LTCC 簡介

1.2.1 LTCC 技術

低溫共燒陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramic；LTCC)技術是利用陶瓷 材料做為基板，將電阻、電容、耦合電路等被動元件埋入多層的陶瓷基板之中，

並且採用金、銀、銅等貴金屬及低阻抗的金屬一起共燒作為內外的電極，每一層 基板均為 LTCC 的生胚，在每一層的生胚上印上導電的金屬層，並藉由貫穿孔(Vias) 連結到每一層內埋式的被動元件當中，這些內埋式的被動元件是利用平行印刷塗 佈的方式印到基板上面，最後將所需的多層生胚疊壓並在攝氏 800～900 多度的燒 結爐中進行燒結而形成整合式陶瓷元件。由於可以把這些電阻、電容、電感等被 動元件燒結在同一片 LTCC 的基板內，因此可以將原本面積龐大的電路立體化，形 成多層架構的積體模組，如同「被動元件的積體電路」，大幅的縮小整個電路元 件的體積。並且可以結合其他不能埋入的主動元件如 IC、功率放大器、收發器等 則承載於基板表面上，即可構成完整之系統化封裝(SoP)模組，如圖 1-1 所示。最 後將整塊 LTCC 模組黏著到電路板(PCB)上，這樣不僅可以大幅縮減元件與元件之 間的空間外，還可以將原本黏著於基板上的電阻、電容、電感、匹配電路等被動 元件及部分連接線路製作成多層結構的方式，並且內藏在 LTCC 的基板之中，而縮 小使用面積。如此可以減少離散表面黏著元件(Surface Mount Device；SMD)的使 用數量，以及因焊點(Solder Joints)所造成的不可靠度，降低高頻所產生之不必 要的寄生效應(Parasitic Effect)。

圖 1.1 多層 LTCC 模組橫向剖面架構圖

由於利用 LTCC 技術開發的被動元件和模組具有高頻、高 Q、適應大電流及耐 高溫等特性，最適合於射頻電路及無線通訊產品的應用中。同時由於整合式的模 組可以將被動元件藏於電路板中，可以減少濕度、腐蝕及銹蝕等問題，進而達到 提升整個模組及系統的可靠度。以 LTCC 技術所製造的被動元件及模組，其生產製 造流程主要包括以下的程序：陶瓷粉末→漿料配置→刮刀成型→沖孔→填孔→網 印→疊壓→切割→燒結→上端電極→燒附→電鍍→電性測試。如圖 1-2 所示。

圖 1.2 LTCC 生產製造流程

資料來源：工研院 IEK (2004/02)

低溫共燒陶瓷技術的材料為玻璃陶瓷(Glass Ceramin)或是玻璃加陶瓷填充 劑，材料組成後可以在溫度攝氏 800～900 多度燒結。因此，陶瓷材料可以與高導 電率且低熔點的金屬，如：Ag(熔點 961℃)與 Cu(熔點 1070℃)共燒。目前比較常 見的低溫共燒陶瓷材料系統有 DuPont 951、Ferror A6 與 NEG MLS 系統等。表 1.1 所示為各種低溫共燒陶瓷製程的材料特性。

由於現在電子元件模組化已經成為產品發展的趨勢，除了以 LTCC 當作模組的 基 板 之 外 ， 還 有 其 他 可 以 選 擇 的 模 組 基 板 ， 包 括 了 HTCC(High-Temperature Co-fired Ceramic；高溫共燒陶瓷)、傳統的 PCB 如 FR4 和 PTFE(高性能聚四氟已 烯)等。不過由於 HTCC 的燒結溫度須在 1500℃以上，而採用的高熔金屬如鎢、鉬、

錳等的導電性能較差，所以燒結收縮並不如 LTCC 容易控制。但是，HTCC 還是有一 些優點是 LTCC 所比不上的，因為 HTCC 已經是一種成熟的技術，業界對於材料和 技術已經有相當的了解，並且，HTCC 氧化鋁的機械強度比 LTCC 介質材料的機械強 度高的多，可以使得整個封裝更加的牢固，而氧化鋁的熱導率比起 LTCC 介質材料

比較。 MLS-1000

顏色 --- 藍 白 白

陶瓷材料必須提供良好的高頻特性，並且具備低損耗、高介電常數及溫度係數穩 定等的特性，所以這也是目前微波陶瓷材料被積極研究發展的重點。在生產技術 方面，一般大部分在基板上都是堆疊相同介電常數的基板，在燒結後產生的縮小 率大概在 15~20%左右，但是，如果推疊不同介電常數的材料，在燒結之後，這些 介電常數不同的材料會出現不同的縮小率，使得燒結後的模組會產生變形的現 象。除了縮小率之外，材料的膨脹係數也是一個問題，不同係數的材料，在燒結 過程中會產生不同的膨脹現象，相同的會使得燒結後的模組產生變形甚至失敗的 現象。

表 1.3 LTCC 和 HTCC 機電特性的比較

特點 HTCC LTCC 優點

翹曲度小 X O 提高線焊設備生產效率

表面粗糙度小 X O 高頻性能好

頂層尺寸穩定度高 X O 提高線焊設備生產效率

的穩定程度 熱膨脹係數與氧化鋁

或矽的匹配程度佳 X O 提高組裝能力

導率高 O X 熱特性良好

密封性佳 O O 提供封裝

導體的電導率高 X O 採用細線和小空間設計

介質特性控制優良 O O 電性能更相容

機械強度高 O X 封裝更牢固

資料來源：電子時報 (2006/02)

綜合來說，LTCC 以陶瓷做為介電材料，具有高 Q 值，高介電係數及低介電損 失 的 特 性 ， 非 常 適 合 運 用 於 高 頻 通 訊 模 組 當 中 ， 主 要 應 用 於 手 機 、 藍 芽 (Bluetooth)、無線區域網路(WLAN)與全球衛星定位系統(GPS)的產品之中。目前 利用 LTCC 技術製作的整合型元件有功率放大器、多層天線、濾波器等。其中也包 括一些收發器前端模組、功率模組、WLAN 模組、Bluetooth 模組等，將晶片和被 動元件聚集在同一個基板上面。

1.2.2 LTCC 被動元件實現方法

電容器，目前常見的有以下兩種技術:

1. 平板式電容器(Two-parallel plate capacitor) 或稱作金屬-介電 絕緣體-金屬(Metal-Insulator-Metal，MIM)電容器。

2. 指插式(Interdigited)電容器。

(a)

(b)

圖 1.3 內埋式電容器(a)平面式 (b)指插式

圖 1.3(a)為平面式電容器的結構，將上下兩層金屬夾住一介電絕緣體，而互 相交錯的面積即為此電容的有效面積，又稱作 MIM 電容。有效面積越大、兩金屬 間的距離越小，或中間的介電層的介電常數越高，則所產生的等效電容值也越大。

不過當需要設計較大的電容值時，相對的要付出較大的面積，所以在元件縮小化 的趨勢之下，比較不會用 MIM 的架構設計容值較大的電容器。

圖 1.3(b)為指插式電容器的架構，利用金屬層垂直交錯的方式能產生多個電 容並聯的效果，並且用金屬交錯的數目來調整電容的大小，因此指插式電容可以 在較小的面積設計出較大的電容值，不過也必須運用較多的層數來設計。

在內埋式電感器的設計技術主要常見的有以下六種:

1. 曲折式電感器(Meander Inductor)。

2. 方型螺旋式電感器(Rectangular Spiral Inductor)。

3. 圓型螺旋式電感器(Round Spiral Inductor)。

4. 橫式立體螺線管電感器(Horizontal Helical Inductor)。

5. 高感抗螺線管電感器(Helical Inductor with high Inductance)。

6. 高 Q 值螺線管電感器(Helical Inductor with high Q value)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖 1.4 內埋式電感器(a)曲折式 (b)方型螺旋式 (c)圓型螺旋式 (d)橫式立體 螺線管式 (e)高感抗螺線管式 (f)高 Q 值螺線管式

如圖 1.4 所示，在這六種內埋式電感器的結構上，前面三種的架構也可以設 計在 LTCC 的表面上，而於相同面積之下，以後面三種的 Helical 架構設計的電感 值最大，而且所表現的 Q 值也最高，但是所需要使用的層數較多。

因此，要選用何種架構來實現內埋式的電容和電感器，必須取決於預先規畫 的層數及欲實現的容值及電感值的大小，而且所選用的 LTCC 製程及基板材料也是 設計時所考量的因素。