LTCC 材料及其器件产业发展与思考

2023-06-05 来源：电子元件与材料

摘要: 在5G高频通信时代, 电子产品向微小型化和多功能化方向发展, 对电子元器件的集成和封装提出了更高的要求。低温共烧陶瓷(LTCC)技术作为无源元器件集成的关键技术, 在开发高频、高性能、高集成度的电子元器件方面具有显著优势, 对我国高频通信的发展有着举足轻重的作用。本文首先介绍了 LTCC 技术的特点及优势, 随后综述了 LTCC 材料及器件的国内外总体发展情况, 之后针对我国 LTCC 产业存在的主要问题、经济社会需求及未来发展重点进行了深入的分析, 最后对高性能 LTCC 材料及器件核心技术的发展、电子基础产业核心竞争力的提高, 提出相应的思考与建议。

关键词: 低温共烧陶瓷(LTCC); 无源器件; 产业发展; 5G 通信

随着4G/5G移动通信技术、毫米波技术等现代通信技术的快速发展, 信息化浪潮席卷全球, 通信设备和便携式终端正向微小型化、多功能化、高频化、高性能、高可靠性等方向发展。与微波相比, 5G 和毫米波元器件尺寸要小得多, 而且设备的多功能化使得产品中元器件数量成倍增加。为了满足高可靠性和高稳定性的要求, 元器件的模块化和高度集成化成了必然的趋势和选择。在通常情况下, 电子产品中遵循摩尔定律的集成电路仅占系统总体积的 10%, 而不满足摩尔定律的无源元器件则占据了剩余 90%体积, 这些无源元器件成为了电子产品小型化的瓶颈[1]。低温共烧陶瓷( Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC) 技术是无源元器件集成的关键技术, 将低温烧结陶瓷粉用流延法制成厚度精确而且致密的生瓷带, 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, 并将多个无源器件嵌入其中,多层叠压后在 900 ℃ 以下进行烧结, 制成三维空间互不干扰的高密度电路基板。通过 LTCC 可以实现三大无源器件(电阻、电容、电感) 及其他各种无源器件(如天线、滤波器等)封装于多层布线基板中, 并与有源器件(如功率MOS、晶体管、IC 模块等) 共同集成为完整的电路系统[2]。

与其他集成技术相比, LTCC技术的主要优势在于: ①LTCC 材料具有优良的高频、高速传输和宽带通的特性。其介电常数可通过改变材料配方来调控,增加了电路设计的灵活性; ②以电导率高的金属材料作为布线导体, 有利于提高电路系统的品质因数; ③热传导性比普通 PCB 电路板好, 热膨胀系数低, 有助于提高集成系统的可靠性及耐高温和承受大电流的能
力; ④可通过多层互联内埋多个无源器件, 并结合表面贴装技术, 实现有源无源集成, 极大地提高电路的组装密度; ⑤与其他多层布线技术兼容性好, 可进行混合多芯片组件技术的开发; ⑥非连续性生产工艺,便于进行质量检查, 有利于提高成品率, 降低成本[3-4]。凭借上述优势, LTCC 现已成为无源集成的主流技术, 广泛应用于无线通信、消费电子、汽车电子、航空航天以及国防军工等领域。鉴于LTCC 技术对于我国电子信息产业发展的重要性, 本文简述了国内外LTCC 材料及器件的发展状况和发展趋势, 分析了我国 LTCC 技术的经济社会需求和未来产业发展重点,并针对 LTCC 产业存在的问题提出相应的建议和思考。

1 LTCC 材料及器件的国外总体发展情况

LTCC材料到器件的研发是一个非常复杂的过程,需要从材料配方设计、粉体制备、生瓷带流延到器件设计、加工及性能测试等环节进行反复实验, 研发周期长、难度大。自1982 年美国休斯公司开发出 LTCC技术以来, 世界各国在LTCC 材料制备、LTCC生瓷带、生瓷带与金属电极浆料的共烧匹配性等方面投入巨资进行了研发。Ferro(福禄)、DuPont(杜邦)、NEC(日本电气)、Hitachi Metal(日立金属) 等公司都相继开始研制 LTCC材料, 开发出各种自有配方的低介电、低损耗的 LTCC 材料体系, 并逐渐形成了陶瓷粉研发制备、生瓷带流延开发、LTCC 器件制备及应用的整个产业链。国外厂商由于投入已久, 在低温共烧介质材料、共烧工艺、产品质量和专利标准等方面均占领先优势。

随着电子信息技术的发展, 全球 LTCC 市场规模逐年上升, 仅9年时间 LTCC 总产值便翻了一倍, 从2010年的 6.2亿美元上升到 2019 年的12.4亿美元,年均复合增长率达到 8%, 到 2022 年有望达到 15 亿美元。随着 LTCC 市场的稳步增长, 海外企业形成寡头垄断格局。从全球 LTCC 市场的占有情况来看, 排名前 9 的厂商占据近 90%市场份额, 主要技术掌握在日本、美国和部分欧洲国家手中, 产业集中度较高。以LTCC 生产地区来看, 全球第一大产区为日本, 约占全球 LTCC 市场份额的 60%, 其次为欧洲与美国地区,约占全球 LTCC 市场份额的 17%。从厂商市占率来观察, 全球第一大生产厂商为日系厂商 Murata(村田),全球市占率为 30%, 第二大厂商为日系厂商Kyocera(京瓷), 全球市占率为 16%, 第三大厂商为德国的Bosch(博世), 全球市占率为 8%, 其他大厂还有日本TDK(东京电气化学工业)、Taiyo Yuden(太阳诱电)和美国的CTS(西迪斯)公司。日本厂商位于全球 LTCC产品市场与技术的主导地位。

日本村田是全球规模最大的 MLCC 厂商。自从LTCC 出现以来, 日本村田就一直保持世界第一的地位, 全球市场占有率一直高于26%, 在高端市场的占有率更高。村田公司采用低介电陶瓷材料和低阻抗银导体开发出独特的 “零收缩 LTCC”, 能够将陶瓷收缩局限于 Z 方向(厚度方向), 而且确保极佳的尺寸精度和表面光坦度, 可靠性高, 适用于汽车电子和射频电
路。京瓷公司生产出高强度材料( LTCC Hard ):GL300, 该材料抗下落冲击能力强, 是非常适用于移动电子设备用模块基板的材料。TDK公司提供 LTCC技术的天线、滤波器、耦合器、双工器、平衡器等高频元件, 在WLAN、蓝牙连接、导航以及汽车电子等应用中发挥着关键作用。该公司 LTCC 产品的最大优势在于能够将滤波器的尺寸做到很小, 2017年研制的LTCC低通滤波器的尺寸仅为0.65mm×0.5mm。上述LTCC厂商在产品类别方面各有特点, 日本村田主要研究低烧结收缩率的LTCC材料, 京瓷公司主要生产LTCC陶瓷材料和LTCC基板。TDK公司研究LTCC器件的小型化, 在智能手机和便携式移动终端等应用中具有优势。

为了获得更大的带宽和更快的传输速率, 无线通信系统的工作频率越来越高, 5G和毫米波技术是正在大力发展的通信技术。同时, 手机、智能可穿戴设备等消费电子产品的功能越来越复杂, 体积也越来越小,这些因素均使得LTCC组件不断向模块化、小型化及高频化等方向发展。因此, 开发具有更好温度稳定性、更低介电损耗、更低烧结温度的可适用于高频场景的低温共烧介质陶瓷材料, 提升LTCC工艺技术水平和内部线路设计能力, 减小LTCC元器件尺寸并进行更高密度集成是未来LTCC技术的发展趋势。

2 LTCC 材料及器件的国内总体发展情况

2. 1 国内 LTCC 材料及器件发展现状

我国LTCC产业起步较晚, 深圳南玻电子(2008年被顺络电子收购)是国内最早引入 LTCC 生产线的厂商, 在2003年率先引进LTCC生产线之后, 目前国内已建立数十条生产线, 产业规模初步形成[3]。目前我国的 LTCC 产业主要集中在珠三角和长三角地区, 这两个区域的电子制造技术先进而且上下游产业链配套齐全。近年来我国LTCC市场规模保持高速增长态势,2018年我国LTCC市场规模约为37.26 亿元, 同比增长11%。从市场份额的集中度来看, 我国 LTCC行业集中度不高, 顺络电子占比最大但也仅为10.7%, 而其他几家大企业如麦捷科技、振华富、风华高科占比都不超过5%。

顺络电子是国内电感龙头企业, 电感产品全球市场份额超过6%, 其中叠层电感产能位居全球第二、片式绕线电感位居全球第三。公司于 2011 年扩产LTCC 项目, 形成初具规模的片式LTCC产品生产线,叠层片式 LTCC滤波器、片式LTCC天线和LTCC射频前端模块等LTCC产品年产能达到1.62亿只。2016年重点开发小尺寸射频滤波器、双工器、三工器、巴伦以及基板产品。2019年LTCC产品销售额占比由2018年的1.5%提高至3.2%, 通过不断拓展LTCC产品品类, 实现LTCC产品线的高增长。近年来, 顺络电子在01005电感的产业化方面取得重要突破, 相关产品与国际上的领先厂商日本村田的产品综合性能对比上处于同一水平。此外, 麦捷科技重点研发的基于LTCC基板的SAW滤波器目前也已开始量产。

2017 年清华大学联合西安交通大学、电子科技大学、中科院上硅所、顺络电子、风华高科、振华富电子等十五家单位共同承担了国家重点研发项目 “高性能电磁介质及元器件开发”。该项目坚持材料-器件-工艺一体化研究开发路线, 从材料层面、设计及工艺层面和元器件层面对高性能电磁介质及高性能元器件的前沿科学技术问题开展了深入系统的研究, 并将研究成果应用于产业技术创新中, 实现关键材料和关键技术的产业化应用, 满足新型信息功能陶瓷元器件的微小型化、集成化/模块化、高频化与频率系列化、多功能化/新功能、高可靠性等发展要求。在材料方面,开发出了低介LTCC材料, 其相对介电常数为5.676,介电损耗1.73×10-4, Q×f 值高达124200 GHz, 可满足微波器件小型化、低损耗化的要求, 有潜力应用于5G通信 LTCC 器件中[5]; 采用改进的固相反应工艺, 制备了复相温度稳定型微波介质陶瓷 0.35Ag2MoO4-0.65Ag0.5Bi0.5MoO4, 可在520℃实现烧结, 相对介电常数为 23.9, Q×f值为16200GHz, 谐振频率温度系数为-2.4×10-6/℃[6]。在器件方面, 设计制备了Ka波段LTCC基片集成波导滤波器, 其中心频率27.7GHz, 插损为1.74dB, 3dB带宽约为10%[7]。在工艺方面, 顺络电子建立了内部导体线宽尺寸≤10 μm的多层低温共烧元器件制造平台, 实现微波介质滤波器件和多种微型无源元器件规模化生产, 建成年产100亿只以上片式元件和组件的生产线, 成为国内最大的无源集成器件及模块研发基地, 促进高端电子产品产业链的形成。

总体来说, 我国LTCC 技术的研发落后国外发达国家5~10 年。目前我国在叠层片式电感领域具备较强的批量生产能力, 在全球占据了一定的市场份额。但是生产所用的原材料和设备依然严重依赖进口,LTCC 产品主要集中在利润率低的中低端产品, 高端产品的研发和生产仍然落后于日本、欧美等发达国家。

2. 2 国内 LTCC 产业存在的主要问题

(1)LTCC 原材料国产化问题。

我国虽然具有庞大的元器件制造生产能力, 但是在高频低损耗低温共烧陶瓷介质材料生产方面依然落后于国外发达国家, 国内民用市场仅有顺络电子、风华高科、振华富和麦捷科技等企业进行了 LTCC 产业布局, 产品主要以叠层片式电感为主, 但在高性能LTCC 陶瓷粉和生瓷带上还依赖进口, 尤其是面向 5G通信器件应用的新型低介电常数、超低介电损耗、稳定介温特性和优异耐压强度的 LTCC 材料目前在国内近乎空白[8]。国内一些知名研究所和高校如清华大学、电子科技大学、中科院上海硅酸盐研究所、南京工业大学、华中科技大学等, 在高性能LTCC瓷粉和生瓷带制备上取得了若干研究成果, 但主要停留在基础研究和实验室小批量制作阶段, 实现商业化的粉体材料较少。而国内的产业界很少能实现材料、生瓷带、器件一条龙生产, 缺乏研究院所与龙头企业的技术对接,导致无法将材料大批量生产、制成器件并实现终端应用。

目前我国在研制 LTCC 材料体系中具体存在的问题主要有: 1、LTCC 瓷粉批次稳定性差, 没有量产能力, 无法商业化; 2、LTCC 生瓷带性能与国际领先水平存在差距; 3、LTCC 生瓷带与银电极浆料材料匹配性差; 4、由于存在批次稳定性差等问题, 国产瓷粉的需求量不足, 不能形成规模生产, 无法开展批产稳定性等方面的技术攻关, 抑制了国产瓷粉和生瓷带的应用。

(2)LTCC 工艺设备国产化问题。

早期的LTCC生产线上多个工艺可由手工完成,但是近年来随着LTCC功能模块的集成度越来越高,为了保证产品的精度、可靠性以及提高生产效率,LTCC工艺开始向全自动化操作转移[9-10]。将LTCC生产工艺与信息技术和智能技术深度融合, 建立 LTCC智能生产线, 实现设计过程和制造过程的智能化是未来的发展趋势[11]。目前我国LTCC生产线上采用的高精度自动化生产设备主要依赖进口。LTCC生产涉及到的主要设备有切片机、冲孔机、印刷机、叠片机等,这些设备由日系厂商占主导, 国内设备厂商主要有中电二所、四十五所等[12]。未来将需要大量的LTCC生产线来满足日益增长的产能需求, 国内厂商也需要开发出更先进的工艺和更先进的设备来满足市场需求。

在美国发起的贸易战中, 美国将技术优势 “武器化”, 对我国信息科技产业造成严重打击。无源器件作为电子信息产业的基石, LTCC 材料和器件的国产化刻不容缓。在当前紧张的国际形势下, 这类技术的核心材料和设备禁运风险非常大, 存在 “卡脖子” 风险, 威胁我国电子信息产业的健康发展。因此, 必须加速相关核心技术的国产化进程, 开发出具有完全自
主知识产权的高性能 LTCC 材料并实现产业化。

3 我国 LTCC 材料及器件的经济社会需求分析

开发新频谱资源是现代通信技术持续发展的方向,新频谱资源的开发朝着更高频段、更宽频谱使用范围方向发展。5G NR定义的频谱范围达到6GHz(FR1)以及蜂窝移动网络从未使用过的毫米波段(FR2), 基于传统微波介质陶瓷体系的元器件在性能上已经无法满足使用要求。适合更高频率、更大带宽的LTCC介质滤波器、LTCC片式天线等LTCC射频元件有着巨大的市场需求。开发新型的高性能LTCC材料及器件对我国经济与社会发展有着至关重要的作用:

(1)高性能 LTCC 材料及器件的研究开发及产业化将会带动移动通信等产业中基础性、关键性技术的发展, 促进电子信息产业作为国民经济支柱产业的形成, 对于电子信息产业的发展以及产业结构升级, 提高我国基础电子信息产业的技术水平, 增强民族电子信息产业的国际竞争力有着重要的现实意义。

(2)启动新的经济增长点。以 5G 移动通信为代表的一系列新兴电子信息产业是重要的经济增长点, 这些产业发展迅速, 市场广阔。同时, 这些新的通信和消费类电子产品将形成一系列新的消费热点, 对于拉动国民经济有着不可估量的作用。针对移动通信、数字电视等新型电子产品所需要的关键元器件和材料开展研究, 对于新的经济生长点的形成将起到促进作用。

(3)加速高端电子元器件国产化的步伐。由于市场需求强劲, 国外公司在我国无源元器件市场上获得了巨额利润。我国政府和企业在这一产业的发展中所获得的利益仍然微乎其微, 其中一个重要标志是整机(包括手机、交换机和基站) 中高端元器件(如微型元件、微波介质滤波器等) 绝大多数依赖进口。实现移动通信所需电子元器件的国产化和本地化的关键是提高国产元器件产品的质量, 增强国产元器件产品与国外同类产品的竞争力。为此, 面向新一代移动通信技术, 开展具有针对性的研发工作, 有助于推进移动通信产品的国产化和本地化进程。

4 我国 LTCC 材料重大技术突破可能形成的产业及其发展重点

根据所包含的元件数量和在电路中的作用, 广义上的LTCC元器件可分为以叠层片式电感、电容、电阻为代表的高精度片式LTCC元件和以LTCC射频元器件为代表的LTCC无源集成功能器件。LTCC射频元器件是指利用LTCC技术并通过三维电路结构设计将电感、电容和射频电路集成在一起而形成的具有较好高频特性的内埋式无源电子元器件, 主要包括滤波器、天线、耦合器等[13-16]。LTCC射频元器件是无源电子元器件的高端产品, 代表行业最前沿的技术水平,产品单价远高于电感、电容等片式元件。目前我国LTCC 产品主要以片式元件为主, 涉足高端电子元器件的企业数量较少。LTCC 技术是实现电子元器件片式化、多功能化、高频化、集成化的关键技术, 结合目前我国5G通信技术的不断普及和毫米波技术的不断推进, 催生了很多新兴行业。新型的高性能LTCC材料及器件的研发及产业化应用对我国电子信息产业结构升级、把握新行业的发展机遇、实现科技领域弯道超车有着重要的战略意义：

(1)有助于LTCC射频元器件产业的发展。LTCC射频元器件主要应用于移动通信、数据传输等无线通信领域, 应用对象主要有智能手机、WLAN 模块、WIFI 模块、蓝牙模块和 GPS 模块等。5G 时代基站数量和密度有了非常大的提升, 联网电子终端设备数量成倍增长, 所需射频元器件数量庞大。LTCC 射频元器件由于具有良好的高频性能、高集成度和高可靠性,在 5G 通信和未来高频通信时代有着极其广阔的市场前景。

(2)有助于毫米波技术等高频通信技术的发展。在未来高度信息化社会, 万物互联是未来社会的发展趋势, 目前我国 5G 网络主要采用sub - 6GHz 频段,低频资源有限, 高频通信需求日益凸显。但是毫米波绕射能力较弱、衰减较大, 将5G部署在毫米波频段下必须克服其穿透力差、衰减大等缺点, 这对射频等高频通信核心器件提出了更高的要求。目前国外主流
运营商已经开展了高频段 5G 网络部署, 高频元器件核心技术主要被国外公司掌握, 我国高频通信的发展落后于中低频通信。基于LTCC技术的射频元器件在高频通信应用中有着显著优势, 发展满足毫米波频段等高频应用的高性能 LTCC 介质材料及器件是5G通信、物联网、智能交通、卫星导航等新兴产业的迫切需求, 对于我国高频通信技术的发展、实现万物互联、建立高度信息化社会具有重要推动作用。

(3)有助于LTCC传感器领域的发展。无源无线传感器无需引线和电源供电便可进行信号的探测和传输, 使用寿命长, 维护简单, 是未来传感器发展的重要方向[17-20]。LTCC材料有着高熔点、高耐磨性和耐腐蚀等优点, 是面向恶劣环境应用的传感器的理想载体。相比传统传感器, 基于LTCC技术的无源传感器在复杂环境下仍可保持高精度和高可靠性, 在传统工业领域、航空领域以及国防军工领域中有着重要的应用潜力。

5 建议

电子信息产业是智能制造的基础支撑和制造业的核心内容, 对我国经济发展起到了重要的支撑作用。《中国制造 2025》国家战略中, 明确将电子信息产业作为重点突破的领域, 在 “十三五” 期间肩负着重大战略使命。目前我国电子信息产业处于加快转型升级的关键阶段, 为了发展高性能 LTCC 材料及器件核心技术, 提高电子基础产业的核心竞争力, 提出以下建议:

(1)产学研联合攻关开发新型 LTCC 材料和器件。

对于高校和科研机构而言, 将被 “卡脖子” 的核心材料和核心技术作为科研任务进行重点布局, 整合高校、科研院所和企业的优质资源, 开展产学研联合攻关。以产业发展为导向, 开发新型的高性能 LTCC材料、技术工艺和器件, 在关键材料和关键技术领域摆脱对发达国家的依赖, 形成具有自主知识产权的材料体系和核心技术。

(2)制定电子元器件各个细分领域的国家标准以及行业/ 团队标准。

对于企业而言, 应与高校科研院所合作培养具有创新能力的产学研结合的研发队伍, 积极将高校科研院所的成果产业化。协同产业链上下游各方企业制定相关行业标准, 统一产品规格。LTCC射频元器件包含天线、滤波器、开关、低噪声放大器和振荡器等多种组件, 不同组件的集成会形成不同功能的模块。针对不同的模块需要做不同的设计, 产品规格的标准化有助于减少下游客户的设计成本, 增强产品与国外同类产品的竞争力, 极大地推动产业发展。

(3)政策上支撑中小电子元器件企业发展。

电子元器件产业属于资金密集型产业, 需要投入大量资金进行研发和生产。我国电子元器件企业规模相对较小, 贷款困难, 一方面需要降低企业的银行信贷成本, 另一方面需要深化资本市场改革, 发挥好资本市场融资功能, 为降低社会融资成本和增加企业中长期融资提供有力支持。

(4)培养和引进高端人才。

电子元器件产业属于技术密集型产业, 需要大量的高端人才作为支撑, 人才培养和人才引进力度需要进一步提高, 通过人才实现科技第一生产力的转化,实现电子元器件产业由低端产品向高端、高附加值产品转变。

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