LTCF技术及其发展趋势
2003-06-24 10:53:02
来源：国际电子变压器
点击：1389
LTCF技术及其发展趋势
LTCF Technology and Its Development Tends
摘 要： 本文简要介绍了低温共烧铁氧体（LTCF）技术的由来，报道了LTCF的关键制造工艺、主要应用领域以及国内外发展趋势。
1、从MCM技术说起
MCM技术通常称为多芯片组件或多芯片模块，是Multi-Chip Module的英文缩写。我们知道，半导体集成电路（IC）是通过0.15μ甚至更细小的亚微米工艺将存储器、微处理器等集成在硅片上，随着光刻技术的发展，集成度越来越高，不断推出大规模和超大规模集成电路，甚至将高性能数字集成电路（包括存储器、微处理器、图象和信号处理器等）和模拟集成电路（各种放大器、变换器等）集成为单片集成电路系统。
但是，对于电子整机而言，光有半导体集成电路（IC）是远远不够的，即使一个小小的调制解调器，除集成电路外，还有多达125个以上的无源器件，包括各种电阻器、电容器、电感器、变压器、滤波器等等，为了进一步实现小型化、微型化，就必须将IC和众多无源器件和其它有关器件等集成在一起，MCM技术就此应运而生。所以说，MCM技术是一种高级混合集成电路技术。
目前，国际上对MCM技术尚无统一的定义，比较流行的说法是指：将两个以上裸芯片IC（一般为大规模集成电路LSI）和其它微型元器件集成在同一高密度多层布线互连基板上，经封装后构成的高密度功能电子组件，所以，也可称之为功能模块。
2、MCM的两大技术基础--LTCC和LTCF
从上述基本概念分析，我们可以看出，MCM技术的优势在于：
--高密度化组装，进一步实现了电子整机的轻、薄、短、小化。与同样功能的SMT组装电路相比，重量可减轻80-90%，体积可减小70-80%。
--提高了运算、处理速度，进一步实现了高速化。采用MCM技术，有效缩短了高速LSI之间的互连距离，减小了互连电容、电阻和电感，从而使信号传输延迟大为降低，与通常SMT组装电路相比，MCM信号传输速度可提高4-6倍。
--可进一步提高电子整机的可靠性。众所周知，电子整机的失效大约有90%是由封装和互连引起的，与同样功能的SMT组装电路相比，单位面积内的焊点减少了95%以上，接口减少了75%以上，且大大改善了电路的散热情况，使热应力和过载应力显著降低， 从而提高整机的可靠性达5倍以上。
--可进一步实现多功能化。MCM可将模拟电路、数字电路、光电器件、微波器件、各种传感器以及片式元器件等组装在一起，通过高密度互连构成三维结构的多功能模块、部件、子系统或系统。而性能/价格比远优于SMT组装电路。
制造MCM的关键技术有：模块功能设计技术；热设计和可靠性设计技术；多层布线设计技术；裸芯
片及其它预埋、外贴器件的组装、互连技术；输出、输入端口形成技术和电气功能的检测和试验技术，但最为关键的是作为模块载体的多层布线基板技术。
MCM诞生至今已有20年的历史，开发的多层布线基板的种类也很多，如高密度多层PCB板、高密度厚膜多层布线基板、高密度薄膜多层布线基板、高密度混合多层基板等等，但目前最有发展潜力的是LTCC和LTCF多层基板。
LTCC是低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fire Ceramic）的英文缩写， 陶瓷基板的种类也很多，有氧化铝、氮化铝、氧化铍、莫来石基板等等。其基本工艺流程如图1所示。
LTCF是低温共烧铁氧体（Low Temperature Co-fire Ferrite）的英文缩写。可用于低温共烧的铁氧体材料种类也较多，有NiZnCu系列、MnZn系列和作为旋磁材料的Li铁氧体等等，LTCF的基本工艺流程大致与LTCC相同，但因发展起步相对较晚，目前国际上尚有湿法工艺、干法工艺与混合工艺等不同的技术路线，一时难分高下。
3、LTCF的技术关键
众所周知，NiZn铁氧体的烧结温度为1200-1300℃，而MnZn铁氧体的烧结温度更高达1300-1450℃，所以LTCF的关键技术首先是要制备能与导电材料例如Ag浆（烧结温度为850-900℃）实现低温共烧的铁氧体磁粉。
目前降低NiZn铁氧体烧结温度的途径有两条：一是通过各种方法将NiZn铁氧体粉料的颗粒度加工到亚微米级，即D90为0.2-0.5μ；另一途径是添加低熔点物质，将烧结温度降到900℃以下。
其次，将NiZnCu铁氧体粉料制成可用来流延的复合浆料是又一关键工艺技术。复合浆料的均匀性、粘度、气泡等物理性能均需严格控制，所以，在制备复合浆料时，除需要在铁氧体粉料中加入溶剂外，还必须添加增塑剂、分散剂、粘结剂、去泡剂、表面活性剂、湿润剂等，经均匀混合，球磨成胶体，在流延机刮刀的作用下在基带上流延出连续、厚度均匀的浆料层，形成光滑的自然平面膜片，膜片在钢带上通过干燥炉，经干燥后形成柔软有弹性的皮革状的膜带或称为磁膜。
此外，NiZnCu铁氧体与导电Ag浆或者铁氧体、陶瓷和导电Ag浆三位一体低温烧结也是一项关键工艺技术。一是要将三种材料的烧结温度调整到一致；二是三种材料的收缩率及热胀系数应当匹配，否则无法实现低温共烧。图2是三种材料低温共烧后的显微照片。
4、LTCF的主要应用领域
应用LTCF技术制造的基础产品有：多层片式电感器、抗EMI磁珠阵列、多层片式EMI滤波器和滤波器阵列、多层片式微磁变压器等等。更进一步以LTCF技术为基础，采取埋设和外贴有源器件、模拟电路、数字电路、光电器件、微波器件、以及各种传感器和片式元器件等，可开发出一系列磁性组件、部件和系统，甚至磁性功率模块等。
1983年日本TDK公司将低温烧结的铁氧体材料（NiCuZn）和低温烧结的陶瓷介质材料（TiO2或SrTiO3等）叠层在一起，进行共烧，构成了多层片式LC滤波器。其间较好地解决了铁氧体材料与陶瓷介质材料之间收缩率及热胀系数的匹配和精确控制等重要问题。收缩率的不一致会导致二者的剥离，热胀系数的不匹配会导致开裂。内部电极采用导电率高的Ag。TDK公司采用该技术还制作了具有输入、输出、接地三个引出端的多层片式三端滤波器和滤波器阵列，其中内含多个电感和电容器，可用作抗EMI元件。最一般的片式三端滤波器是内含2个电感器和1个电容器的T型滤波器，尺寸为2×2×1.25
。
作为抗EMI元件，多层片式铁氧体磁珠或磁珠网络应用十分广泛。如：汽车定位系统的数据线和时钟线需安装EMI高频磁珠、LC信号线滤波器和片式三端串心电容器；在缆线接口处需插入多层片式铁氧体磁珠、三端穿心电容器或电感与穿心电容滤波器；在其基带和射频电路中都必须采用一些EMI元件，如通用型片式磁珠、高频片式磁珠、高频片式电感器、EMI信号滤波器、片式三端电容器等。在DVD的时钟线安装片式滤波器、磁珠或三端电容器； 在MP3数字电路中可以安装三绕组铁氧体扼流圈，能够同时抑制高频共模和差模噪声，而不会引起音频信号的畸变和交扰。数字电视机机顶盒中，在微处理器与RAM和图像IC之间串入磁珠阵列、LC信号线滤波器或片式三端穿心电容器；在视频信号输出端口安装LC滤波器或片式三端穿心电容器；在音频信号输出端口串入高频片式磁珠等等。
随着通讯、计算机、网络等电子信息产业的高速发展，对小型化、低成本、低高度和表面安装变压器的需求越来越多，此外，当然还要求变压器的效率足够高，而且安全可靠，采用LTCF技术的微磁变压器即可满足上述要求。九十年代以来，美国已有不少多层片式微磁变压器的专利问世，如：U.S.P#5532667、U.S.P#6054914、U.S.P#6198374等等。其中，Midcom公司LTCF微磁变压器的额定功率可达250mW，绝缘性能和耐压满足IEC60950介电击穿规范。日本TDK公司采用多层叠片NiZnCu铁氧体磁膜和厚膜浆料（Ag）共烧，形成了同时具有变压器和电感器功能的多层基板，然后在基板的表面再印制厚膜电阻和布线，外贴功率器件和独石电容器等元器件，研制成SMD型DC/DC变换器，其尺寸仅为传统厚膜集成DC/DC变换器的1/3-1/5。新开发的移动通信机功放驱动用的SMD型DC/DC变换器，输入电压3.6 V，输出电压6.0V，输出电流600mA，尺寸仅为15×10×4，重量仅2 g。
总之，在计算机、通讯特别是移动通讯、宽带业务数字网（B-ISDN）、频率合成器（VCO/PLL）、GSM/DCS开关共用器、DC/DC变换器、蓝芽模块（Bluetooth Module）、多层片式天线、汽车电子及航空航天微波产品中，LTCF技术大有用武之地。
5、发展趋势
可以预计，今后3-5年内，LTCF技术的发展趋势将朝以下几个方面：
--低温共烧铁氧体材料向多元化发展
目前已经商品化的低温共烧NiZnCu铁氧体，其磁导率仅为200，饱和磁化强度为0.25 T，今后需要磁导率及饱和磁化强度更高的亚微米级NiZnCu铁氧体粉料，近期的目标是磁导率达到2000，饱和磁化强度为0.45 T，以用于高频及超高频系统中。而在低频及中频范围内，需要磁导率μi 为500-2500的超细MnZn铁氧体粉料，可用于200KHz-2MHz的多层片式电感器中。作为旋磁材料的低温共烧LiZn铁氧体粉料目前也正在开发中。
--多层片式磁性元器件和组件向高频化发展
由于电子设备的需求牵引，为满足数字化、轻量化、高频化、多功能化的要求，LTCF及模块技术发展很快，目前工作频率不断提升，正在研发微波波段甚至8mm波段的磁性模块技术。
--多层片式磁性基板和模块向多功能化发展
九十年代初，美、日等国就在片式电感的基础上研制成功大电流电感模块、EMI滤波器阵列模块、EMI多层磁珠网络、功率分配/合成器/定向耦合器组件、功率传输变压器、射频放大器、阻抗变换器及混频器等射频铁氧体器件等多层片式磁性组件及模块。2001年，美国科罗拉多州立大学C.Patton教授发表了采用8层铁氧体磁膜制成多层片式相移器的研究结果，德国公司几乎同时宣布研制成功多层片式相移器样品。根据有关方面的信息，2002年底在日本还召开了多层微波铁氧体环行器、隔离器、相移器等磁膜器件、组件及模块技术研讨会。
--LTCF技术向高功率密度和高可靠方向发展。
除工作频率不断提高外，对LTCF磁性组件及模块的功率密度和可靠性的要求也越来越高。TDK研制的叠层功率分配/合成器/定向耦合器模块尺寸为3.2×1.6×1.1mm，频率可达2.5GHz，功率密度达80W/
。为实现高功率、小型化，磁性组件及模块必须具有良好散热结构；为实现高可靠，磁膜的微观缺陷应降到最低，磁性组件及模块必须大量减少内部埋设或外贴的分立元件数，同时缩短信号传输路径、消除或减少内部连线/引线/接头，形成良好的宽带匹配；从基础工艺上保证良好的可靠性。■
LTCF Technology and Its Development Tends
摘 要： 本文简要介绍了低温共烧铁氧体（LTCF）技术的由来，报道了LTCF的关键制造工艺、主要应用领域以及国内外发展趋势。
1、从MCM技术说起
MCM技术通常称为多芯片组件或多芯片模块，是Multi-Chip Module的英文缩写。我们知道，半导体集成电路（IC）是通过0.15μ甚至更细小的亚微米工艺将存储器、微处理器等集成在硅片上，随着光刻技术的发展，集成度越来越高，不断推出大规模和超大规模集成电路，甚至将高性能数字集成电路（包括存储器、微处理器、图象和信号处理器等）和模拟集成电路（各种放大器、变换器等）集成为单片集成电路系统。
但是，对于电子整机而言，光有半导体集成电路（IC）是远远不够的，即使一个小小的调制解调器，除集成电路外，还有多达125个以上的无源器件，包括各种电阻器、电容器、电感器、变压器、滤波器等等，为了进一步实现小型化、微型化，就必须将IC和众多无源器件和其它有关器件等集成在一起，MCM技术就此应运而生。所以说，MCM技术是一种高级混合集成电路技术。
目前，国际上对MCM技术尚无统一的定义，比较流行的说法是指：将两个以上裸芯片IC（一般为大规模集成电路LSI）和其它微型元器件集成在同一高密度多层布线互连基板上，经封装后构成的高密度功能电子组件，所以，也可称之为功能模块。
2、MCM的两大技术基础--LTCC和LTCF
从上述基本概念分析，我们可以看出，MCM技术的优势在于：
--高密度化组装，进一步实现了电子整机的轻、薄、短、小化。与同样功能的SMT组装电路相比，重量可减轻80-90%，体积可减小70-80%。
--提高了运算、处理速度，进一步实现了高速化。采用MCM技术，有效缩短了高速LSI之间的互连距离，减小了互连电容、电阻和电感，从而使信号传输延迟大为降低，与通常SMT组装电路相比，MCM信号传输速度可提高4-6倍。
--可进一步提高电子整机的可靠性。众所周知，电子整机的失效大约有90%是由封装和互连引起的，与同样功能的SMT组装电路相比，单位面积内的焊点减少了95%以上，接口减少了75%以上，且大大改善了电路的散热情况，使热应力和过载应力显著降低， 从而提高整机的可靠性达5倍以上。
--可进一步实现多功能化。MCM可将模拟电路、数字电路、光电器件、微波器件、各种传感器以及片式元器件等组装在一起，通过高密度互连构成三维结构的多功能模块、部件、子系统或系统。而性能/价格比远优于SMT组装电路。
制造MCM的关键技术有：模块功能设计技术；热设计和可靠性设计技术；多层布线设计技术；裸芯
片及其它预埋、外贴器件的组装、互连技术；输出、输入端口形成技术和电气功能的检测和试验技术，但最为关键的是作为模块载体的多层布线基板技术。
MCM诞生至今已有20年的历史，开发的多层布线基板的种类也很多，如高密度多层PCB板、高密度厚膜多层布线基板、高密度薄膜多层布线基板、高密度混合多层基板等等，但目前最有发展潜力的是LTCC和LTCF多层基板。
LTCC是低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fire Ceramic）的英文缩写， 陶瓷基板的种类也很多，有氧化铝、氮化铝、氧化铍、莫来石基板等等。其基本工艺流程如图1所示。
LTCF是低温共烧铁氧体（Low Temperature Co-fire Ferrite）的英文缩写。可用于低温共烧的铁氧体材料种类也较多，有NiZnCu系列、MnZn系列和作为旋磁材料的Li铁氧体等等，LTCF的基本工艺流程大致与LTCC相同，但因发展起步相对较晚，目前国际上尚有湿法工艺、干法工艺与混合工艺等不同的技术路线，一时难分高下。
3、LTCF的技术关键
众所周知，NiZn铁氧体的烧结温度为1200-1300℃，而MnZn铁氧体的烧结温度更高达1300-1450℃，所以LTCF的关键技术首先是要制备能与导电材料例如Ag浆（烧结温度为850-900℃）实现低温共烧的铁氧体磁粉。
目前降低NiZn铁氧体烧结温度的途径有两条：一是通过各种方法将NiZn铁氧体粉料的颗粒度加工到亚微米级，即D90为0.2-0.5μ；另一途径是添加低熔点物质，将烧结温度降到900℃以下。
其次，将NiZnCu铁氧体粉料制成可用来流延的复合浆料是又一关键工艺技术。复合浆料的均匀性、粘度、气泡等物理性能均需严格控制，所以，在制备复合浆料时，除需要在铁氧体粉料中加入溶剂外，还必须添加增塑剂、分散剂、粘结剂、去泡剂、表面活性剂、湿润剂等，经均匀混合，球磨成胶体，在流延机刮刀的作用下在基带上流延出连续、厚度均匀的浆料层，形成光滑的自然平面膜片，膜片在钢带上通过干燥炉，经干燥后形成柔软有弹性的皮革状的膜带或称为磁膜。
此外，NiZnCu铁氧体与导电Ag浆或者铁氧体、陶瓷和导电Ag浆三位一体低温烧结也是一项关键工艺技术。一是要将三种材料的烧结温度调整到一致；二是三种材料的收缩率及热胀系数应当匹配，否则无法实现低温共烧。图2是三种材料低温共烧后的显微照片。
4、LTCF的主要应用领域
应用LTCF技术制造的基础产品有：多层片式电感器、抗EMI磁珠阵列、多层片式EMI滤波器和滤波器阵列、多层片式微磁变压器等等。更进一步以LTCF技术为基础，采取埋设和外贴有源器件、模拟电路、数字电路、光电器件、微波器件、以及各种传感器和片式元器件等，可开发出一系列磁性组件、部件和系统，甚至磁性功率模块等。
1983年日本TDK公司将低温烧结的铁氧体材料（NiCuZn）和低温烧结的陶瓷介质材料（TiO2或SrTiO3等）叠层在一起，进行共烧，构成了多层片式LC滤波器。其间较好地解决了铁氧体材料与陶瓷介质材料之间收缩率及热胀系数的匹配和精确控制等重要问题。收缩率的不一致会导致二者的剥离，热胀系数的不匹配会导致开裂。内部电极采用导电率高的Ag。TDK公司采用该技术还制作了具有输入、输出、接地三个引出端的多层片式三端滤波器和滤波器阵列，其中内含多个电感和电容器，可用作抗EMI元件。最一般的片式三端滤波器是内含2个电感器和1个电容器的T型滤波器，尺寸为2×2×1.25
。作为抗EMI元件，多层片式铁氧体磁珠或磁珠网络应用十分广泛。如：汽车定位系统的数据线和时钟线需安装EMI高频磁珠、LC信号线滤波器和片式三端串心电容器；在缆线接口处需插入多层片式铁氧体磁珠、三端穿心电容器或电感与穿心电容滤波器；在其基带和射频电路中都必须采用一些EMI元件，如通用型片式磁珠、高频片式磁珠、高频片式电感器、EMI信号滤波器、片式三端电容器等。在DVD的时钟线安装片式滤波器、磁珠或三端电容器； 在MP3数字电路中可以安装三绕组铁氧体扼流圈，能够同时抑制高频共模和差模噪声，而不会引起音频信号的畸变和交扰。数字电视机机顶盒中，在微处理器与RAM和图像IC之间串入磁珠阵列、LC信号线滤波器或片式三端穿心电容器；在视频信号输出端口安装LC滤波器或片式三端穿心电容器；在音频信号输出端口串入高频片式磁珠等等。
随着通讯、计算机、网络等电子信息产业的高速发展，对小型化、低成本、低高度和表面安装变压器的需求越来越多，此外，当然还要求变压器的效率足够高，而且安全可靠，采用LTCF技术的微磁变压器即可满足上述要求。九十年代以来，美国已有不少多层片式微磁变压器的专利问世，如：U.S.P#5532667、U.S.P#6054914、U.S.P#6198374等等。其中，Midcom公司LTCF微磁变压器的额定功率可达250mW，绝缘性能和耐压满足IEC60950介电击穿规范。日本TDK公司采用多层叠片NiZnCu铁氧体磁膜和厚膜浆料（Ag）共烧，形成了同时具有变压器和电感器功能的多层基板，然后在基板的表面再印制厚膜电阻和布线，外贴功率器件和独石电容器等元器件，研制成SMD型DC/DC变换器，其尺寸仅为传统厚膜集成DC/DC变换器的1/3-1/5。新开发的移动通信机功放驱动用的SMD型DC/DC变换器，输入电压3.6 V，输出电压6.0V，输出电流600mA，尺寸仅为15×10×4
，重量仅2 g。总之，在计算机、通讯特别是移动通讯、宽带业务数字网（B-ISDN）、频率合成器（VCO/PLL）、GSM/DCS开关共用器、DC/DC变换器、蓝芽模块（Bluetooth Module）、多层片式天线、汽车电子及航空航天微波产品中，LTCF技术大有用武之地。
5、发展趋势
可以预计，今后3-5年内，LTCF技术的发展趋势将朝以下几个方面：
--低温共烧铁氧体材料向多元化发展
目前已经商品化的低温共烧NiZnCu铁氧体，其磁导率仅为200，饱和磁化强度为0.25 T，今后需要磁导率及饱和磁化强度更高的亚微米级NiZnCu铁氧体粉料，近期的目标是磁导率达到2000，饱和磁化强度为0.45 T，以用于高频及超高频系统中。而在低频及中频范围内，需要磁导率μi 为500-2500的超细MnZn铁氧体粉料，可用于200KHz-2MHz的多层片式电感器中。作为旋磁材料的低温共烧LiZn铁氧体粉料目前也正在开发中。
--多层片式磁性元器件和组件向高频化发展
由于电子设备的需求牵引，为满足数字化、轻量化、高频化、多功能化的要求，LTCF及模块技术发展很快，目前工作频率不断提升，正在研发微波波段甚至8mm波段的磁性模块技术。
--多层片式磁性基板和模块向多功能化发展
九十年代初，美、日等国就在片式电感的基础上研制成功大电流电感模块、EMI滤波器阵列模块、EMI多层磁珠网络、功率分配/合成器/定向耦合器组件、功率传输变压器、射频放大器、阻抗变换器及混频器等射频铁氧体器件等多层片式磁性组件及模块。2001年，美国科罗拉多州立大学C.Patton教授发表了采用8层铁氧体磁膜制成多层片式相移器的研究结果，德国公司几乎同时宣布研制成功多层片式相移器样品。根据有关方面的信息，2002年底在日本还召开了多层微波铁氧体环行器、隔离器、相移器等磁膜器件、组件及模块技术研讨会。
--LTCF技术向高功率密度和高可靠方向发展。
除工作频率不断提高外，对LTCF磁性组件及模块的功率密度和可靠性的要求也越来越高。TDK研制的叠层功率分配/合成器/定向耦合器模块尺寸为3.2×1.6×1.1mm，频率可达2.5GHz，功率密度达80W/
。为实现高功率、小型化，磁性组件及模块必须具有良好散热结构；为实现高可靠，磁膜的微观缺陷应降到最低，磁性组件及模块必须大量减少内部埋设或外贴的分立元件数，同时缩短信号传输路径、消除或减少内部连线/引线/接头，形成良好的宽带匹配；从基础工艺上保证良好的可靠性。■
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