低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)是無源集成的主流技術(shù)，通過將電極材料、基板和電子元件等封裝于一體，制成三維電路基板，可實(shí)現(xiàn)多種微波無源器件的集成。利用LTCC技術(shù)，不僅可以制造天線、濾波器、巴倫等功能元器件，還可以整合無源/有源器件，極大地實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的小型化、集成化、低成本和高可靠性。尤其在當(dāng)今5G/6G 通信、車載網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)駕駛、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、可穿戴設(shè)備等一些熱門的應(yīng)用場(chǎng)景，隨著無線頻譜的使用覆蓋微波、毫米波甚至更高頻段，LTCC技術(shù)迎來了巨大的發(fā)展空間。

車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

微波毫米波應(yīng)用下的性能要求

對(duì)于毫米波應(yīng)用，隨著波長(zhǎng)和電路尺寸的縮小，小型化不再是難點(diǎn)，材料的低介和低損顯得更加重要。低介和低損能降低高頻下的噪聲和電感串?dāng)_，明顯提高傳

輸速率，增強(qiáng)選頻特性。因此，低介電常數(shù)LTCC材料是毫米波應(yīng)用的關(guān)鍵材料。

通常，LTCC材料的微波介電性能被首要考慮，主要包括3個(gè)性能參數(shù)：相對(duì)介電常數(shù)(?r或K)、損耗角正切(tanδ)或品質(zhì)因數(shù)(Q×f)、諧振頻率溫度系數(shù)(TCF)。

微波低頻到毫米波應(yīng)用有不同的性能指標(biāo)要求，主要體現(xiàn)在：

（1）毫米波下需要更低K值的介質(zhì)基板。要提高傳輸速率，介質(zhì)基板的K值要

盡可能的小，微波低頻段用基板材料的K值一般小于10.00，而K值小于5.00才能滿足毫米波應(yīng)用的低延時(shí)需求；

（2）毫米波應(yīng)用需要更加低損的材料(tanδ<0.001)。顧名思義，在毫米波應(yīng)用下?lián)p耗會(huì)增加，因此需要更加低損耗的材料；

（3）對(duì)材料力學(xué)性能和熱學(xué)性能要求更高。毫米波下更加需要小型化、集成

化，基板材料在封裝結(jié)構(gòu)起到支撐作用，毫米波應(yīng)用下高負(fù)荷的封裝環(huán)境，需具備一定的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；另外基板材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)和熱導(dǎo)率需與半導(dǎo)體材料相匹配，提高功率和封裝密度，保證封裝組件的高效和高可靠運(yùn)行。

射頻模塊用LTCC（低溫?zé)Y(jié)陶瓷）封裝殼

典型的商用低K值LTCC材料

典型的商用LTCC基板材料，主要分為微晶玻璃、陶瓷/玻璃、低燒陶瓷3大類。

微晶玻璃體系是用適當(dāng)組成的玻璃控制析晶成分來制成基板材料，其具有低介電損耗、良好高頻性能等特點(diǎn)，但制備難度較大，對(duì)結(jié)晶相的選擇和控制要求較高，以硅灰石相CaSiO₃和堇青石相Mg₂Al₄Si₅O₁₈體系最具代表性。

陶瓷/玻璃類常采用結(jié)晶Al₂O₃作為玻璃的填充相制備而成基板材料；填充相的加入可實(shí)現(xiàn)體系介電性能的靈活調(diào)節(jié)，改善陶瓷的力學(xué)和熱學(xué)性能，該類基板材料相比微晶玻璃表現(xiàn)出更高的抗彎強(qiáng)度、更好的CTE匹配性。

低燒陶瓷類因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)中玻璃相含量極少甚至為零，該類體系可以在滿足低溫共燒的需求下最大程度地保留原始的微波介電性能。因此，低玻璃相或者無玻璃相的特點(diǎn)決定該體系良好的高頻特性，雖然目前商用很少，仍是微波毫米波高頻應(yīng)用最有希望的候選體系。

目前商用低K值LTCC基板材料的K值大多在5.00~8.00，極少數(shù)具有更低K值(<5.00)，同時(shí)它們大多數(shù)基于微波低頻應(yīng)用開發(fā)，很少涉及到毫米波應(yīng)用。因此，目前商用毫米波LTCC基板材料處于初步階段，開發(fā)綜合性能優(yōu)異的超低K值 LTCC瓷粉仍然是當(dāng)前的緊要任務(wù)。

1.玻璃/陶瓷LTCC體系

玻璃/陶瓷LTCC體系主要包括微晶玻璃和陶瓷/玻璃復(fù)合2類，作為商用LTCC的主流技術(shù)方案，玻璃/陶瓷LTCC體系已經(jīng)具有很高的技術(shù)成熟度。

（1）微晶玻璃

有控制的析晶（結(jié)晶相的種類、析晶程度等）是制造微晶玻璃的基礎(chǔ)，如結(jié)晶相的種類往往決定著該微晶玻璃體系的K值、TCF、CTE等一系列性能。

常見的結(jié)晶相有堇青石/印度石、硅灰石、莫來石、鋰輝石和鈣/鋇長(zhǎng)石，它們都屬于硅酸鹽基。常見的商用體系為MgO?Al₂O₃?SiO₂系（通常期望析出性能優(yōu)良的堇青石相）、CaO?B₂O₃?SiO₂(CBS)系（以CaSiO₃為主要結(jié)晶相的技術(shù)路線相對(duì)成熟）。其它微晶玻璃體系像Li₂O?Al₂O₃?SiO₂系會(huì)析出鋰霞石相，具有低K和負(fù)CTE 的特點(diǎn)；BaO?Al₂O₃?B₂O₃?SiO₂系析出鋇長(zhǎng)石相或硅鋇石相，而鋇長(zhǎng)石相的CTE值與Si相匹配。

因此面對(duì)毫米波應(yīng)用不同場(chǎng)景的需求，微晶玻璃體系研究的關(guān)鍵是通過合理設(shè)計(jì)和控制獲得恰當(dāng)?shù)?/span>結(jié)晶相。

玻璃組分和結(jié)晶相及其性能

（2）陶瓷/玻璃復(fù)合

一些低K、高Q×f的硅酸鹽、鋁酸鹽和硼酸鹽等通常被選作為陶瓷填充相，其中使用頻率較高的陶瓷填充相為Al₂O₃、Mg₂SiO₄、SiO₂和AlN。

Al₂O₃具有高抗彎強(qiáng)度（約400 MPa）、超高的Q×f值(680000GHz)和成本優(yōu)勢(shì)；AlN

具有接近Al₂O₃的K值(8.80)和抗彎強(qiáng)度(300~ 400MPa)，有數(shù)倍于Al₂O₃的熱導(dǎo)率，CTE接近Si和GaAs等半導(dǎo)體材料，缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴；SiO₂是理想的低K基體材料，無定型SiO₂的性能更優(yōu)（K值為3.83），SiO₂系陶瓷需要注意由晶型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的微裂紋或開裂等系列問題。

玻璃相的選擇通常從軟化溫度、流動(dòng)性、對(duì)陶瓷顆粒的潤(rùn)濕性和微波介電性能等方面考慮，以便收獲合適燒結(jié)區(qū)間、良好燒結(jié)行為和介電性能的陶瓷/玻璃復(fù)合材料。以 B₂O₃?SiO₂基玻璃的使用最為常見，主要為一系列添加堿金屬和堿土金屬的硼硅玻璃。

常見的LTCC材料體系

2.無玻璃相 LTCC 體系

無玻璃相 LTCC 體系通常是以低熔點(diǎn)氧化物或者氟化物作為燒結(jié)助劑，甚至是一些本征低燒或超低溫?zé)Y(jié)的陶瓷材料體系。

氧化物助燒體系里硅酸鹽、鍺酸鹽、錫酸鹽、鋁酸鹽和鎵酸鹽等陶瓷家族普遍具有低K值(<10.00)和高Qxf值的特點(diǎn)，展現(xiàn)出高頻基板應(yīng)用的潛力。其中大多數(shù)硅酸鹽的K值很低(<10)，部分島狀、架狀硅酸鹽的K值更是低于5，同時(shí)許多單相硅酸鹽的TCF處于合適的區(qū)間，所以硅酸鹽基陶瓷作為毫米波用 LTCC 基板的路線具備可行性。

氟化物是一類低燒結(jié)溫度的微波介質(zhì)陶瓷。相對(duì)氧化物，氟化物的助燒效率更高，少量摻加即可實(shí)現(xiàn)良好的降溫效果。

而通常認(rèn)為單相陶瓷的燒結(jié)溫度小于950℃是本征低溫?zé)Y(jié)陶瓷，燒結(jié)溫度低于 700℃是超低溫?zé)Y(jié)陶瓷，這時(shí)電極材料可以考慮Al電極。這些陶瓷體系往往來自本征燒結(jié)溫度低的氧化物的鹽類，氧化物包括MoO₃(熔點(diǎn)795℃)、TeO₂(733℃)、V₂O₅(690℃)、Bi₂O₃(817℃)、P₂O₅(340℃)和B₂O₃(450℃)。

總結(jié)

具有低K值和良好高頻特性的LTCC材料是未來毫米波應(yīng)用的基礎(chǔ)性需求。當(dāng)前商用低K值瓷粉正處于微波低頻向毫米波過渡的關(guān)鍵時(shí)期，玻璃/陶瓷作為商用 LTCC的主流技術(shù)方案，在毫米波應(yīng)用中仍有著不俗的表現(xiàn)；而包括低熔點(diǎn)氧化物/氟化物助燒、本征低燒和超低燒在內(nèi)的陶瓷低K值LTCC體系，透露出更多的高頻應(yīng)用潛力，有希望成為下一代商用LTCC基板材料。其中硅酸鹽體系具備廉價(jià)、高性能等綜合優(yōu)勢(shì)，正逐漸在毫米波應(yīng)用中嶄露頭角。

未來毫米波用LTCC材料的發(fā)展趨勢(shì)：在高頻下具有更低的K值 1.00~5.00，合適的tanδ<0.001，近零的TCF值，高抗彎強(qiáng)度≥200 MPa，良好的熱導(dǎo)率≥3.0 W/(m·K)。

參考來源：

1.微波毫米波用低介電常數(shù)低溫共燒陶瓷研究進(jìn)展，王威、張玲、吳亞光、喬峰、史忠旗、劉文鳳、周迪（硅酸鹽學(xué)報(bào)）；

2.LTCC技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展，楊邦朝、胡永達(dá)（電子元件與材料）；

3.LTCC封裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，李建輝、丁小聰（電子與封裝）。

粉體圈小吉

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