延時(shí)；可形成空腔和階梯結(jié)構(gòu)，并內(nèi)埋多種無源元器件，結(jié)合表面貼裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有源無源集成，有利于提高組裝密度； （4）工藝兼容性好，可與不同特性的材料和元器件結(jié)合，并與其他多層布線技術(shù)兼容，開發(fā)混合多芯片組件技術(shù)； （5）非連續(xù)性生產(chǎn)，有利于提高制品優(yōu)良率和降低成本，縮短生產(chǎn)周期； （6）節(jié)能、節(jié)材、綠色、環(huán)保。

應(yīng)用領(lǐng)域

LTCC器件按其所包含的元件數(shù)量和在電路中的作用，大體可分為LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封裝基板和LTCC集成模塊。其主要應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域仍然集中在高密度集成技術(shù)、大功率模塊和微波/毫米波組件三大方向，另外在MEMS、光電、汽車、LED等領(lǐng)域應(yīng)用增長十分顯著。

推展閱讀：無可替代的封裝技術(shù)LTCC——應(yīng)用篇

全球市場狀況及競爭格局

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，全球LTCC市場規(guī)模逐年上升，僅9年時(shí)間LTCC總產(chǎn)值從2010年的6.2億美元上升到2019年的12.4億美元，翻了一倍，年均復(fù)合增長率達(dá)到8%，預(yù)計(jì)2022年有望達(dá)到15億美元。 隨著LTCC市場的穩(wěn)步增長，海外企業(yè)形成寡頭壟斷格局。從全球LTCC市場的占有情況來看，排名前9的廠商占據(jù)近90%市場份額，主要技術(shù)掌握在日本、美國和部分歐洲國家手中，產(chǎn)業(yè)集中度較高。 以LTCC生產(chǎn)地區(qū)來看，全球第一大產(chǎn)區(qū)為日本，約占全球LTCC市場份額的60%，其次為歐洲與美國地區(qū)，約占全球LTCC市場份額的17%。 從廠商市占率來觀察，全球第一大生產(chǎn)廠商為日本村田，全球市占率為30%，第二大廠商為日本京瓷，全球市占率為16%，第三大廠商為德國的Bosch(博世)，全球市占率為8%，其他大廠還有日本TDK、太陽誘電和美國的CTS(西迪斯)公司。

介質(zhì)材料已成為我國LTCC產(chǎn)業(yè)落后的根源之一

我國LTCC產(chǎn)業(yè)起步較晚，總體來說，我國LTCC技術(shù)的研發(fā)落后國外發(fā)達(dá)國家5～10年，生產(chǎn)所用的原材料和設(shè)備依然嚴(yán)重依賴進(jìn)口。 原材料方面，LTCC主要原材料包括陶瓷粉、電極材料和有機(jī)試劑等，約占生產(chǎn)成本的一半，其中LTCC陶瓷材料的成分組成是決定其物化特性、電性能的關(guān)鍵因素，目前LTCC用陶瓷材料主要有三大類：玻璃／陶瓷復(fù)合體系、微晶玻璃體系和非晶玻璃體系。目前國內(nèi)民用市場僅有順絡(luò)電子、風(fēng)華高科、振華富和麥捷科技等企業(yè)進(jìn)行了LTCC產(chǎn)業(yè)布局，產(chǎn)品主要以疊層片式電感為主，但在高性能LTCC陶瓷粉和生瓷帶上還依賴進(jìn)口，尤其是面向5G通信器件應(yīng)用的新型低介電常數(shù)、超低介電損耗、穩(wěn)定介溫特性和優(yōu)異耐壓強(qiáng)度的LTCC材料目前在國內(nèi)近乎空白。高性能陶瓷介質(zhì)等原材料已經(jīng)成為我國LTCC技術(shù)落后發(fā)達(dá)國家的主要根源之一。

審核編輯 ：李倩