集成化无源元件
发布时间:2011/8/24 14:22:01 访问次数:2439
无源元件集成化不仅可以解决电子产品微小型化遇到的无源元件瓶颈问题，而且可以提高组装制造效率，降低无源元件安装成本，提高整个电子系统性能价格比和可靠性，因而受到产业界的广泛关注。经过科技界和企业界不断努力，近年来在无源元件集成化技术方面已经有很大进展，一部分技术已经实现产品化，还有一些技术正在探索中。
1．无源元件集成化势在必行
(1)尺寸极限在电子产品轻、小、薄及多功能化的要求下，片式元件的封装尺寸越来越小。随着封装尺寸的不断缩小，对片式元件的生产制造和表面贴装技术都提出了严峻的挑战，安装技术难度的增加使分立式片式元件的封装尺寸接近了极限，若要进一步提高组装密度，必须要求无源元件向集成化发展。
(2)安装成本随着电子产品向多功能化发展，每个电子产品中包含的电子元器件数量不断增加，以致将这么多的元器件安置在一起所花费的组装成本问题就凸显出来。据统计，无源元件尺寸减小导致安装成本大幅度上升，解决的有效方法之一就是无源集成。
(3)高频/高速要求虽然无引脚片式元件的寄生参量比较小，但由于电子产品向高频相高速的发展势头非常强劲，一些电子产品的频率已经提高到几GHz甚至几十GHz的范围，以致片式元件的端电极和焊点、焊盘、连线所带来的寄生参量也成了不可忽视的问题，而无源集成是避开这些麻烦的途径之一。
(4)高可靠要求在经济全球化的大环境下，市场竞争激烈。追求电子产品的高可靠性成为市场竞争的重要手段。无源集成如同当年集成电路问世的优势一样，可以减少焊点，缩短连线，并能提高对潮湿、氧化、腐蚀、冲击、振动的抵抗能力。
(5)经济效益 片式元件发展到今天，已经相当成熟。现在片式元件的生产规模很大，竞争非常残酷，许多无源元件生产企业已经处于微利润甚至零利润的被动状况。集成化无源元件的技术含量和产品附加值高，有利于提高经济效益。
2．无源元件集成化技术概述
目前已经实现和正在完善的无源元件集成化技术主要有以下几种：
(1)封装型集成化无源元件；
(2)低温共烧陶瓷(LTCC)技术；
(3) PCB中嵌入无源元件技术；
(4)薄膜无源元件集成技术；
(5)硅片上无源元件集成技术；
(6)多层有机(multi-layer organic，MLO)封装技术。
其中封装型无源元件是一种最早出现的无源元件集成化形式，也是最简单的集成化技木。这种技术把多达数十个由电容器、电阻器或电感器及其组合的无源元件阵列或网络封装到传统的集成电路管壳中，形成外形与集成电路一样，具有多个引脚的“集成电阻”、“集成LC”等，如图4.3.17所示。
封装型无源元件集成技术虽然还有许多实际应用，但由于技术成熟且技术含量较低，已经淡出无源元件集成高技术范围了。
集成技术(4)、(5)由于集成度和成本问题，只能用于部分领域（例如无线、高速电路），一般情况下无法取代分立式无源元件，技术(6)虽然预计有很好的应用前景，不过目前技术尚未成熟。
3．嵌入式无源元件集成技术
对于微小型化高密度组装产品而言，由于印制电路板表面面积非常“珍贵”，可以说是每平方毫米必争。由于这种产品一般都采用多层印制电路板，因此把无源元件嵌入到多层板内部的思路就是一种水到渠成的选择。如图4.3.18所示为一种在多层板中嵌入R/L/C元件的技术示意图。多层板一般是陶瓷多层基板，而无源元件采用厚膜技术通过印制、烧结等工艺制造。
这种集成技术的优点明显：
①实现三维组装，电路板的尺寸减小，重量减轻；
②有利于解决电磁兼容问题；
③降低组装成本；
④提高电路传输效率，降低功率损失；
⑤有利于技术产权保护。
其缺点同样明显：
①工艺复杂，技术门槛高；
②缺乏柔性化；
③检测、返修困难；
④生产周期中产品制造总成本的不确定性。
4．低温共烧陶瓷技术
1)什么是低温共烧陶瓷技术
随着便携和移动产品迅速发展，对器件微型化、高频化与模块化的要求越来越迫切，而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件，成为实现整机微型化的主要瓶颈。因此，微型化（包括片式化）、模块化和高频化是目前元器件研究开发的一个重要目标，而低温共烧陶瓷(I,ow Tempratcre Cofired Ceramic，LTCC)技术以及产品正是实现这种目标的有力手段。
所谓低温共烧陶瓷是一种实现功能陶瓷与内电板在较低温度下共同烧结的新技术，涉及材料及制造工艺等一系列高新技术。
低温共烧陶瓷(LTCC)技术内容如下：
①所有电子元器件都离不开对外引线，任何功能材料都必须通过内电极（导线）实现对外连接；
②银(Ag)是各种电子元件中最理想的内电极导电材料；
③Ag的熔点在961℃，为了防止银向磁俞质层内扩散，需要将功能陶瓷（例如铁氧体）的烧结温度降低到900℃以下，而一般功能陶瓷的烧结温度远高于该温度；
④实现功能陶瓷的低温（低于900℃）内电极（导线）与陶瓷共同烧结，成为实现无源元件片式化/集成化电子元件的技术关键；
⑤已经开发出可以实现低温共烧的陶瓷材料（例如硅铝氟氧化物基陶瓷）及实现低温共烧的制造工艺。
2) LTCC技术的优点：
①陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可大于几十GHz;
②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；
③可以制作线宽小于50μm的细线结构电路；
④可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性；
⑤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；
⑥可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度；
⑦能集成的元件种类多、参量范围大，除L/RlC外，还可以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起；
⑧可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连lC和各种有源器件，实现无源/有源集成；
⑨可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境；
⑩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。
3) LTCC技术过程简介
由于低温共烧陶瓷技术的上述优点，使其成为最具发展前景的无源元件集成技术平台。图4.3.19所示为采用LTCC技术制造集成无源元件的过程示意图。
4) LTCC应用
LTCC技术由于自身具有的独特优点，在军事、航天、航空、电子、计算机、汽车、医疗等领域均获得了越来越广泛的应用。在电子制造领域应用主要有：
①高精度片式元仵如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列；
②无源集成功能器件如片式射频无源集成组件，包括LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天线、延迟线、衰减器、共模扼流圈及其阵列、EMI抑制器等；
③无源集成基板/封装 如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等；
④功能模块 如蓝牙模块、手机前端模块、无线开关模块、功放模块等；
⑤燃料电池集成模块基于LTCC的小型燃料电池，电源/有源/无源元件一体化的模块等。
5)存在的问题
虽然LTCC技术已经成为电子元件集成，特别是无源集成的主流技术，但其自身还存在一定的不足，例如提高热导率，减少烧结收缩率，解决LTCC材料与异质材料的共烧匹配性，寻求具有更高电性能的低温共烧陶瓷材料等，还需要进一步研究和探索。 VIPER12A
无源元件集成化不仅可以解决电子产品微小型化遇到的无源元件瓶颈问题，而且可以提高组装制造效率，降低无源元件安装成本，提高整个电子系统性能价格比和可靠性，因而受到产业界的广泛关注。经过科技界和企业界不断努力，近年来在无源元件集成化技术方面已经有很大进展，一部分技术已经实现产品化，还有一些技术正在探索中。
1．无源元件集成化势在必行
(1)尺寸极限在电子产品轻、小、薄及多功能化的要求下，片式元件的封装尺寸越来越小。随着封装尺寸的不断缩小，对片式元件的生产制造和表面贴装技术都提出了严峻的挑战，安装技术难度的增加使分立式片式元件的封装尺寸接近了极限，若要进一步提高组装密度，必须要求无源元件向集成化发展。
(2)安装成本随着电子产品向多功能化发展，每个电子产品中包含的电子元器件数量不断增加，以致将这么多的元器件安置在一起所花费的组装成本问题就凸显出来。据统计，无源元件尺寸减小导致安装成本大幅度上升，解决的有效方法之一就是无源集成。
(3)高频/高速要求虽然无引脚片式元件的寄生参量比较小，但由于电子产品向高频相高速的发展势头非常强劲，一些电子产品的频率已经提高到几GHz甚至几十GHz的范围，以致片式元件的端电极和焊点、焊盘、连线所带来的寄生参量也成了不可忽视的问题，而无源集成是避开这些麻烦的途径之一。
(4)高可靠要求在经济全球化的大环境下，市场竞争激烈。追求电子产品的高可靠性成为市场竞争的重要手段。无源集成如同当年集成电路问世的优势一样，可以减少焊点，缩短连线，并能提高对潮湿、氧化、腐蚀、冲击、振动的抵抗能力。
(5)经济效益 片式元件发展到今天，已经相当成熟。现在片式元件的生产规模很大，竞争非常残酷，许多无源元件生产企业已经处于微利润甚至零利润的被动状况。集成化无源元件的技术含量和产品附加值高，有利于提高经济效益。
2．无源元件集成化技术概述
目前已经实现和正在完善的无源元件集成化技术主要有以下几种：
(1)封装型集成化无源元件；
(2)低温共烧陶瓷(LTCC)技术；
(3) PCB中嵌入无源元件技术；
(4)薄膜无源元件集成技术；
(5)硅片上无源元件集成技术；
(6)多层有机(multi-layer organic，MLO)封装技术。
其中封装型无源元件是一种最早出现的无源元件集成化形式，也是最简单的集成化技木。这种技术把多达数十个由电容器、电阻器或电感器及其组合的无源元件阵列或网络封装到传统的集成电路管壳中，形成外形与集成电路一样，具有多个引脚的“集成电阻”、“集成LC”等，如图4.3.17所示。
封装型无源元件集成技术虽然还有许多实际应用，但由于技术成熟且技术含量较低，已经淡出无源元件集成高技术范围了。
集成技术(4)、(5)由于集成度和成本问题，只能用于部分领域（例如无线、高速电路），一般情况下无法取代分立式无源元件，技术(6)虽然预计有很好的应用前景，不过目前技术尚未成熟。
3．嵌入式无源元件集成技术
对于微小型化高密度组装产品而言，由于印制电路板表面面积非常“珍贵”，可以说是每平方毫米必争。由于这种产品一般都采用多层印制电路板，因此把无源元件嵌入到多层板内部的思路就是一种水到渠成的选择。如图4.3.18所示为一种在多层板中嵌入R/L/C元件的技术示意图。多层板一般是陶瓷多层基板，而无源元件采用厚膜技术通过印制、烧结等工艺制造。
这种集成技术的优点明显：
①实现三维组装，电路板的尺寸减小，重量减轻；
②有利于解决电磁兼容问题；
③降低组装成本；
④提高电路传输效率，降低功率损失；
⑤有利于技术产权保护。
其缺点同样明显：
①工艺复杂，技术门槛高；
②缺乏柔性化；
③检测、返修困难；
④生产周期中产品制造总成本的不确定性。
4．低温共烧陶瓷技术
1)什么是低温共烧陶瓷技术
随着便携和移动产品迅速发展，对器件微型化、高频化与模块化的要求越来越迫切，而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件，成为实现整机微型化的主要瓶颈。因此，微型化（包括片式化）、模块化和高频化是目前元器件研究开发的一个重要目标，而低温共烧陶瓷(I,ow Tempratcre Cofired Ceramic，LTCC)技术以及产品正是实现这种目标的有力手段。
所谓低温共烧陶瓷是一种实现功能陶瓷与内电板在较低温度下共同烧结的新技术，涉及材料及制造工艺等一系列高新技术。
低温共烧陶瓷(LTCC)技术内容如下：
①所有电子元器件都离不开对外引线，任何功能材料都必须通过内电极（导线）实现对外连接；
②银(Ag)是各种电子元件中最理想的内电极导电材料；
③Ag的熔点在961℃，为了防止银向磁俞质层内扩散，需要将功能陶瓷（例如铁氧体）的烧结温度降低到900℃以下，而一般功能陶瓷的烧结温度远高于该温度；
④实现功能陶瓷的低温（低于900℃）内电极（导线）与陶瓷共同烧结，成为实现无源元件片式化/集成化电子元件的技术关键；
⑤已经开发出可以实现低温共烧的陶瓷材料（例如硅铝氟氧化物基陶瓷）及实现低温共烧的制造工艺。
2) LTCC技术的优点：
①陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可大于几十GHz;
②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；
③可以制作线宽小于50μm的细线结构电路；
④可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性；
⑤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；
⑥可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度；
⑦能集成的元件种类多、参量范围大，除L/RlC外，还可以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起；
⑧可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连lC和各种有源器件，实现无源/有源集成；
⑨可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境；
⑩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。
3) LTCC技术过程简介
由于低温共烧陶瓷技术的上述优点，使其成为最具发展前景的无源元件集成技术平台。图4.3.19所示为采用LTCC技术制造集成无源元件的过程示意图。
4) LTCC应用
LTCC技术由于自身具有的独特优点，在军事、航天、航空、电子、计算机、汽车、医疗等领域均获得了越来越广泛的应用。在电子制造领域应用主要有：
①高精度片式元仵如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列；
②无源集成功能器件如片式射频无源集成组件，包括LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、天线、延迟线、衰减器、共模扼流圈及其阵列、EMI抑制器等；
③无源集成基板/封装 如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等；
④功能模块 如蓝牙模块、手机前端模块、无线开关模块、功放模块等；
⑤燃料电池集成模块基于LTCC的小型燃料电池，电源/有源/无源元件一体化的模块等。
5)存在的问题
虽然LTCC技术已经成为电子元件集成，特别是无源集成的主流技术，但其自身还存在一定的不足，例如提高热导率，减少烧结收缩率，解决LTCC材料与异质材料的共烧匹配性，寻求具有更高电性能的低温共烧陶瓷材料等，还需要进一步研究和探索。 VIPER12A
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公网安备44030402000607
