低溫共燒陶瓷技術(shù)的發(fā)展歷程

低溫共燒陶瓷技術(shù)的

發(fā)展歷程

多層陶瓷技術(shù)起源于20世界40年代的第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時為了實現(xiàn)電容器的小型化，發(fā)展了陶瓷厚膜流延和疊層技術(shù)。1950年，美國無線電公司（RCA）對多層陶瓷基板技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動作用，該公司相繼提出了現(xiàn)在廣泛使用的電路設(shè)計、過孔形成技術(shù)、電路印刷技術(shù)和疊層共燒技術(shù)等概念。

20世紀(jì)60-70年代是多層陶瓷技術(shù)的高速發(fā)展期，很多我們?nèi)缃袢远炷芟榈?strong style="box-sizing: border-box;">IBM、富士通、摩托羅拉、NEC等電子信息領(lǐng)域的知名企業(yè)投入到多層陶瓷技術(shù)的研發(fā)中，大大推動了電極布線、三維互聯(lián)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、共燒工藝控制等技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)時的主要目的是發(fā)展基于陶瓷材料的多層電路板，所用的介質(zhì)材料主要是氧化鋁陶瓷，導(dǎo)體材料是W、Mo、W-Mo合金等，共燒溫度在1600℃左右，也就是現(xiàn)在普遍使用的高溫共燒陶瓷（HTCC）技術(shù)。

在高溫共燒技術(shù)發(fā)展的過程中，IBM公司的技術(shù)人員已發(fā)現(xiàn)相比于Cu/Au/Ag等導(dǎo)體，W、Mo及其合金電極的電導(dǎo)率比較差，不適合高速電路使用，因而提出了采用Cu/Au/Ag等金屬作為電極材料的想法。由于這些良導(dǎo)體的熔點都比較低，需要采用具有低燒結(jié)溫度的介質(zhì)陶瓷材料。因此，1970年開始，IBM公司的研究人員就開始研究開發(fā)低溫?zé)Y(jié)陶瓷材料，這也是低溫共燒陶瓷（LTCC）材料和技術(shù)發(fā)展的開端。

LTCC材料一般是由多元材料組成，材料的介電性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能等具有更多的可調(diào)性，這使LTCC技術(shù)相比于HTCC技術(shù)具有更多的應(yīng)用場景和細(xì)分領(lǐng)域。

1980年開始，除前述的IBM、富士通、摩托羅拉、NEC等公司外，日本村田、京瓷、松下及美國的老牌材料供應(yīng)商杜邦、Ferro都相繼投入到LTCC材料和技術(shù)的研發(fā)。

在材料方面，與Cu電極共燒的材料成為研究的熱點，金和銀電極也逐步受到重視；介質(zhì)材料研究中，針對封裝基板應(yīng)用的低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度介質(zhì)材料受到更多的關(guān)注；

工藝技術(shù)方面，燒結(jié)匹配性和加工精度控制是研究的重點，80年代IBM公司已經(jīng)提出針對多層陶瓷基板布線的光刻工藝，以解決印刷布線精度不高的問題；

應(yīng)用領(lǐng)域方面，多芯片組件（MCM）封裝是這個時期最主要的應(yīng)用，射頻元器件應(yīng)用開始發(fā)展。

由于日本電子信息產(chǎn)業(yè)80年代的蓬勃發(fā)展，日本企業(yè)在多層陶瓷技術(shù)、LTCC材料及技術(shù)應(yīng)用研究方面逐漸占上風(fēng)。

20世紀(jì)90年代是電子信息產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的時期，電子信息產(chǎn)品向小型化、多功能化、高頻化發(fā)展成為LTCC技術(shù)發(fā)展最大的推動力。90年代初，IBM和富士通公司用銅布線材料和低介電常數(shù)陶瓷制造的多層基板進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，IBM公司曾上市以多層陶瓷基板為主板的大型計算機(jī)(型號IBM ES/9000），是多層陶瓷基板成熟應(yīng)用的重要標(biāo)志之一。

由于LTCC技術(shù)可實現(xiàn)三維集成、優(yōu)良的高頻特性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，逐步成為無源集成的主流技術(shù)。多芯片組件（MCM）封裝與集成基板仍然是LTCC技術(shù)在這個階段的主要應(yīng)用，特別是航空航天、軍用電子等對可靠性要求更高的場景，LTCC產(chǎn)品的應(yīng)用也成為特種技術(shù)發(fā)展的助推器。在民用方面，90年代中期德國博世（BOSCH）公司把LTCC技術(shù)成果用于汽車電子的核心部件ECU的封裝集成，成為LTCC技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。時至今日，ECU用LTCC封裝基板仍是日本京瓷、村田等企業(yè)的重要產(chǎn)品。

進(jìn)入本世紀(jì)以后，移動通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展為LTCC技術(shù)的應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇。LTCC技術(shù)在射頻領(lǐng)域應(yīng)用最重要的標(biāo)志性事件是京瓷成功的把其應(yīng)用于藍(lán)牙模塊的集成，大大縮小了藍(lán)牙的體積，推動了藍(lán)牙的普及應(yīng)用。

由于LTCC技術(shù)優(yōu)異的射頻特性，迅速被用于各種射頻無源元器件的研究開發(fā)，基于LTCC技術(shù)的陶瓷天線使手機(jī)曾經(jīng)露出來的天線縮到手機(jī)內(nèi)，基于LTCC技術(shù)的濾波器、Balun、耦合器等射頻無源元件也被廣泛使用，從最早的功能手機(jī)到如今集成各種功能的智能手機(jī)，從2G時代，到3G、4G、5G時代，LTCC產(chǎn)品在通信產(chǎn)品中的應(yīng)用從未被撼動，隨著毫米波通信時代的到來，LTCC技術(shù)也許會有新的機(jī)會。隨著通信設(shè)備對射頻元器件及模組的尺寸要求越來越小，對LTCC技術(shù)的工藝精度要求也越來越高，因此近年來光刻布線工藝、激光加工工藝等更精細(xì)的工藝技術(shù)逐步被應(yīng)用于生產(chǎn)中。

LTCC技術(shù)除了用于無源集成之外，由于其工藝技術(shù)的靈活性，可以實現(xiàn)各種微結(jié)構(gòu)、功能材料、有源器件甚至各種異型結(jié)構(gòu)的加工。因此，多維集成的工藝路徑通常被用來跟半導(dǎo)體的硅加工工藝相比，被稱為基于厚膜技術(shù)的陶瓷微系統(tǒng)（C-MEMS）工藝，用來研制各種功能的微系統(tǒng)，比如各種集成傳感器、微流體器件、驅(qū)動器、微能源系統(tǒng)等等，滲透應(yīng)用到能源、環(huán)境、醫(yī)療等各個領(lǐng)域。以LTCC技術(shù)為核心集成了天線、多種傳感器的微型膠囊可以用于移動醫(yī)療診斷消化系統(tǒng)疾??；摩托羅拉曾基于LTCC技術(shù)開發(fā)出微型燃料電池；村田公司推出了以LTCC等離子發(fā)生器為核心的家用空氣凈化系統(tǒng)，各種各樣的新應(yīng)用顯示了LTCC技術(shù)的新發(fā)展動向和強(qiáng)大的生命力。

LTCC技術(shù)是一種有50余年歷史的老技術(shù)，但其眾多的優(yōu)勢使其有頑強(qiáng)的生命力，在不同的時期都能在產(chǎn)業(yè)中找到最佳的應(yīng)用場景，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時也推動自身技術(shù)進(jìn)步，相輔相成，老而彌堅。相信在微電子產(chǎn)業(yè)的超越摩爾時代、移動通信產(chǎn)業(yè)的5G/6G時代、汽車產(chǎn)業(yè)的電氣化時代、工業(yè)生產(chǎn)的智能化時代、社會生活的萬物互聯(lián)時代，LTCC技術(shù)能夠獲得新的發(fā)展機(jī)遇，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。