浅析无源元件热点应用领域技术的发展

基于多层陶瓷技术(MLC)和低温共烧陶瓷技术 (LTCC)的新一代电子元件已经成为电子元件的主流，集成化是电子元件发展的主要方向。本文主要从MLC和LTCC两项技术探讨无源器件技术的发展。 

多层陶瓷技术(MLC) 
MLCC(多层陶瓷电容器)称雄电容器市场 
MLCC是各种电子、通讯、信息、军事及航天等消费或工业用电子产品的重要组件。MLCC由于其小体积、结构紧凑、可靠性高及适于 SMT技术等优点而发展迅速。目前，电容器市场无论从数量上还是市场潜力上来看都以陶瓷电容器份额最大。全球MLCC产量随着IT产业的发展而不断增长，国内产量占全球产量的比例近年来也有较大的增长，我国已经逐渐成为世界MLCC的制造大国。 

目前MLCC国际上的发展趋势是微型化、高比容、低成本、高频化、集成复合化、高可靠性的产品及工艺技术。当前MLCC需求的热点主要集中在手机、P4主板、DVD、数码相机和PS2游戏机等。手机对MLCC的要求特点是：数量大、尺寸小、质量高。在手机应用领域里，日商凭借技术上的绝对优势基本垄断市场。国内企业在手机配套实力明显不足。 

片式陶瓷电感器：电感元件发展方向 
多层片式电感类元件包括了一大类具有叠层式介质/线圈结构的新型电子元件，是电感类元件发展的方向，也是三大类无源片式元件中技术含量最高的一大类。目前，这类元件已形成了规模相当大的产业和近百亿美元的国际市场。片式电感器的主要应用领域包括移动通信、计算机、音像产品、家电、办公自动化等。大屏幕彩电等新型家电产品也是片式电感器的重要应用领域。预计在今后若干年中，随着第三代移动通信技术、数字电视、高速计算机、目前片式电感器元件发展的主要趋势是：抗电磁干扰成为片式电感类材料的主要应用领域；高感量和大功率；高频化；集成化。 

片式微波电容器：快速渗透通信领域 
陶瓷电容器除在技术上继续向小尺寸、大容量、介质薄层化方向发展外，高频化也是一个重要的发展方向。为了满足通信设备的高频化对电子元器件的强劲需求，高电流承载能力的高Q微波陶瓷电容器得到了快速发展，并已成为片式陶瓷电容器的重要的组成部分，广泛应用于包括移动通信、WLAN、卫星广播设备、医疗电 子、导弹系统、飞机雷达及导航系统等的射频/微波电路中，已成为通信终端设备向轻、薄、短、小和高频化趋势发展不可缺少的基础元器件。片式化微波电容是先进多层陶瓷技术和高品质微波介质材料相结合的产物，是一类新型的表面贴装无源陶瓷元件，它具有高载流能力、高品质因数(Q)、超低等效串联电阻(ESR)、高的串联谐振频率(SRF)等特点，可广泛应用于光通信电路、微波通信电路中。 

压电陶瓷超声波电机：突破传统电机概念 
压电陶瓷超声波电机是近二十年发展起来的一种新型电机,其技术核心是采用功能陶瓷材料的电能-机械能的信号转换功能，实现对执行部件的驱动和控制。它打破了由电磁效应获得转速和扭矩的传统电机的概念，是当代国内外热门的高新技术之一。在各类新型压电器件中，压电驱动器和压电陶瓷超声波电机是近年来发展速度最快、市场潜力巨大的一类高科技产品。压电陶瓷超声波电机的技术特点是：(1)直接驱动，无需减速机构，可实现低速下比同尺寸电磁电机更大的力矩输出。(2)不采用磁性绕组：无电磁辐射，也不受电磁场干扰。(3)低噪音操作。传统电磁电机，尤其是功率稍大一些的电机类型，在工作中会产生比较明显的电机电磁辐射噪音。而压电陶瓷超声波电机在超声频(＞20kHz)范围内工作，对于超声频噪音人是没有听觉反应的。(4)断电自锁定、静态保持力矩大，有效避免了产品在正常工作中 出现振颤、抖动等干扰现象。(5)响应快、步进精度高。(6)易小型化和薄型化，目前压电陶瓷超声波电机直径最小可到1mm。 (7)科技含量高。(8)结构设计灵活。 

低温共烧陶瓷技术 (LTCC) 
LTCC优点 
LTCC(低温共烧陶瓷)以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，将成为未来电子器件集成化、模块化的首选方式，在国外及我国台湾省发展迅猛，已初步形成产业雏形。利用LTCC制备片式无源集成器件和模块具有许多优点，首先，陶瓷材料具有优良的高频高Q特性；第二，使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子；第三，可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板优良的热传导性；第四，可将无源组件埋入多层电路基板中，有利于提高电路的组装密度；第五，具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数，可以制作层数极高的电路基板，可以制作线宽小于50μm的细线结构。另外，非连续式的生产工艺允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本。 

LTCC器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用，大体可分为LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封装基板和LTCC模块基板。 

国产化成为LTCC器件发展契机  
国内LTCC器件的开发比国外至少落后5年。这主要是由于电子终端产品发展滞后造成的。LTCC功能器件和模块主要用于GSM、CDMA和PHS手机、无绳电话、WLAN和蓝牙等通信产品，除40多兆的无绳电话外，这几类产品在国内是近5 年才发展起来的。国内的终端产品为了尽快抢占市场，最初的设计方案大都是从国外买来的，甚至方案与元器件打包采购，其所购方案都选用了国外元器件。前几年 终端产品生产厂的主要目标是扩大市场份额，成本压力不大，无法顾及元器件国产化。随着终端产品产能过剩，价格和成本竞争将日趋激烈，元器件的国产化必将提 上议事日程，这将为国内LTCC器件的发展提供良好的市场契机。 LTCC器件的开发与生产，必须兼顾材料、设计及工艺与设备三个方面。 材料性能的要求包括电性能、热机械性能和工艺性能三方面。介电常数是LTCC材料最关健的性能。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数，它直接与器件的损耗相关。理论上希望越小越好。介电常数的温度系数，这是决定射频器件电性能的温度稳定性的重要参数。为了保证LTCC器件的可靠性，在材料选择时还必须考虑到许多热机械性能。其中最关健的是热膨胀系数，应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。此外，考虑到 加工及以后的应用，LTCC材料还应满足许多机械性能的要求，如弯曲强度σ、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性KIC等等。 工艺性能大体可包括如下方面：第一，能在900℃以下的温度下烧结成致密、无气孔的显微结构。第二，致密化温度不能太低，以免阻止银浆料和生带中有机物的排出。第三，加入适当有机材料后可流延成均匀、光滑、有一定强度的生带。 

LTCC器件的开发与生产 
LTCC器件的开发与生产，必须兼顾材料、设计及工艺与设备三个方面。国内目前LTCC材料基本有两个来源，一是购买国外生带，二是器件生产厂从原料开发起。这些都不利于快速、低成本的开发出LTCC器件。因为，第一种方式会增加生产成本，第二种方式会延缓器件的开发时间。目前清华大学材料系、上海硅酸盐研究所等单位正在实验室开发LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生产的程度。国内现在亟须开发出系列化的、最好有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料，专业化的生产系列化LTCC用陶瓷生带，为LTCC器件的开发奠定基础。南玻电子公司正在用进口粉料，开发出介电常数为9.1、18.0和37.4的三种生带，厚度从10μm到100μm，生带厚度系列化，介电常数半系列化，为不同设计、不同工作频率的器件开发奠定了基础。 

LTCC器件的设计包括电性设计、应力设计和热设计等诸多方面，其中以电性设计最为关键。由于LTCC器件中包括多个等效分立元件，互相间耦合非常复杂，工作频率往往较高，更多的是采用电磁场而不是电路的概念。用过去的集总参数电路设计的方法是无法设计LTCC器件的。国内尚未看到有关LTCC器件电性设计的报道，这大概是制约LTCC器件开发的另一个重要因素。香港青石集成微系统公司(CiMS)长期从事微波电磁场的研究与LTCC器件的设计，颇有造诣。CiMS采用先进的电磁场模拟优化软件为南玻电子设计了多款LC滤波器和模块，取得了良好的效果。由电磁场模似设计软件可对生带和银电极的频率响应、损耗等进行定量分析，从而指导实际研发，缩短研发周期和成本。 

LTCC器件的显著优点之一是其一致性好、精度高。而这完全有赖于所用材料的稳定性和工艺设备的精度。国内目前尚没有生产厂可制造与LTCC有关的成型设备。据不完全统计，国内南玻电子引进了一条完整的LTCC生产线，另外约有4家研究所已经或正在引进LTCC中试设备，开发军工用LTCC模块。 

结束语 
新一代电子元件与无源技术正在成为高技术发展的制高点和产业生长点。国际电子制造产业向中国转移将对中国电子元件行业产生巨大的拉动作用。由于电子元件采购的本土化已是大势所趋，中国电子元件市场将在未来5到10年内高速增长。在电子元件升级换代速度加快、国际性产业转移之时，国内企业应该抓住机遇，加大投入研发具有自主知识产权的新一代电子元件和无源集成材料系统、模块设计以及制程工艺。在对无源元件继续扩大片式化、微小型化、高频化、高速化、集成化、绿色化的发展中，重点在于对MLC和LTCC技术的研究，寻求更新更快的发展。