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低温共烧陶瓷在5G通信领域的应用

来源:   发布时间:2020-02-06   点击量:12

低温共烧陶瓷在5G通信领域的应用

苏州纳朴材料 高纯超细无机粉体 2019-09-29

现代移动通信系统是由GSM升级到了GPRS再到CDMA,频率也从900MHz,2.4GHz升级到了现在的的5G通信的低频段3.4-3.6GHz。微电子技术的发展促使器件或组件趋向于结构的小型化、更高的集成密度、更快的传输速率和更高的可靠性,同时对封装材料的某些性能提出更高的要求,也对封装工艺提出了更严苛的质量和稳定性要求,为了器件小型化并降低损耗, 同时又能得到更好品质的产品, 必须对新材料新技术进行探索, 其中低温共烧陶瓷 (LTCC) 技术具备较强的优势, 一块功能强大的低温烧结介质模块内部可集成电容、电感、电阻、天线和滤波器等元器件。它有着高频材料、厚膜技术、共烧技术等优点, 没有昂贵重复的烧结制作流程, 电路是在叠压后进行一次烧结, 具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点。

低温共烧陶瓷技术,就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,作为电路基板材料,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,高温烧结,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。

图1 低温共烧陶瓷(LTCC)制备工艺流程图

低温共烧陶瓷(LTCC)基板主要有以下优点:

(1) LTCC基板陶瓷材料性能优异,介电常数较小,具有优良的高频特性和高品质因数特性,使用频率可高达100 GHz甚至更高;

(2) 金、银等具有高电导率的导体材料性能优异,能够满足大电流和高温特性的需求,从而可以提高系统的品质因数,且基板导热性能优于传统的印刷电路板(PCB)材料;

(3) LTCC基板中可埋入无源元件等,显著提升电路和系统的组装密度;

(4) LTCC叠层层数高达上百层,可精细布线至50μm线宽或线间距;

(5)温度特性良好,热膨胀系数较小,共振频率温度系数较小;

(6) LTCC生产工艺属于非连续生产,特定的检查工序可以提高产品成品率,同时降低成本。

低温共烧陶瓷的成分组成是决定其物化特性、电性能的关键因素。经过多年的发展和研究,目前LTCC用陶瓷材料主要有三大类,分别是剥离/陶瓷复合体系、微晶玻璃体系和非晶玻璃体系,其中前两种是目前研究的重点。

在玻璃/陶瓷复合体系中,是以陶瓷材料为基体,低熔点的玻璃可将陶瓷材料烧结温度降低至900℃以下。材料系统的整体性能受到每种组分性质的影响,包括各自的微观形貌、粒度分布、热学性质、电学特性、体积分数等。玻璃/陶瓷体系能以常规的方法获得良好的电性能和致密度。其中填充料主要作用是调节陶瓷材料的主要性能(力学、电学性能),低熔点的玻璃相可调低陶瓷材料的烧结温度,降低烧结难度并提高材料的致密性。这种材料可用于叠层介质电容、叠层介质天线和叠层介质滤波器等。

表1 玻璃/陶瓷复合体系常用材料

微晶玻璃体系是微晶玻璃,通过玻璃析晶,可得到晶粒粒径小于10μm的多晶体。这种材料可用于对电学性能要求不高的高频叠层电感等。常见体系有CaO-B2O3-SiO2体系,MgO-Al2O3-SiO2体系等。

对于5G通讯而言, 通讯信号为高频信号 (例如2GHz以上) 时, 可能存在集总的电感和电容超过自谐振频率的情况, 而影响集总式电路的设计效果, 对此, 也给器件设计提出了新的难度。低温共烧陶瓷能够提升滤波器的高频性能, 并且让体积更小, 但是器件内磁场分布难以确定, 随着层数增加磁场也会变的更加复杂, 所以此类器件的设计难度很大, 并且在器件的生产过程中, 也会受到各种因素影响, 如流延出来的介质基片厚度不均, 印刷叠层与热压造成错误, 切片时偏差和器件变形, 在共烧的时候收缩不均等等, 都会导致器件的性能变差, 对于器件的设计要求水准也自然需要提高, 在设计中需要采用简洁的电路结构进而减少不必要的制作工艺环节, 在设计中避免耦合间距过小, 层次不宜过多等。利用LTCC技术制备提供一种适用于5G通讯的低插损、带外高抑制、高度集成的LTCC滤波器也将是今后研究的重点。

热门标签:晶谷低温共烧陶瓷玻璃粉