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LTCC:电子元器件领域的新热点

(时间:2006-2-3 13:27:01 共有 人次浏览) [信息来源:互联网]

现状和前景
  日前,LTCC(低温共烧陶瓷)已经进入产业化阶段,日美欧等各家公司纷纷推出了各种性能的LTCC产品。LTCC在我国台湾省发展也很快。但由于LTCC产品刚刚进入市场,因而对它的统计数据不多。
下面引用日本市场调研公司Navian发布的数据来说明LTCC产业的目前概况和发展前景。尽管,这些统计数据是不完整的,一些国家和地区的公司未被统计进去,但这些数据所反映的基本发展趋势还是具有重要参考价值的。

市场规模
  LTCC在2003年后快速发展,平均增长速度达到17.7%。从目前来看,今后几年的发展速度将会超过17.7%这一数值。

应用领域
  LTCC产品的应用领域很广泛,如各种制式的手机、蓝牙模块、GPS、PDA、数码相机、WLAN、汽车电子、光驱等。其中,手机的用量占据主要部分,约达80%以上。其次,是蓝牙模块和WLAN。由于LTCC产品的可靠性高,汽车电子中的应用也日益上升。
   手机中使用的LTCC产品包括LC滤波器、双工器、功能模块、收发开关功能模块、平衡-不平衡转换器、耦合器、功分器、共模扼流圈等。

我国发展状况
  国内LTCC产品的开发比国外发达国家至少落后五年。这主要是由于电子终端产品发展滞后造成的。LTCC功能组件和模块主要用于GSM、CDMA和PHS手机,无绳电话,WLAN和蓝牙等通信产品,除40多兆的无绳电话外,这几类产品在国内是近四年才发展起来的。国内的终端产品为了尽快抢占市场,最初的设计方案大都是从国外买来的,甚至方案与元器件打包采购,其所购方案都选用了国外元器件。
前几年,终端产品生产厂的主要目标是扩大市场份额,成本压力不大,无法顾及元器件国产化。随着终端产品产能过剩,价格和成本竞争将日趋激烈,元器件的国产化必将提上议事日程,这为国内LTCC产品的发展提供了良好的市场契机。
深圳南玻电子有限公司引进了目前世界上最先进的设备,建成了国内第一条LTCC生产线,开发出了多种LTCC产品并已投产,如:片式LC滤波器系列、片式蓝牙天线、片式定向耦合器、片式平衡-不平衡转换器、低通滤波器阵列等,性能已达到国外同类产品水平,并已进入市场。目前,南玻电子正在开发LTCC多层基板和无线传输用的多种功能模块。

材料、设计、设备是发展LTCC三大关键
LTCC产品的开发与生产,必须依靠材料、设计、设备三个方面的支持。
1、材料
  国内目前LTCC陶瓷材料基本有两个来源:一是购买国外陶瓷生带;二是LTCC生产厂从陶瓷材料到生带自己开发。这两种方式都不利于快速、低成本地开发出LTCC产品。因为,第一种方式会增加生产成本,第二种方式会延缓开发时间。
目前,清华大学材料系、上海硅酸盐研究所等单位正在实验室开发LTCC用陶瓷粉料,但还尚未到批量生产的程度。国内现在急需开发出系列化的、有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料,并专业化生产LTCC用陶瓷生带系列,为LTCC产业的开发奠定基础。南玻电子公司正在用进口粉料,开发出εr为9.1、18.0和37.4的三种生带,厚度从10μm到100μm,生带厚度系列化,为不同设计、不同工作频率的LTCC产品的开发奠定了基础。
2、设计
  LTCC产品的设计包括电性能设计、应力设计和热设计等诸多方面,其中以电性能设计最为关键。
    由于LTCC产品中包括多个等效分立元件,互相间的耦合非常复杂,工作频率往往较高,更多是采用“电磁场”而不是“电路”的概念。用过去的集总参数电路设计的方法是无法精确地设计LTCC产品的。
    香港青石集成微系统公司(CiMS)长期从事微波电磁场的研究与LTCC产品的设计。他们采用先进的电磁场模拟优化软件,设计出了多款LC滤波器LTCC模块,取得了良好的效果。
3、设备
  LTCC产品的显著优点是其一致性好、精度高,而这完全依赖于所用材料的稳定性和工艺。国内目前尚不能生产LTCC专用工艺设备。据不完全统计,国内南玻电子引进了一条完整的LTCC生产线,另外约有四家研究所已经或正在引进LTCC中试设备,开发LTCC功能模块。
    综上所述,可以看出,LTCC无源集成是目前无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点,应该给予高度的重视。同时,我们也希望陶瓷材料和专用设备等上游产业能及时参与到LTCC的开发中来。

无源元件必然走向集成化
尺寸极限
  在电子产品轻、小、薄及多功能化的要求下,片式元件的封装尺寸越来越小,主流封装尺寸从0603(1.6mm×0.8mm)过渡到目前的0402(1.0mm×0.5mm)仅用了4年时间,而且将很快过渡到0201(0.6mm×0.3mm)。今年,日本村田公司又推出了更小的01005(0.4mm×0.2mm)MLCC。封装尺寸的不断缩小,对片式元件的生产制造和表面贴装技术都提出了严峻的挑战。SMT模板的厚度最薄0.1mm,孔径最小0.25mm,最小可以贴装0201元件,而贴装01005元件是非常困难的。业界人士普遍认为,片式元件的封装尺寸已经达到了极限,若要进一步提高组装密度,必须从当前的二维平面组装向三维立体组装发展,这就要求无源元件向集成化发展。

安装成本
  随着电子产品向多功能化发展,每个电子产品中包含的电子元器件数量不断增加,以致将这么多的元器件安置在一起所花费的组装成本问题就凸显出来。
著名的iSuppli公司经过统计调研后提出了一组令人感兴趣的数据:在电子产品中,IC、无源元件在全部电子元器件零部件的生产总成本中分别占据46.1%和9.3%,而在总安装成本中却分别占据12.7%和55.1%,甚至某些片式元件的管理和安装成本已超过其价格。解决这一问题的有效方法之一就是无源集成。

高频/高速要求
  虽然无引线片式元件的寄生参量很小,但由于电子产品向高频和高速的发展势头非常强劲,一些电子产品的频率已经提高到几GHz甚至几十GHz的范围,以致片式元件的端电极和焊点、焊盘、连线所带来的寄生参量也成了不可忽视的问题。显然无源集成是避开这些麻烦的途径之一。
高可靠要求
  在经济全球化的大环境下,市场竞争激烈。追求电子产品的零故障率成为市场竞争的重要手段。无源集成可以减少焊点,缩短连线,并能提高对潮湿、氧化、腐蚀、冲击、振动的抵抗能力。

经济效益
  片式元件发展到今天,已经相当成熟。现在原片式元件生产规模很大,竞争非常残酷,多数生产企业已经处于微利润甚至零利润的被动状况。提高技术含量,走向集成化,增加产品附加值,才能扭转被动局面,取得较好的经济效益。

名词解释

LTCC定义:将多个不同类型、不同性能的无源元件集成在一个封装内有多种方法,主要有低温共烧陶瓷(LTCC)技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术等。从技术成熟程度、产业化程度以及应用广泛程度等角度来评价,目前,LTCC技术是无源集成的主流技术。
    所谓LTCC技术,就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、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形,并将多个无源元件埋入其中,然后叠压在一起,在900℃下烧结,制成三维电路网络的无源集成组件,也可制成内置无源元件的三维电路基板,在其表面可以贴装IC和有源器件,制成无源/有源集成的功能模块。总之,利用这种技术可以成功地制造出各种高技术LTCC产品。按其技术层次,我们可粗略地分为以下四类:1、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。2、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,EMI抑制器等。3、无源集成基板/封装: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。4、功能模块:如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等。
LTCC技术具有如下优点:
l         陶瓷材料具有优良的高频高Q特性,使用频率可高达几十GHz;
l         使用电导率高的金属材料作为导体材料,有利于提高电路系统的品质因子;
l         可以制作线宽小于50μm的细线结构电路;
l         可适应大电流及耐高温特性要求,并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性;
l         具有较好的温度特性,如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数;
l         可以制作层数很高的电路基板,并可将多个无源元件埋入其中,有利于提高电路的组装密度;
l         能集成的元件种类多、参量范围大,除L/R/C外,还可以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起;
l         可以在层数很高的三维电路基板上,用多种方式键连IC和各种有源器件,实现无源/有源集成;
l         可靠性高,耐高温、高湿、冲振,可应用于恶劣环境
非连续式的生产工艺,允许对生坯基板进行检查,从而提高成品率,降低生产成本。

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