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LTCC(低温共烧陶瓷)是一种将未烧结的流延陶瓷材料叠层在一起而制成的多层电路,内有印制互联导体、元件和电路,并将该结构烧结成一个集成式陶瓷多层材料。主要包括LTCC基板材料、封装材料和微波器件材料。
LTCC是以陶瓷作为电路基板材料,而陶瓷与硅的材质相当接近,适合与芯片连接,具有耐电流、耐高温、体积小、高频特性、被动元件集成化等特点,特别适合应用在高频、短波的5G环境以及讲究轻薄的便携式电子产品上。LTCC还被认为是未来整合元件和高频应用基板材料最具发展前景的技术。
LTCC的优势
与其他封装技术相比,LTCC技术的主要优势在于:
① LTCC材料具有优良的高频、高速传输和宽带通的特性。其介电常数可通过改变材料配方来调控,增加了电路设计的灵活性;
② 以电导率高的金属材料作为布线导体,有利于提高电路系统的品质因数;
③ 热传导性比普通PCB电路板好,热膨胀系数低,有助于提高集成系统的可靠性及耐高温和承受大电流的能力;
④ 可通过多层互联内埋多个无源器件,并结合表面贴装技术,实现有源无源集成,极大地提高电路的组装密度;
⑤ 与其他多层布线技术兼容性好,可进行混合多芯片组件技术的开发;
⑥ 非连续性生产工艺,便于进行质量检查,有利于提高成品率,降低成本。
LTCC技术的应用
LTCC技术已广泛应用于无线通信、消费电子、医疗机械、汽车电子、航空航天以及国防军工等领域。利用LTCC技术,既可制造单一功能元件(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,达到产品轻、薄、短、小、低功耗的要求。其在产品中应用主要分为四类:
① 高精度片式元件
高精度片式元件如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等,以及这些元件的阵列等。近年来,以LTCC技术为基础的片式元件已经向多层片式发展。
随着手机的小型化、多功能化,对于用于高频电路/高频模块中的积层芯片电感器小型化和高Q特性提出要求。日本TDK公司的积层芯片电感器MLG0402Q系列,利用LTCC多层基板加工技术,在尺寸为0402(0.4x0.2mm)以及0603(0.6x0.3mm)的极小的芯片元件上,用高精度位置控制技术研制的内部电极。实现了高High-Q特性。
② 无源集成功能器件
无源集成功能器件如片式射频无源集成组件,包括LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、Balun、天线、延迟线、衰减器,共模扼流圈及其阵列等。
传统的无源器件大都以单个的元件(如片阻、片容、片感等)或阵列化(如电阻排)的模式应用于各种电子系统中。LTCC技术采用多层陶瓷结构,并以金、银、铜等电阻率很小的优良金属作为互连导体,多层介质结构和良好的金属导体可以有效地解决信号之间的串扰,将不同的无源器件集成在同一块基板内。在较高的频率下,LTCC技术可以更好地设计电路传输线(或波导)的分布参数,形成R/C或L/C的功能化无源网络。
LTCC技术非常适合设计和生产具有较好高频特性的内埋式无源器件,尤其是电感和电容以及由他们组成的滤波器,以代替传统的分离式器件。LTCC技术的重要应用就是无源器件的功能化集成,包括电感、电容、滤波器以及天线和双工器等。功能化的微波无源器件在军用电子器件中具有十分广泛的应用,如相控阵雷达分布参数带通滤波器就是一个LC网络。
③ 无源集成基板
无源集成基板如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等。LTCC技术是一种低成本封装的解决方法,具有研制周期短的特点低温共烧陶瓷技术可满足后者轻、薄、短、小的需求。若能将部分无源元件集成到基板中,则不仅有利于系统的小型化,提高电路的组装密度,还有利于提高系统的可靠性。采用LTCC工艺制作的基板具有可实现集成电路芯片封装、内埋置无源元件及高密度电路组装的功能。
日本村田通过采用薄型LTCC基板,在多层结构部中嵌入了周边的功能元件(耦合器、电容器和电感器)成功地实现了更小型化(比原有产品削减了50%的占板面积是世界最小的发射模块)。同时通过内置磁稳定器(隔离器功能)的设计,成功地抑制了手机在使用环境发生变化时的最大约20%的消耗电流,实现了低耗电的发射模块。利用这些特性,可以达到简化手机和智能手机的设计工作。
④ 功能模块
功能模块如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功能模块等。由于电子工业向高度集成化发展,各种LTCC功能模块研制成为人们研究的焦点。Avantware公司采用LTCC技术,在单一LTCC衬底集成了天线、不平衡变压器-滤波器、阻抗匹配电感和电容,结合CRS公司的蓝牙芯片,研制的蓝牙模块,比现有的蓝牙快3倍。
发展现状及趋势分析
LTCC是用在手机上的关键元件之一,受惠于5G应用强劲,手机更新换代速度快,LTCC的需求大增。据悉,1个4G手机需要用到的LTCC是3至5颗,1个5G手机需要用到的LTCC是10至18颗,以量来说,就是以前的3倍了。
此外,LTCC还被广泛应用在汽车、GPS模块、WLAN模块、WIFI模块、航天航空及军事等领域,再加上网通、基站建设及新能源汽车市场的升温,同步促进LTCC的需求大涨,导致LTCC供需缺口进一步扩大。
在全球的LTCC市场上,日本厂商占据着主导,其市场占有率约为50%,国内的LTCC厂商主要有风华高科、佳利电子、麦捷科技等。其中,麦捷科技2021年定增了13.40亿元用于高端小尺寸系列电感扩产、射频滤波器扩产、研发中心建设项目及补充流动资金,年产LTCC射频元器件11亿只、SAW滤波器14亿只,把握住5G发展风口坚实基础,项目达产后,预计可实现年产值6.61亿元。
目前,由于低温共烧对技术的要求较高,共烧材料匹配性控制难度大,且低温共烧陶瓷基板具有高硬度和易碎的特性,切割难度高,国内量产LTCC的企业并不多。据中国台湾的LTCC龙头供应厂商华新科表示,2020年全球LTCC的单季需求量已超60亿颗,但单季产能却只有50亿颗,从而形成了单季10亿颗的供给缺口规模。对此,各大厂商已瞄准了这个空洞,纷纷展开扩产计划,预计2022年LTCC可增长近20%。
通过公司研发团队的不懈努力,现已成功研发微小孔板、高精密板、难度板、微型化板、围坝板等,具备DPC、DBC、HTCC、LTCC等多种陶瓷生产技术,以便为更多需求的客户服务,开拓列广泛的市场。
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