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LTCC——解決電子產品“90%問題”的主流技術

jf_tyXxp1YG ? 來源:中科聚智 ? 作者:中科聚智 ? 2022-12-13 11:06 ? 次閱讀

“90%問題”

隨著電子信息產品向數字化、網絡化、集成化、便攜化方向發展,復合元件和集成無源元件已經成為電子元件發展的主要方向。因此,電子產品的系統集成(SIP)和系統級封裝(SOP)成為目前的研究和應用熱點。

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圖片來源:中電科四十三所 但是,電子產品在許多情況下,遵循摩爾定律的IC僅占一個系統總體積的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小型化的瓶頸。因此對于SOP,出現了一個關于系統集成的新定律:“隨著元件尺寸的縮小,在一個SOP里元件密度每年大約增加一倍,而封裝內系統功能也將增加約一倍”。在這一原則主導下,無源元件多層化,多層元件片式化,片式元件集成化,以及功能元件復合化、模塊化,成為當前的技術潮流。

LTCC——解決電子產品“90%問題”的主流技術

1982年,美國休斯航空器公司開發了一種新型材料技術,其根據預先設計的結構采用厚膜材料技術將電極材料、基板和電子器件等部件一次性地燒結成型,這就是最初的低溫共燒陶瓷技術(LTCC)。 現代LTCC技術是將低溫燒結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、微孔注漿和精密導體漿料印刷等工藝制出所設計的電路版圖,并將多個元器件埋入多層陶瓷基板中,然后疊壓在一起,內外電極可選用Ag、Cu和Au等金屬材料,在小于1000℃的溫度條件下燒結,最終制成3D的高密度集成電路,也可制成內置無源元件的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技術是解決所謂“90%問題”的主流技術,是實現電子整機或系統小型化、高性能化與高密度化的首選方案。

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LTCC工藝流程

結合了厚膜技術和HTCC技術的優點

LTCC技術被公認為結合了厚膜技術和HTCC技術的優點,三者的比較如下圖所示。

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總結起來,與其他集成技術相比,LTCC技術的主要優勢在于: (1)陶瓷材料具有優良的高頻、高速傳輸和寬通帶的特性; (2)熱膨脹系數低,有利于高密度封裝的可靠性;絕緣性和溫度穩定性好,適應大電流和高溫應用要求;具備比普通PCB基板更優良的熱導率,電路散熱性好,可靠性高; (3)易于實現多層互連,有利于小型化和低延時;可形成空腔和階梯結構,并內埋多種無源元器件,結合表面貼裝技術,實現有源無源集成,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合,并與其他多層布線技術兼容,開發混合多芯片組件技術; (5)非連續性生產,有利于提高制品優良率和降低成本,縮短生產周期; (6)節能、節材、綠色、環保。

應用領域

LTCC器件按其所包含的元件數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。其主要應用技術領域仍然集中在高密度集成技術、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等領域應用增長十分顯著。

推展閱讀:無可替代的封裝技術LTCC——應用篇

全球市場狀況及競爭格局

隨著電子信息技術的發展,全球LTCC市場規模逐年上升,僅9年時間LTCC總產值從2010年的6.2億美元上升到2019年的12.4億美元,翻了一倍,年均復合增長率達到8%,預計2022年有望達到15億美元。 隨著LTCC市場的穩步增長,海外企業形成寡頭壟斷格局。從全球LTCC市場的占有情況來看,排名前9的廠商占據近90%市場份額,主要技術掌握在日本、美國和部分歐洲國家手中,產業集中度較高。 以LTCC生產地區來看,全球第一大產區為日本,約占全球LTCC市場份額的60%,其次為歐洲與美國地區,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。

介質材料已成為我國LTCC產業落后的根源之一

我國LTCC產業起步較晚,總體來說,我國LTCC技術的研發落后國外發達國家5~10年,生產所用的原材料和設備依然嚴重依賴進口。 原材料方面,LTCC主要原材料包括陶瓷粉、電極材料和有機試劑等,約占生產成本的一半,其中LTCC陶瓷材料的成分組成是決定其物化特性、電性能的關鍵因素,目前LTCC用陶瓷材料主要有三大類:玻璃/陶瓷復合體系、微晶玻璃體系和非晶玻璃體系。目前國內民用市場僅有順絡電子、風華高科、振華富和麥捷科技等企業進行了LTCC產業布局,產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口,尤其是面向5G通信器件應用的新型低介電常數、超低介電損耗、穩定介溫特性和優異耐壓強度的LTCC材料目前在國內近乎空白。高性能陶瓷介質等原材料已經成為我國LTCC技術落后發達國家的主要根源之一。

審核編輯 :李倩

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原文標題:LTCC——解決電子產品“90%問題”的主流技術

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