低溫共燒陶瓷材料於毫米波應用及其量測對策：材料世界網

隨著全球無線行動聯網普及化，各種行動多媒體影音、車聯網、工業物聯網及環境感測等需求日益增加，採用毫米波頻段作為下世代通訊技術標準以解決頻寬不足之窘境，已成為國際大廠之共識。隨著毫米波通訊射頻前端模組晶片化趨勢，運用低損耗陶瓷基板肩負起連結射頻前端與中頻間之晶片乘載與訊號低損傳遞之功能，其中低溫共燒陶瓷技術(LTCC)，以凹穴構裝線路縮短傳輸路徑及使用AiP (Antenna in Packaging)設計，有效達到毫米波低損訊號傳遞等功效，作為5G通訊射頻前端模組載板構裝技術應用。

本文將從以下大綱，針對低溫共燒陶瓷技術進行介紹，並說明該技術於毫米波之應用。
‧低溫共燒陶瓷(LTCC)簡介
‧低溫共燒陶瓷(LTCC)製程簡介
　1. 低溫共燒陶瓷的分類
　2. 高頻化低溫共燒陶瓷的材料
‧高頻化LTCC開發指南
　1. 玻璃材料的選用
　2. 陶瓷介質的選用
‧LTCC於毫米波頻段之應用
‧毫米波LTCC之材料驗證技術

【內文精選】
目前毫米波技術5G通訊的頻段以28 GHz/39 GHz較有可能，應用仍以多層板為主要電路板的設計，由於大量資料的傳輸，因此需要有夠低的介電損失及導體損失。現階段由於在高頻功率放大器(PA)效率不佳，大多能量轉為熱，導致系統溫度上升；且高頻天線具高度指向性，所以需要有大量的天線及高頻功率放大器組合，導致系統有更多的熱需要導出，因此如何建立兼具導熱及高頻傳輸所需的板材成為關鍵需求。

毫米波應用射頻前端模組主/被動元件以MMIC方式整合為RFIC，然而功率放大器模組與MIMO天線難以整合於RFIC之中，故應用上需將RFIC晶片與PA晶片進行整合，並為求低損電路損耗，將天線製作於模組封裝體之上。實際運用低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fire Ceramic; LTCC)基板製作Cavity後，將RFIC與PA模組置入封裝，運用LTCC之3D電路構裝技術，製作內部連結線路後，最後將MIMO天線製作於陶瓷封裝體外，完成整體相位陣列天線射頻模組。

低溫共燒陶瓷(LTCC)簡介
LTCC發展很早，早期作為被動元件積體化(Integration)之應用，主要將被動元件配置在不同層次的多層電路板中，由於電路與元件搭配成為三維空間的結構，應該可以更進一步的將電路小型化與高密度化。對於高頻通訊用模組廣泛被應用於行動通訊設備上，LTCC成為模組化應用之主要分支技術。

使用LTCC製造高頻通訊模組的優點有很多，包括︰①陶瓷材料具有在高頻高Q值（品質因子）的優良特性；②使用高導電率的金屬材料作為導體材料，有利於系統的品質係數；③可以應付大電流及耐高溫的特性，並具有比一般電路板好的熱傳導性；④可以將被動零件埋入多層電路中，以增加電路密度；⑤較佳的溫度特性，如較小的熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)、較小的共振頻率溫度係數…（想要知道更多LTCC的優點嗎？請登入會員下載下方附檔）

低溫共燒陶瓷(LTCC)製程簡介
低溫共燒陶瓷技術由上游原材料開始，進而進行成分組成控制後製作成生胚材料，現行產品可分為LTCC粉體材料及LTCC生胚材料；之後進入LTCC生產廠進行模組化堆疊印刷等製程，經過高溫共燒形成一具有內部線路或Cavity之模組基板，再由LTCC廠或交由封測廠進行最終模組打件與封裝，形成射頻前端模組後，最後交由應用端使用。其製程示意圖如圖一所示。

圖一、LTCC低溫共燒陶瓷技術製程示意圖

高頻化LTCC開發指南
1. 玻璃材料的選用
LTCC材料在開發上，由於需與銀或銅電極共燒，故燒結溫度大多控制於850˚C左右，為求陶瓷低溫燒結化需求，玻璃的添加非常重要。而毫米波化所需之低介電損失需降低，玻璃物質又為主要損失提供者，故於玻璃物質選用上須考量其損失大小。目前主流幾種玻璃物質如下：BaO-ZnOB₂O₃系列，其損失約0.009；CaO-B₂O₃-SiO₂系列，其損失約0.0018；Li₂O-B₂O₃-SiO₂系列，其損失約0.002。

LTCC於毫米波頻段之應用
日本NEC與NTT則分別推出以LTCC為主體之60 GHz收發模組，如圖五所示。NTT更衍生推出於300 GHz運作之AiP結構，主體採LTCC製作喇叭天線，最大增益可達18 dBi，其頻寬達100 GHz，如圖六。

目前工研院材化所針對LTCC相關毫米波應用技術著重於材料開發、前端模組縮裝化及LTCC陣列天線設計與製作。在材料的開發上主要投入以低介電低損耗陶瓷填充材為基礎，整合玻璃材料系統，開發具低介電常數及低介電損耗之LTCC材料系統；高頻低損耗燒結助劑整合低介電低損耗陶瓷材料之低溫共燒化技術開發及現有玻璃陶瓷系統之高頻化技術開發。而在應用端結合工研院資通所針對小基站所使用之高功率天線模組構裝化技術進行開發，並衍生推出各種小型化陶瓷陣列天線與整合製程技術等。目前材料系統上已達60 GHz下得介電常數約為4，介電損耗約0.002之材料系統...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。