近幾年，隨著現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子線路的微型化、輕量化、集成化和高頻化對(duì)電子元件提出了小尺寸、高頻率、高可靠性和高集成度的要求。
而在眾多微電子集成和組件整合技術(shù)中，低溫共燒陶瓷技術(shù)以其集成密度高和高頻特性好、具有無(wú)源集成能力，成本相對(duì)低廉等優(yōu)異特性，成為目前電子元件集成化的主流方式。
不論是王公貴族家中價(jià)值連城的青花瓷，還是尋常百姓桌上樸素實(shí)用的碟盤碗，都是我們離不開(kāi)的陶瓷。當(dāng)然這些都是能夠看見(jiàn)的，還有些你看不到的，比如手機(jī)中的濾波器，還有你藍(lán)牙耳機(jī)中的天線，這些體積微小且從未引起過(guò)你注意的器件也是一種陶瓷，叫做微波介質(zhì)低溫陶瓷，不過(guò)陶瓷里面另有乾坤。
在1月份的科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由浙江大學(xué)、浙江正原電氣股份有限公司、浙江工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作完成的“低溫共燒片式多層微波陶瓷微型頻率器件產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵就是微波介質(zhì)低溫陶瓷。
背景知識(shí)
“陌生”的低溫共燒
陶瓷有很多種類，我們接觸到最多的就是餐桌上的日用瓷，然后就是工業(yè)瓷，這其中大家最熟悉的應(yīng)該是水龍頭的閥門。
而低溫共燒陶瓷（LTCC）是一種電子陶瓷，專門用來(lái)做成微波器件。“雖然從硬度上以及使用特性上來(lái)看都是陶瓷，但LTCC跟日用陶瓷在成分上卻是不一樣的。”浙江正原電氣總工程師陸德龍介紹說(shuō)，他主要負(fù)責(zé)LTCC產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)。
什么是低溫共燒陶瓷？
所謂低溫共燒陶瓷技術(shù)，是在1982年由美國(guó)的休斯公司開(kāi)發(fā)的新型材料技術(shù)，就是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，作為電路基板材料，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)無(wú)源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在900℃燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源集成組件，也可制成內(nèi)置無(wú)源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無(wú)源/有源集成的功能模塊。
LTCC器件是一棟“大廈”
“低溫共燒陶瓷”這個(gè)名稱本來(lái)就已經(jīng)讓我們有點(diǎn)犯暈，而看了上面如此復(fù)雜而且專業(yè)的釋義之后，估計(jì)很多人都不想往下看這篇文章了。
于是，陸德龍舉了一個(gè)生動(dòng)的例子：“低溫共燒陶瓷器件好比一棟大廈，每一層有著不同的功能，但它們又是一個(gè)整體。”低溫共燒陶瓷器件包含著很多層，每一層的生陶片內(nèi)都有不同的電路，最后將這些合在一起低溫?zé)�，就得到了我們想要的元器件�?/p>
陸德龍介紹說(shuō)：“從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，通訊的頻段越來(lái)越高，聲表面波器件工藝已經(jīng)無(wú)法滿足要求，而陶瓷器件卻可以。不過(guò)，盡管陶瓷元器件已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，但是當(dāng)時(shí)還是體積比較大，且是高溫陶瓷。”
后來(lái)科學(xué)家們想到，在一片片的生陶瓷里設(shè)計(jì)上電路，然后陶瓷與電路一起燒制，這就是“共燒”的由來(lái)，由于很多電路的用料中以銀為主，而銀的沸點(diǎn)是900°C，所以燒制的溫度就低于900°C，這就是低溫共燒。“低溫共燒，從能源上講節(jié)能；從工藝上講，可以實(shí)現(xiàn)通訊技術(shù)發(fā)展所要求的設(shè)備小型化。”
特點(diǎn)
材料是技術(shù)根本
近年來(lái)，隨著現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子線路的微型化、輕量化、集成化和高頻化對(duì)電子元件提出了小尺寸、高頻率、高可靠性和高集成度的要求，在眾多微電子集成和組件整合技術(shù)中，低溫共燒陶瓷已經(jīng)成為目前電子元件集成化的主流方式，這完全是由其特性所決定的。
LTCC器件的體積很小，最小的只有1毫米×0.5毫米。陸德龍笑著說(shuō)：“一個(gè)噴嚏打下去，你就找不著了。”
除此之外，與其它集成技術(shù)相比，LTCC有著眾多特點(diǎn)：首先，根據(jù)配料的不同，LTCC材料的介電常數(shù)可以在很大范圍內(nèi)變動(dòng)，這增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性；第二，陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高速傳輸以及寬通帶的特性；第三，使用高電導(dǎo)率的金屬材料作為導(dǎo)體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)；第四，制作層數(shù)很高的電路基板，易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔，內(nèi)埋置元器件，免除了封裝組件的成本，減少連接芯片導(dǎo)體的長(zhǎng)度與接點(diǎn)數(shù)，并可制作線寬小于50μm的細(xì)線結(jié)構(gòu)電路，實(shí)現(xiàn)更多布線層數(shù)，能集成的元件種類多，參量范圍大，易于實(shí)現(xiàn)多功能化和提高組裝密度；第五，可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求，具有良好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數(shù)，較小的介電常數(shù)穩(wěn)定系數(shù)。LTCC基板材料的熱導(dǎo)率是有機(jī)疊層板的20倍，故可簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)，明顯提高電路的壽命和可靠性；第六，與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性，二者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件。
另外，LTCC易于實(shí)現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小體積和重量，提高可靠性、耐高溫、高濕、沖振，可以應(yīng)用于惡劣環(huán)境；非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝，便于基板燒成前對(duì)每一層布線和互連通孔進(jìn)行質(zhì)量檢查，有利于提高多層基板的成品率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。
“關(guān)鍵就是材料，其次是設(shè)計(jì)。”陸德龍表示，材料是該技術(shù)的根本。材料要滿足很多的技術(shù)指標(biāo)，介電常數(shù)、溫度系數(shù)等等。因?yàn)檫@些器件的工作環(huán)境比較惡劣，例如衛(wèi)星電視接收器上的濾波器，因?yàn)槭锹短焓褂茫L(fēng)吹日曬不說(shuō)，還得經(jīng)受幾十?dāng)z氏度的溫差變化，這對(duì)元器件可靠性的要求非常高。
應(yīng)用
它不只在手機(jī)里
LTCC可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，而其中微波領(lǐng)域是LTCC應(yīng)用受到極大的關(guān)注的領(lǐng)域之一。LTCC微波介質(zhì)陶瓷可用作諧振器、濾波器、介質(zhì)基片、介質(zhì)天線、介質(zhì)波導(dǎo)等，在移動(dòng)電話、微波基站、無(wú)繩電話、電視衛(wèi)星接收器、無(wú)線接入和軍事雷達(dá)等方面正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。
其中，手機(jī)的用量占據(jù)主要部分，約達(dá)80%以上；其次，是藍(lán)牙模塊和WLAN。手機(jī)中使用的LTCC產(chǎn)品包括LC濾波器、雙工器、功能模塊、收發(fā)開(kāi)關(guān)功能模塊、平衡—不平衡轉(zhuǎn)換器、耦合器、功分器、共模扼流圈等。
“平常老百姓接觸到最多的就是手機(jī)、電話、無(wú)繩電話，現(xiàn)在用得最多的是藍(lán)牙耳機(jī)里面的天線。只要體積小的，無(wú)線接收的設(shè)備肯定要用到濾波器、天線，這些都離不開(kāi)LTCC。”陸德龍說(shuō)。
其它諸如汽車、醫(yī)療及特高頻微波頻率器件領(lǐng)域等也正逐步采用該項(xiàng)技術(shù)。在工作頻率高達(dá)十幾、幾十千兆赫茲的衛(wèi)星、LMDS（局域多點(diǎn)傳輸服務(wù)）、光纖及光纖信號(hào)處理終端設(shè)備中，LTCC可獲得更廣泛的應(yīng)用。
成果
達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平
“低溫共燒片式多層微波陶瓷微型頻率器件產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目涉及多學(xué)科，涵蓋基礎(chǔ)研究、工藝技術(shù)及裝備集成、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品應(yīng)用等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)多年的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，突破LTCC材料研制、生產(chǎn)技術(shù)和器件設(shè)計(jì)三大核心技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化與集成，開(kāi)發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LTCC片式多層微波陶瓷微型頻率器件產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，整體研究和產(chǎn)業(yè)化水平處于國(guó)際先進(jìn)，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了器件的小型化、系列化、低成本的規(guī)�；a(chǎn)。
獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，主要是由于該項(xiàng)目的三項(xiàng)創(chuàng)新：
首先，該項(xiàng)目突破了燒結(jié)助劑的優(yōu)選和復(fù)配、溶膠—凝膠法原位引入燒結(jié)助劑等LTCC材料制備關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)明了高Q×f值6個(gè)LTCC材料體系，滿足了器件低成本、多品種、高性能的要求；第二，突破流延膜帶制備、多層復(fù)合工藝控制、陶瓷—Ag電極低溫共燒等器件規(guī)�；a(chǎn)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)率先建立了生產(chǎn)線及工藝規(guī)范；第三，建立了片式多層微波陶瓷器件仿真設(shè)計(jì)與測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了系列專用器件設(shè)計(jì)方法，使器件的外形尺寸縮至1.6mm×0.8mm×0.6mm，實(shí)現(xiàn)了器件小型化、多功能化和系列化。
這些工藝的作用獨(dú)到，比如溶膠—凝膠法原位引入燒結(jié)助劑，因?yàn)橹圃爝^(guò)程中，陶瓷由很多種材料組成，所以該工藝就是要將摻在其中的成分均勻分布，充分混合。
該項(xiàng)目成套技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，正原電氣建立了國(guó)內(nèi)首條LTCC片式多層微波陶瓷微型頻率器件規(guī)�；a(chǎn)線，生產(chǎn)出濾波器、天線等系列器件，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平，具有明顯的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，已供應(yīng)國(guó)內(nèi)外60余家單位應(yīng)用，打破了進(jìn)口產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷我國(guó)市場(chǎng)的局面，近三年產(chǎn)生直接效益4.74億元。
