近幾年，隨著現(xiàn)代信息產業(yè)的飛速發(fā)展，電子線路的微型化、輕量化、集成化和高頻化對電子元件提出了小尺寸、高頻率、高可靠性和高集成度的要求。
而在眾多微電子集成和組件整合技術中，低溫共燒陶瓷技術以其集成密度高和高頻特性好、具有無源集成能力，成本相對低廉等優(yōu)異特性，成為目前電子元件集成化的主流方式。
不論是王公貴族家中價值連城的青花瓷，還是尋常百姓桌上樸素實用的碟盤碗，都是我們離不開的陶瓷。當然這些都是能夠看見的，還有些你看不到的，比如手機中的濾波器，還有你藍牙耳機中的天線，這些體積微小且從未引起過你注意的器件也是一種陶瓷，叫做微波介質低溫陶瓷，不過陶瓷里面另有乾坤。
在1月份的科技獎勵大會上，由浙江大學、浙江正原電氣股份有限公司、浙江工業(yè)大學產學研合作完成的“低溫共燒片式多層微波陶瓷微型頻率器件產業(yè)化關鍵技術”項目榮獲國家科學技術進步二等獎。這項關鍵技術的技術關鍵就是微波介質低溫陶瓷。
背景知識
“陌生”的低溫共燒
陶瓷有很多種類，我們接觸到最多的就是餐桌上的日用瓷，然后就是工業(yè)瓷，這其中大家最熟悉的應該是水龍頭的閥門。
而低溫共燒陶瓷（LTCC）是一種電子陶瓷，專門用來做成微波器件。“雖然從硬度上以及使用特性上來看都是陶瓷，但LTCC跟日用陶瓷在成分上卻是不一樣的。”浙江正原電氣總工程師陸德龍介紹說，他主要負責LTCC產品設計研發(fā)。
什么是低溫共燒陶瓷？
所謂低溫共燒陶瓷技術，是在1982年由美國的休斯公司開發(fā)的新型材料技術，就是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，作為電路基板材料，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在900℃燒結，制成三維電路網(wǎng)絡的無源集成組件，也可制成內置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。
LTCC器件是一棟“大廈”
“低溫共燒陶瓷”這個名稱本來就已經讓我們有點犯暈，而看了上面如此復雜而且專業(yè)的釋義之后，估計很多人都不想往下看這篇文章了。
于是，陸德龍舉了一個生動的例子：“低溫共燒陶瓷器件好比一棟大廈，每一層有著不同的功能，但它們又是一個整體。”低溫共燒陶瓷器件包含著很多層，每一層的生陶片內都有不同的電路，最后將這些合在一起低溫燒制，就得到了我們想要的元器件。
陸德龍介紹說：“從上世紀90年代開始，通訊的頻段越來越高，聲表面波器件工藝已經無法滿足要求，而陶瓷器件卻可以。不過，盡管陶瓷元器件已經使用了很長時間，但是當時還是體積比較大，且是高溫陶瓷。”
后來科學家們想到，在一片片的生陶瓷里設計上電路，然后陶瓷與電路一起燒制，這就是“共燒”的由來，由于很多電路的用料中以銀為主，而銀的沸點是900°C，所以燒制的溫度就低于900°C，這就是低溫共燒。“低溫共燒，從能源上講節(jié)能；從工藝上講，可以實現(xiàn)通訊技術發(fā)展所要求的設備小型化。”
特點
材料是技術根本
近年來，隨著現(xiàn)代信息產業(yè)的飛速發(fā)展，電子線路的微型化、輕量化、集成化和高頻化對電子元件提出了小尺寸、高頻率、高可靠性和高集成度的要求，在眾多微電子集成和組件整合技術中，低溫共燒陶瓷已經成為目前電子元件集成化的主流方式，這完全是由其特性所決定的。
LTCC器件的體積很小，最小的只有1毫米×0.5毫米。陸德龍笑著說：“一個噴嚏打下去，你就找不著了。”
除此之外，與其它集成技術相比，LTCC有著眾多特點：首先，根據(jù)配料的不同，LTCC材料的介電常數(shù)可以在很大范圍內變動，這增加了電路設計的靈活性；第二，陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、高速傳輸以及寬通帶的特性；第三，使用高電導率的金屬材料作為導體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質因數(shù)；第四，制作層數(shù)很高的電路基板，易于形成多種結構的空腔，內埋置元器件，免除了封裝組件的成本，減少連接芯片導體的長度與接點數(shù)，并可制作線寬小于50μm的細線結構電路，實現(xiàn)更多布線層數(shù)，能集成的元件種類多，參量范圍大，易于實現(xiàn)多功能化和提高組裝密度；第五，可適應大電流及耐高溫特性要求，具有良好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數(shù)，較小的介電常數(shù)穩(wěn)定系數(shù)。LTCC基板材料的熱導率是有機疊層板的20倍，故可簡化熱設計，明顯提高電路的壽命和可靠性；第六，與薄膜多層布線技術具有良好的兼容性，二者結合可實現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件。
另外，LTCC易于實現(xiàn)多層布線與封裝一體化結構，進一步減小體積和重量，提高可靠性、耐高溫、高濕、沖振，可以應用于惡劣環(huán)境；非連續(xù)式的生產工藝，便于基板燒成前對每一層布線和互連通孔進行質量檢查，有利于提高多層基板的成品率和質量，縮短生產周期，降低成本。
“關鍵就是材料，其次是設計。”陸德龍表示，材料是該技術的根本。材料要滿足很多的技術指標，介電常數(shù)、溫度系數(shù)等等。因為這些器件的工作環(huán)境比較惡劣，例如衛(wèi)星電視接收器上的濾波器，因為是露天使用，風吹日曬不說，還得經受幾十攝氏度的溫差變化，這對元器件可靠性的要求非常高。
應用
它不只在手機里
LTCC可應用于眾多領域，而其中微波領域是LTCC應用受到極大的關注的領域之一。LTCC微波介質陶瓷可用作諧振器、濾波器、介質基片、介質天線、介質波導等，在移動電話、微波基站、無繩電話、電視衛(wèi)星接收器、無線接入和軍事雷達等方面正發(fā)揮著越來越大的作用。
其中，手機的用量占據(jù)主要部分，約達80%以上；其次，是藍牙模塊和WLAN。手機中使用的LTCC產品包括LC濾波器、雙工器、功能模塊、收發(fā)開關功能模塊、平衡—不平衡轉換器、耦合器、功分器、共模扼流圈等。
“平常老百姓接觸到最多的就是手機、電話、無繩電話，現(xiàn)在用得最多的是藍牙耳機里面的天線。只要體積小的，無線接收的設備肯定要用到濾波器、天線，這些都離不開LTCC。”陸德龍說。
其它諸如汽車、醫(yī)療及特高頻微波頻率器件領域等也正逐步采用該項技術。在工作頻率高達十幾、幾十千兆赫茲的衛(wèi)星、LMDS（局域多點傳輸服務）、光纖及光纖信號處理終端設備中，LTCC可獲得更廣泛的應用。
成果
達到國際先進水平
“低溫共燒片式多層微波陶瓷微型頻率器件產業(yè)化關鍵技術”項目涉及多學科，涵蓋基礎研究、工藝技術及裝備集成、產品開發(fā)、產品應用等領域，經過多年的產學研聯(lián)合攻關，突破LTCC材料研制、生產技術和器件設計三大核心技術，并實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化與集成，開發(fā)出具有完全自主知識產權的LTCC片式多層微波陶瓷微型頻率器件產業(yè)化關鍵技術，整體研究和產業(yè)化水平處于國際先進，在國內率先實現(xiàn)了器件的小型化、系列化、低成本的規(guī)�；a。
獲得國家科學技術進步二等獎，主要是由于該項目的三項創(chuàng)新：
首先，該項目突破了燒結助劑的優(yōu)選和復配、溶膠—凝膠法原位引入燒結助劑等LTCC材料制備關鍵技術，發(fā)明了高Q×f值6個LTCC材料體系，滿足了器件低成本、多品種、高性能的要求；第二，突破流延膜帶制備、多層復合工藝控制、陶瓷—Ag電極低溫共燒等器件規(guī)模化生產技術，在國內率先建立了生產線及工藝規(guī)范；第三，建立了片式多層微波陶瓷器件仿真設計與測試平臺，開發(fā)了系列專用器件設計方法，使器件的外形尺寸縮至1.6mm×0.8mm×0.6mm，實現(xiàn)了器件小型化、多功能化和系列化。
這些工藝的作用獨到，比如溶膠—凝膠法原位引入燒結助劑，因為制造過程中，陶瓷由很多種材料組成，所以該工藝就是要將摻在其中的成分均勻分布，充分混合。
該項目成套技術實現(xiàn)了產業(yè)化，正原電氣建立了國內首條LTCC片式多層微波陶瓷微型頻率器件規(guī)�；a線，生產出濾波器、天線等系列器件，產品質量達到國際同類產品水平，具有明顯的國際市場競爭優(yōu)勢，已供應國內外60余家單位應用，打破了進口產品長期壟斷我國市場的局面，近三年產生直接效益4.74億元。
