5G 毫米波低介電LTCC 元件及封裝材料技術：材料世界網-專利推廣

■ 技術說明

由於物聯網(Internet of Things; IoT) 的服務普及化，帶動人們對於各種無線多媒體影音、車聯網、工業物聯網及環境感測等應用的需求，同時也加速5G 通訊網絡的實現腳步，現階段的5G系統包含在物聯網所使用sub-6 GHz 頻段的5G，以及使用24 GHz 以上頻段在毫米波(Millimeter Wave; mmWave) 的5G，透過這兩種頻段的相輔相成，俱備高頻寬、低延遲、廣連結等三個功能，才足以實現像AR/VR、4K、8K 影音等需要大流量、高網速的應用場景，以及滿足如自駕車、自動工廠、遠距醫療、智慧零售等所需要高寬頻、低延遲的要求。由於毫米波的傳送速度、穿透力都很強，但缺點就是繞射能力低、傳不遠，因此就必須蓋更多的小型基地台(Small Cell) 來增加整體訊號的覆蓋率之外，對於攸關5G 訊號傳輸效率之毫米波高頻基板、高頻封裝、高效功率放大器及高頻雜訊抑制等相關材料技術也成為各龍頭大廠急於突破之重點。

智慧型手機的重要零件除了處理器(Application Processor; AP)、記憶體(Dram、Flash) 之外，還包括通訊元件，是由基頻晶片(Digital Baseband)、射頻收發器(RF Transceiver/Receiver)、射頻前端(RF Front-End) 及天線四大部分組成。其中，射頻前端模塊(Radio Frequency Front EndModule; RFFEM) 是手機通信系統的核心組件，包括功率放大器(Power Amplifier; PA)、開關(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer 和Diplexer)、天線調諧器(Antenna Tuner) 和低噪聲放大器(Low Noise Amplifier; LNA) 等等。然而，毫米波由於頻率高、傳輸距離較短，在高頻路徑損失、傳輸耗損、穿牆性等性能被受限，需藉由波束成形(Beamforming) 及大規模多輸入多輸出(Massive Multiple-Input Multiple-Output; Massive MIMO) 以延長訊號傳送距離和提升傳輸資料量，因此5G毫米波晶片的設計與4G是截然不同的，高頻電路元件的金屬導體損失、介電質損失、輻射損失等問題都有待克服。而毫米波射頻模組所需大量天線與PA，亦使得熱集中問題須被解決。再者，RF 元件數量的增加會導致手機內PCB 空間緊縮，技術難度提升。因此，需要開發具有小型化SiP 封裝、高集成能力、高可靠度，又能兼容毫米波高頻低損耗需求、低吸水和高散熱的低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic; LTCC) 材料。

為實現全5G 應用(4G 或5G sub-6 GHz 以及5G mmWave) 之需求，工研院材化所開發一低溫共燒陶瓷核殼結構材料，可同時降低LTCC 燒結溫度、提高材料緻密性、降低介電損失，並調和諧振頻率溫度係數，提高LTCC 材料性質，具有燒結溫度低、介電常數低、介電損耗小，絕緣電阻大、製備工藝簡單等優點，其所製備之低溫共燒陶瓷(LTCC) 基板，可滿足毫米波高頻低損耗需求、低吸水和高散熱等特性。

■ 技術特徵

由於在5G 高頻下進行大量資料的傳輸，需要具備夠低的介電損失及導體損失的材料，以避免功率放大器(PA) 中過多能量轉為熱而導致系統溫度上升，另外，高頻天線具高度指向性，因此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。過去低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fire Ceramic; LTCC) 技術在微波無線通訊工業中已有長久歷史，該製程技術大量用於開發各式射頻被動元件，其優勢在於LTCC 基板材料具有良好的介電性質，有助於元件微型化設計與效能提升，該製程目前亦用於高度集總化之毫米波模組上。

由於LTCC 材料具有 ①高介電常數(Dielectric Constant; Dk)、②低損耗正切(Loss Tangent; Tan δ) 或稱損耗因子(Dissipation Factor; Df)，亦可用品質因子(Quality Factor) 來表示、③接近零的共振頻率溫度係數(Temperature Coefficient of Resonant Frequency; τf) 等幾項重要特性。為了高度整合射頻前段元件以及降低電路損耗，利用具有高品質因子Q（低介電損耗 tan δ）及低介電常數(ε) 特性的陶瓷材料，可以使元件操作頻段延伸到毫米波範圍時，可經由高Q 值之材料大幅降低超高頻範圍之介電損耗。而且與中、高介電常數的材料相比，低介電常數者能夠將低基板與金屬電極間的交互偶合損耗，縮短芯片間訊號傳播的延遲時間，提升訊號傳送速率。此外，欲成為一個頻率穩定的被動元件，亦需具有諧振頻率溫度飄移係數(τf) 為零之特性要求，τf 與材料的線性熱膨脹係數和介電常數溫度係數有關係，其值越大，表示材料或元件中心的頻率會隨溫度的變化而產生越大的漂移，這將會使元件在溫度變化的環境中無法保持高穩定性。然而，高介電常數材料通常具有高介電損失及較大的正溫度係數，而低損耗材料通常伴隨著具有低介電常數及負溫度係數，且常用之介電陶瓷材料又具有高的燒結溫度，因此目前市場上需要同時具有低溫燒結(< 900˚C)、低介電(ε < 10)、低損耗(Qxf > 50,000) 和低諧振頻率溫度飄移係數之LTCC 元件及封裝用材料。

LTCC 的陶瓷材料是一個包含主結晶相、晶界、孔隙、缺陷、雜質、第二節結晶相、玻璃相（非晶）等微結構的綜合結構體，這些微結構特性都會對陶瓷材料的介電特性造成很大的影響。另外，由於5G 的LTCC 材料需同時具備低介電常數、低損耗和低諧振頻率溫度飄移係數等特性，但這三個特性相互制約，要同時得到三個參數的最佳值，並非易事。工研院材化所發明一具有主輔二相結構之新材料，可同時降低LTCC 燒結溫度、提高材料緻密性、降低介電損失，並調和諧振頻率溫度係數趨近於0，提高LTCC 材料性質，可應用於5G 毫米波通訊領域，提高國內LTCC 材料自主化及5G 產業與市場的影響力。

■ 技術規格

工研院材化所LTCC 元件及封裝粉體材料技術規格

■ 應用範圍/領域

提供市場一具有低溫燒結、低介電、低損耗和低諧振頻率溫度飄移係數之LTCC 元件及封裝用粉體，以實現小型化、高集成能力、高可靠度，又能兼容毫米波高頻低損耗需求、低吸水和高散熱的LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic; 低溫共燒陶瓷) 封裝技術。

■ 技術成果

5G 材料大多為國外大廠壟斷，國際商用高階粉體原材料成本大約5,000 ~ 8,000 元/ 公斤，國內廠商無法掌控。本專利技術藉由調控主相輔相成份比例，評估低成本材料可行性，並依廠商需求優化粉體特性。粗估攤派設備、人力、製造費用之粉料成本預估2,000 ~ 3,000 元/ 公斤。而國際上LTCC 材料設計皆為廠商Know-how，無相關資料庫可參考。工研院材化所開發之低燒結、低損耗之粉體技術規格與國際上材料比較如下表，將可補足國內缺乏之技術能量與自主材料開發之瓶頸。