LTCC 材料及其器件
——產業發展與思考

楊 斌，王 榮，張 晗，李 勃

(1.科技部高技術研究發展中心，北京 100044；2.清華大學材料系新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，北京 100084)

隨著4G/5G 移動通信技術、毫米波技術等現代通信技術的快速發展，信息化浪潮席卷全球，通信設備和便攜式終端正向微小型化、多功能化、高頻化、高性能、高可靠性等方向發展。與微波相比，5G 和毫米波元器件尺寸要小得多，而且設備的多功能化使得產品中元器件數量成倍增加。為了滿足高可靠性和高穩定性的要求，元器件的模塊化和高度集成化成了必然的趨勢和選擇。在通常情況下，電子產品中遵循摩爾定律的集成電路僅占系統總體積的10%，而不滿足摩爾定律的無源元器件則占據了剩余90%體積，這些無源元器件成為了電子產品小型化的瓶頸[1]。低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)技術是無源元器件集成的關鍵技術，將低溫燒結陶瓷粉用流延法制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源器件嵌入其中，多層疊壓后在900 ℃以下進行燒結，制成三維空間互不干擾的高密度電路基板。通過LTCC 可以實現三大無源器件(電阻、電容、電感)及其他各種無源器件(如天線、濾波器等)封裝于多層布線基板中，并與有源器件(如功率MOS、晶體管、IC 模塊等)共同集成為完整的電路系統[2]。

與其他集成技術相比，LTCC 技術的主要優勢在于:①LTCC 材料具有優良的高頻、高速傳輸和寬帶通的特性。其介電常數可通過改變材料配方來調控，增加了電路設計的靈活性；②以電導率高的金屬材料作為布線導體，有利于提高電路系統的品質因數；③熱傳導性比普通PCB 電路板好，熱膨脹系數低，有助于提高集成系統的可靠性及耐高溫和承受大電流的能力；④可通過多層互聯內埋多個無源器件，并結合表面貼裝技術，實現有源無源集成，極大地提高電路的組裝密度；⑤與其他多層布線技術兼容性好，可進行混合多芯片組件技術的開發；⑥非連續性生產工藝，便于進行質量檢查，有利于提高成品率，降低成本[3-4]。憑借上述優勢，LTCC 現已成為無源集成的主流技術，廣泛應用于無線通信、消費電子、汽車電子、航空航天以及國防軍工等領域。鑒于LTCC 技術對于我國電子信息產業發展的重要性，本文簡述了國內外LTCC 材料及器件的發展狀況和發展趨勢，分析了我國LTCC 技術的經濟社會需求和未來產業發展重點，并針對LTCC 產業存在的問題提出相應的建議和思考。

1 LTCC 材料及器件的國外總體發展情況

LTCC 材料到器件的研發是一個非常復雜的過程，需要從材料配方設計、粉體制備、生瓷帶流延到器件設計、加工及性能測試等環節進行反復實驗，研發周期長、難度大。自1982 年美國休斯公司開發出LTCC技術以來，世界各國在LTCC 材料制備、LTCC 生瓷帶、生瓷帶與金屬電極漿料的共燒匹配性等方面投入巨資進行了研發。Ferro(福祿)、DuPont(杜邦)、NEC(日本電氣)、Hitachi Metal(日立金屬)等公司都相繼開始研制LTCC 材料，開發出各種自有配方的低介電、低損耗的LTCC 材料體系，并逐漸形成了陶瓷粉研發制備、生瓷帶流延開發、LTCC 器件制備及應用的整個產業鏈。國外廠商由于投入已久，在低溫共燒介質材料、共燒工藝、產品質量和專利標準等方面均占領先優勢。

隨著電子信息技術的發展，全球LTCC 市場規模逐年上升，僅9 年時間LTCC 總產值便翻了一倍，從2010 年的6.2 億美元上升到2019 年的12.4 億美元，年均復合增長率達到8%，到2022 年有望達到15 億美元。隨著LTCC 市場的穩步增長，海外企業形成寡頭壟斷格局。從全球LTCC 市場的占有情況來看，排名前9 的廠商占據近90%市場份額，主要技術掌握在日本、美國和部分歐洲國家手中，產業集中度較高。以LTCC 生產地區來看，全球第一大產區為日本，約占全球LTCC 市場份額的60%，其次為歐洲與美國地區，約占全球LTCC 市場份額的17%。從廠商市占率來觀察，全球第一大生產廠商為日系廠商Murata(村田)，全球市占率為30%，第二大廠商為日系廠商Kyocera(京瓷)，全球市占率為16%，第三大廠商為德國的Bosch(博世)，全球市占率為8%，其他大廠還有日本TDK(東京電氣化學工業)、Taiyo Yuden(太陽誘電)和美國的CTS(西迪斯)公司。日本廠商位于全球LTCC產品市場與技術的主導地位。

日本村田是全球規模最大的MLCC 廠商。自從LTCC 出現以來，日本村田就一直保持世界第一的地位，全球市場占有率一直高于26%，在高端市場的占有率更高。村田公司采用低介電陶瓷材料和低阻抗銀導體開發出獨特的“零收縮LTCC”，能夠將陶瓷收縮局限于Z方向(厚度方向)，而且確保極佳的尺寸精度和表面光坦度，可靠性高，適用于汽車電子和射頻電路。京瓷公司生產出高強度材料(LTCC Hard):GL300，該材料抗下落沖擊能力強，是非常適用于移動電子設備用模塊基板的材料。TDK 公司提供LTCC技術的天線、濾波器、耦合器、雙工器、平衡器等高頻元件，在WLAN、藍牙連接、導航以及汽車電子等應用中發揮著關鍵作用。該公司LTCC 產品的最大優勢在于能夠將濾波器的尺寸做到很小，2017 年研制的LTCC 低通濾波器的尺寸僅為0.65 mm×0.5 mm。上述LTCC 廠商在產品類別方面各有特點，日本村田主要研究低燒結收縮率的LTCC 材料，京瓷公司主要生產LTCC 陶瓷材料和LTCC 基板。TDK 公司研究LTCC 器件的小型化，在智能手機和便攜式移動終端等應用中具有優勢。

為了獲得更大的帶寬和更快的傳輸速率，無線通信系統的工作頻率越來越高，5G 和毫米波技術是正在大力發展的通信技術。同時，手機、智能可穿戴設備等消費電子產品的功能越來越復雜，體積也越來越小，這些因素均使得LTCC 組件不斷向模塊化、小型化及高頻化等方向發展。因此，開發具有更好溫度穩定性、更低介電損耗、更低燒結溫度的可適用于高頻場景的低溫共燒介質陶瓷材料，提升LTCC 工藝技術水平和內部線路設計能力，減小LTCC 元器件尺寸并進行更高密度集成是未來LTCC 技術的發展趨勢。

2 LTCC 材料及器件的國內總體發展情況

2.1 國內LTCC 材料及器件發展現狀

我國LTCC 產業起步較晚，深圳南玻電子(2008年被順絡電子收購)是國內最早引入LTCC 生產線的廠商，在2003 年率先引進LTCC 生產線之后，目前國內已建立數十條生產線，產業規模初步形成[3]。目前我國的LTCC 產業主要集中在珠三角和長三角地區，這兩個區域的電子制造技術先進而且上下游產業鏈配套齊全。近年來我國LTCC 市場規模保持高速增長態勢，2018 年我國LTCC 市場規模約為37.26 億元，同比增長11%。從市場份額的集中度來看，我國LTCC 行業集中度不高，順絡電子占比最大但也僅為10.7%，而其他幾家大企業如麥捷科技、振華富、風華高科占比都不超過5%。

順絡電子是國內電感龍頭企業，電感產品全球市場份額超過6%，其中疊層電感產能位居全球第二、片式繞線電感位居全球第三。公司于2011 年擴產LTCC 項目，形成初具規模的片式LTCC 產品生產線，疊層片式LTCC 濾波器、片式LTCC 天線和LTCC 射頻前端模塊等LTCC 產品年產能達到1.62 億只。2016年重點開發小尺寸射頻濾波器、雙工器、三工器、巴倫以及基板產品。2019 年LTCC 產品銷售額占比由2018 年的1.5%提高至3.2%，通過不斷拓展LTCC 產品品類，實現LTCC 產品線的高增長。近年來，順絡電子在01005 電感的產業化方面取得重要突破，相關產品與國際上的領先廠商日本村田的產品綜合性能對比上處于同一水平。此外，麥捷科技重點研發的基于LTCC 基板的SAW 濾波器目前也已開始量產。

2017 年清華大學聯合西安交通大學、電子科技大學、中科院上硅所、順絡電子、風華高科、振華富電子等十五家單位共同承擔了國家重點研發項目“高性能電磁介質及元器件開發”。該項目堅持材料-器件-工藝一體化研究開發路線，從材料層面、設計及工藝層面和元器件層面對高性能電磁介質及高性能元器件的前沿科學技術問題開展了深入系統的研究，并將研究成果應用于產業技術創新中，實現關鍵材料和關鍵技術的產業化應用，滿足新型信息功能陶瓷元器件的微小型化、集成化/模塊化、高頻化與頻率系列化、多功能化/新功能、高可靠性等發展要求。在材料方面，開發出了低介LTCC 材料，其相對介電常數為5.676，介電損耗1.73×10-4，Q×f值高達124200 GHz，可滿足微波器件小型化、低損耗化的要求，有潛力應用于5G通信LTCC 器件中[5]；采用改進的固相反應工藝，制備了復相溫度穩定型微波介質陶瓷0.35Ag2MoO4-0.65Ag0.5Bi0.5MoO4，可在520 ℃實現燒結，相對介電常數為23.9，Q×f值為16200 GHz，諧振頻率溫度系數為-2.4×10-6/℃[6]。在器件方面，設計制備了Ka 波段LTCC 基片集成波導濾波器，其中心頻率27.7 GHz，插損為1.74 dB，3 dB 帶寬約為10%[7]。在工藝方面，順絡電子建立了內部導體線寬尺寸≤10 μm的多層低溫共燒元器件制造平臺，實現微波介質濾波器件和多種微型無源元器件規模化生產，建成年產100 億只以上片式元件和組件的生產線，成為國內最大的無源集成器件及模塊研發基地，促進高端電子產品產業鏈的形成。

總體來說，我國LTCC 技術的研發落后國外發達國家5～10 年。目前我國在疊層片式電感領域具備較強的批量生產能力，在全球占據了一定的市場份額。但是生產所用的原材料和設備依然嚴重依賴進口，LTCC 產品主要集中在利潤率低的中低端產品，高端產品的研發和生產仍然落后于日本、歐美等發達國家。

2.2 國內LTCC 產業存在的主要問題

(1)LTCC 原材料國產化問題。

我國雖然具有龐大的元器件制造生產能力，但是在高頻低損耗低溫共燒陶瓷介質材料生產方面依然落后于國外發達國家，國內民用市場僅有順絡電子、風華高科、振華富和麥捷科技等企業進行了LTCC 產業布局，產品主要以疊層片式電感為主，但在高性能LTCC 陶瓷粉和生瓷帶上還依賴進口，尤其是面向5G通信器件應用的新型低介電常數、超低介電損耗、穩定介溫特性和優異耐壓強度的LTCC 材料目前在國內近乎空白[8]。國內一些知名研究所和高校如清華大學、電子科技大學、中科院上海硅酸鹽研究所、南京工業大學、華中科技大學等，在高性能LTCC 瓷粉和生瓷帶制備上取得了若干研究成果，但主要停留在基礎研究和實驗室小批量制作階段，實現商業化的粉體材料較少。而國內的產業界很少能實現材料、生瓷帶、器件一條龍生產，缺乏研究院所與龍頭企業的技術對接，導致無法將材料大批量生產、制成器件并實現終端應用。

目前我國在研制LTCC 材料體系中具體存在的問題主要有:1、LTCC 瓷粉批次穩定性差，沒有量產能力，無法商業化；2、LTCC 生瓷帶性能與國際領先水平存在差距；3、LTCC 生瓷帶與銀電極漿料材料匹配性差；4、由于存在批次穩定性差等問題，國產瓷粉的需求量不足，不能形成規模生產，無法開展批產穩定性等方面的技術攻關，抑制了國產瓷粉和生瓷帶的應用。

(2)LTCC 工藝設備國產化問題。

早期的LTCC 生產線上多個工藝可由手工完成，但是近年來隨著LTCC 功能模塊的集成度越來越高，為了保證產品的精度、可靠性以及提高生產效率，LTCC 工藝開始向全自動化操作轉移[9-10]。將LTCC 生產工藝與信息技術和智能技術深度融合，建立LTCC智能生產線，實現設計過程和制造過程的智能化是未來的發展趨勢[11]。目前我國LTCC 生產線上采用的高精度自動化生產設備主要依賴進口。LTCC 生產涉及到的主要設備有切片機、沖孔機、印刷機、疊片機等，這些設備由日系廠商占主導，國內設備廠商主要有中電二所、四十五所等[12]。未來將需要大量的LTCC 生產線來滿足日益增長的產能需求，國內廠商也需要開發出更先進的工藝和更先進的設備來滿足市場需求。

在美國發起的貿易戰中，美國將技術優勢“武器化”，對我國信息科技產業造成嚴重打擊。無源器件作為電子信息產業的基石，LTCC 材料和器件的國產化刻不容緩。在當前緊張的國際形勢下，這類技術的核心材料和設備禁運風險非常大，存在“卡脖子”風險，威脅我國電子信息產業的健康發展。因此，必須加速相關核心技術的國產化進程，開發出具有完全自主知識產權的高性能LTCC 材料并實現產業化。

3 我國LTCC 材料及器件的經濟社會需求分析

開發新頻譜資源是現代通信技術持續發展的方向，新頻譜資源的開發朝著更高頻段、更寬頻譜使用范圍方向發展。5G NR 定義的頻譜范圍達到6 GHz(FR1)以及蜂窩移動網絡從未使用過的毫米波段(FR2)，基于傳統微波介質陶瓷體系的元器件在性能上已經無法滿足使用要求。適合更高頻率、更大帶寬的LTCC 介質濾波器、LTCC 片式天線等LTCC 射頻元件有著巨大的市場需求。開發新型的高性能LTCC 材料及器件對我國經濟與社會發展有著至關重要的作用:

(1)高性能LTCC 材料及器件的研究開發及產業化將會帶動移動通信等產業中基礎性、關鍵性技術的發展，促進電子信息產業作為國民經濟支柱產業的形成，對于電子信息產業的發展以及產業結構升級，提高我國基礎電子信息產業的技術水平，增強民族電子信息產業的國際競爭力有著重要的現實意義。

(2)啟動新的經濟增長點。以5G 移動通信為代表的一系列新興電子信息產業是重要的經濟增長點，這些產業發展迅速，市場廣闊。同時，這些新的通信和消費類電子產品將形成一系列新的消費熱點，對于拉動國民經濟有著不可估量的作用。針對移動通信、數字電視等新型電子產品所需要的關鍵元器件和材料開展研究，對于新的經濟生長點的形成將起到促進作用。

(3)加速高端電子元器件國產化的步伐。由于市場需求強勁，國外公司在我國無源元器件市場上獲得了巨額利潤。我國政府和企業在這一產業的發展中所獲得的利益仍然微乎其微，其中一個重要標志是整機(包括手機、交換機和基站)中高端元器件(如微型元件、微波介質濾波器等)絕大多數依賴進口。實現移動通信所需電子元器件的國產化和本地化的關鍵是提高國產元器件產品的質量，增強國產元器件產品與國外同類產品的競爭力。為此，面向新一代移動通信技術，開展具有針對性的研發工作，有助于推進移動通信產品的國產化和本地化進程。

4 我國LTCC 材料重大技術突破可能形成的產業及其發展重點

根據所包含的元件數量和在電路中的作用，廣義上的LTCC 元器件可分為以疊層片式電感、電容、電阻為代表的高精度片式LTCC 元件和以LTCC 射頻元器件為代表的LTCC 無源集成功能器件。LTCC 射頻元器件是指利用LTCC 技術并通過三維電路結構設計將電感、電容和射頻電路集成在一起而形成的具有較好高頻特性的內埋式無源電子元器件，主要包括濾波器、天線、耦合器等[13-16]。LTCC 射頻元器件是無源電子元器件的高端產品，代表行業最前沿的技術水平，產品單價遠高于電感、電容等片式元件。目前我國LTCC 產品主要以片式元件為主，涉足高端電子元器件的企業數量較少。LTCC 技術是實現電子元器件片式化、多功能化、高頻化、集成化的關鍵技術，結合目前我國5G 通信技術的不斷普及和毫米波技術的不斷推進，催生了很多新興行業。新型的高性能LTCC材料及器件的研發及產業化應用對我國電子信息產業結構升級、把握新行業的發展機遇、實現科技領域彎道超車有著重要的戰略意義:

(1)有助于LTCC 射頻元器件產業的發展。LTCC射頻元器件主要應用于移動通信、數據傳輸等無線通信領域，應用對象主要有智能手機、WLAN 模塊、WIFI 模塊、藍牙模塊和GPS 模塊等。5G 時代基站數量和密度有了非常大的提升，聯網電子終端設備數量成倍增長，所需射頻元器件數量龐大。LTCC 射頻元器件由于具有良好的高頻性能、高集成度和高可靠性，在5G 通信和未來高頻通信時代有著極其廣闊的市場前景。

(2)有助于毫米波技術等高頻通信技術的發展。在未來高度信息化社會，萬物互聯是未來社會的發展趨勢，目前我國5G 網絡主要采用sub-6 GHz 頻段，低頻資源有限，高頻通信需求日益凸顯。但是毫米波繞射能力較弱、衰減較大，將5G 部署在毫米波頻段下必須克服其穿透力差、衰減大等缺點，這對射頻等高頻通信核心器件提出了更高的要求。目前國外主流運營商已經開展了高頻段5G 網絡部署，高頻元器件核心技術主要被國外公司掌握，我國高頻通信的發展落后于中低頻通信。基于LTCC 技術的射頻元器件在高頻通信應用中有著顯著優勢，發展滿足毫米波頻段等高頻應用的高性能LTCC 介質材料及器件是5G 通信、物聯網、智能交通、衛星導航等新興產業的迫切需求，對于我國高頻通信技術的發展、實現萬物互聯、建立高度信息化社會具有重要推動作用。

(3)有助于LTCC 傳感器領域的發展。無源無線傳感器無需引線和電源供電便可進行信號的探測和傳輸，使用壽命長，維護簡單，是未來傳感器發展的重要方向[17-20]。LTCC 材料有著高熔點、高耐磨性和耐腐蝕等優點，是面向惡劣環境應用的傳感器的理想載體。相比傳統傳感器，基于LTCC 技術的無源傳感器在復雜環境下仍可保持高精度和高可靠性，在傳統工業領域、航空領域以及國防軍工領域中有著重要的應用潛力。

5 建議

電子信息產業是智能制造的基礎支撐和制造業的核心內容，對我國經濟發展起到了重要的支撐作用。《中國制造2025》 國家戰略中，明確將電子信息產業作為重點突破的領域，在“十三五”期間肩負著重大戰略使命。目前我國電子信息產業處于加快轉型升級的關鍵階段，為了發展高性能LTCC 材料及器件核心技術，提高電子基礎產業的核心競爭力，提出以下建議:

(1)產學研聯合攻關開發新型LTCC 材料和器件。

對于高校和科研機構而言，將被“卡脖子”的核心材料和核心技術作為科研任務進行重點布局，整合高校、科研院所和企業的優質資源，開展產學研聯合攻關。以產業發展為導向，開發新型的高性能LTCC材料、技術工藝和器件，在關鍵材料和關鍵技術領域擺脫對發達國家的依賴，形成具有自主知識產權的材料體系和核心技術。

(2)制定電子元器件各個細分領域的國家標準以及行業/團隊標準。

對于企業而言，應與高校科研院所合作培養具有創新能力的產學研結合的研發隊伍，積極將高校科研院所的成果產業化。協同產業鏈上下游各方企業制定相關行業標準，統一產品規格。LTCC 射頻元器件包含天線、濾波器、開關、低噪聲放大器和振蕩器等多種組件，不同組件的集成會形成不同功能的模塊。針對不同的模塊需要做不同的設計，產品規格的標準化有助于減少下游客戶的設計成本，增強產品與國外同類產品的競爭力，極大地推動產業發展。

(3)政策上支撐中小電子元器件企業發展。

電子元器件產業屬于資金密集型產業，需要投入大量資金進行研發和生產。我國電子元器件企業規模相對較小，貸款困難，一方面需要降低企業的銀行信貸成本，另一方面需要深化資本市場改革，發揮好資本市場融資功能，為降低社會融資成本和增加企業中長期融資提供有力支持。

(4)培養和引進高端人才。

電子元器件產業屬于技術密集型產業，需要大量的高端人才作為支撐，人才培養和人才引進力度需要進一步提高，通過人才實現科技第一生產力的轉化，實現電子元器件產業由低端產品向高端、高附加值產品轉變。