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“90%问题”
随着电子信息产品向数字化、网络化、集成化、便携化方向发展,复合元件和集成无源元件已经成为电子元件发展的主要方向。因此,电子产品的系统集成(SIP)和系统级封装(SOP)成为目前的研究和应用热点。
图片来源:中电科四十三所
但是,电子产品在许多情况下,遵循摩尔定律的IC仅占一个系统总体积的10%,其余的都是无源元件,包括电阻、电容、电感、天线、滤波器、开关和传感器等几大类,占90%的体积。无源元件的体积变化不满足摩尔定律,即所谓“90%问题”仍然存在,元器件成为了电子整机小型化的瓶颈。因此对于SOP,出现了一个关于系统集成的新定律:“随着元件尺寸的缩小,在一个SOP里元件密度每年大约增加一倍,而封装内系统功能也将增加约一倍”。在这一原则主导下,无源元件多层化,多层元件片式化,片式元件集成化,以及功能元件复合化、模块化,成为当前的技术潮流。
LTCC——解决电子产品“90%问题”的主流技术
1982年,美国休斯航空器公司开发了一种新型材料技术,其根据预先设计的结构采用厚膜材料技术将电极材料、基板和电子器件等部件一次性地烧结成型,这就是最初的低温共烧陶瓷技术(LTCC)。
现代LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆和精密导体浆料印刷等工艺制出所设计的电路版图,并将多个元器件埋入多层陶瓷基板中,然后叠压在一起,内外电极可选用Ag、Cu和Au等金属材料,在小于1000℃的温度条件下烧结,最终制成3D的高密度集成电路,也可制成内置无源元件的3D电路基板,也可以在其表面贴装IC和有源器件制成无源/有源集成的功能模块。目前来看,LTCC技术是解决所谓“90%问题”的主流技术,是实现电子整机或系统小型化、高性能化与高密度化的首选方案。
LTCC工艺流程
结合了厚膜技术和HTCC技术的优点
LTCC技术被公认为结合了厚膜技术和HTCC技术的优点,三者的比较如下图所示。
总结起来,与其他集成技术相比,LTCC技术的主要优势在于:
(1)陶瓷材料具有优良的高频、高速传输和宽通带的特性;
(2)热膨胀系数低,有利于高密度封装的可靠性;绝缘性和温度稳定性好,适应大电流和高温应用要求;具备比普通PCB基板更优良的热导率,电路散热性好,可靠性高;
(3)易于实现多层互连,有利于小型化和低延时;可形成空腔和阶梯结构,并内埋多种无源元器件,结合表面贴装技术,实现有源无源集成,有利于提高组装密度;
(4)工艺兼容性好,可与不同特性的材料和元器件结合,并与其他多层布线技术兼容,开发混合多芯片组件技术;
(5)非连续性生产,有利于提高制品优良率和降低成本,缩短生产周期;
(6)节能、节材、绿色、环保。
应用领域
LTCC器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用,大体可分为LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封装基板和LTCC集成模块。其主要应用技术领域仍然集中在高密度集成技术、大功率模块和微波/毫米波组件三大方向,另外在MEMS、光电、汽车、LED等领域应用增长十分显著。
全球市场状况及竞争格局
随着电子信息技术的发展,全球LTCC市场规模逐年上升,仅9年时间LTCC总产值从2010年的6.2亿美元上升到2019年的12.4亿美元,翻了一倍,年均复合增长率达到8%,预计2022年有望达到15亿美元。
随着LTCC市场的稳步增长,海外企业形成寡头垄断格局。从全球LTCC市场的占有情况来看,排名前9的厂商占据近90%市场份额,主要技术掌握在日本、美国和部分欧洲国家手中,产业集中度较高。
以LTCC生产地区来看,全球第一大产区为日本,约占全球LTCC市场份额的60%,其次为欧洲与美国地区,约占全球LTCC市场份额的17%。
从厂商市占率来观察,全球第一大生产厂商为日本村田,全球市占率为30%,第二大厂商为日本京瓷,全球市占率为16%,第三大厂商为德国的Bosch(博世),全球市占率为8%,其他大厂还有日本TDK、太阳诱电和美国的CTS(西迪斯)公司。
介质材料已成为我国LTCC产业落后的根源之一
我国LTCC产业起步较晚,总体来说,我国LTCC技术的研发落后国外发达国家5~10年,生产所用的原材料和设备依然严重依赖进口。
原材料方面,LTCC主要原材料包括陶瓷粉、电极材料和有机试剂等,约占生产成本的一半,其中LTCC陶瓷材料的成分组成是决定其物化特性、电性能的关键因素,目前LTCC用陶瓷材料主要有三大类:玻璃/陶瓷复合体系、微晶玻璃体系和非晶玻璃体系。目前国内民用市场仅有顺络电子、风华高科、振华富和麦捷科技等企业进行了LTCC产业布局,产品主要以叠层片式电感为主,但在高性能LTCC陶瓷粉和生瓷带上还依赖进口,尤其是面向5G通信器件应用的新型低介电常数、超低介电损耗、稳定介温特性和优异耐压强度的LTCC材料目前在国内近乎空白。高性能陶瓷介质等原材料已经成为我国LTCC技术落后发达国家的主要根源之一。
在此背景下,2023年3月9-10日,www.188betkr.com将在江西萍乡举办“2022第五届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”。届时,我们邀请到西安交通大学周迪教授作题为《5G/6G低温共烧陶瓷技术(LTCC)用介质材料进展》的报告,周迪教授将从陶瓷/玻璃、陶瓷+氧化物/氟化物、本征低烧体系的角度,系统介绍商用及科研前沿低K值基板材料的现状,分别讨论它们的结构特征,介电性能、抗弯强度、热膨胀系数等具体指标和相应优缺点,提出毫米波改性工作及其适用性,最后对未来低K值LTCC材料的发展进行展望。
专家介绍:
周迪,教授、博士生导师,籍贯山东泰安。现任西安交大电信学部电子科学与工程学院副院长。2009年获“电子科学与技术”专业博士学位(导师:姚熹院士);2012获得全国优秀博士论文提名。2020年起担任美国陶瓷学会会刊副编、材料研究快报编委及先进电介质编委;2021年获得陕西省高等学校科学技术奖一等奖(第一完成人);2021年获中国产学研合作创新奖(个人);2021年起担任国际应用陶瓷技术杂志副编、ACS应用材料与界面杂志顾问委员会成员。在微波介质材料结构性能调节、低温共烧陶瓷技术应用、新型介质谐振器设计等方面取得一系列新颖的研究成果。
参考来源:
[1]杨斌等.LTCC材料及其器件———产业发展与思考
[2]虞成城等.低温共烧陶瓷技术发展及行业现状分析
[3]杨邦朝等.LTCC技术的现状和发展
[4]侯旎璐等.LTCC技术简介及其发展现状
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