為滿足人們對舒適、方便及安全的需求，資訊與通訊等消費性電子產品逐漸朝向多功能與可攜式的型態發展，可說是必然的趨勢；因此除了使電子產品本身更加輕薄短小外，在產品功能密度與功能種類等方面，必須有更顯著的提升。而利用多層基板結構將電路中的各種被動元件，如電阻、電容與電感等埋入多層結構中，可大幅減少所需之表面黏著型電子元件。在高頻的應用上也因傳輸線縮短而減少訊號衰減，特別是三度空間的線路結構，更是提高了單位體積的元件數目，而大幅增加單位體積的功能密度。

隨著被動元件積體化需求的提高，以及陶瓷與矽的材質極接近，適合與IC晶片連接等特性，低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic；LTCC）正提供一極佳的技術平台，其最主要的概念便是把過去在印刷電路板上平行排列的各元件，如主動元件及被動元件等，藉由一層層的陶瓷基板進行垂直的設計擺放，讓元件所佔面積縮到最小。與目前印刷電路板平行排列的方式相較，LTCC顯然節省相當大的面積，而且各陶瓷基板層可以同時進行作業，流程上較精簡。此外，陶瓷材料的特徵尺寸和總體物理穩定性很好，且陶瓷通常具有較好的熱傳導性（比FR-4塑膠基板高），在元件整合的過程中，可以降低成本並增強可靠度。

《圖一　LTCC技術優點之剖析圖》

技術特點

LTCC技術在近年來一直是被動元件界的熱門議題之一，究竟LTCC技術有何吸引之處呢？以下簡單介紹LTCC技術的特點與要素。

LTCC技術因同時包含了高溫共燒基板與厚膜印刷技術的優點，如(圖一)，所以與其他競爭者如高溫共燒基板（Al2O3）與有機板（FR4）相較，具備較多的優勢；例如在溫度特性、耐濕性、導體損失、整合被動元件之能力及小型化等特性，都優於其他競爭基板；如(表一)所示，若考量整體特性還是以LTCC技術最具有優勢，所以未來LTCC技術仍會是受矚目的技術之一。

構成LTCC技術之要素可歸納成：(1)材料技術、(2)製程技術及(3)電路設計技術。在材料技術方面，主要包含基板材料與導體材料，對於基板材料的要求必須為低介電常數、低介電損失、不含鉛及燒結溫度需小於900℃；而對於導體材料的要求，則需高導電率與低遷移效應（migration）。在製程技術方面需掌控以下技術，其中包含導體印刷技術、高精度積層共燒技術及異質界面積層技術等。最後對電路設計技術作一展開，可知單功能元件設計技術、多功能元件設計技術及高頻電路設計與模擬技術是電路設計技術不可缺少的構成要素。

材料製程瓶頸與挑戰

LTCC製程流程如(圖二)所示，主要製程分為沖片（Blanking）、通孔（Via Punch）／凹穴（Cavity）製作、填孔（Via Filling）、導體印刷（Conductor Printing）、疊壓（Lamination）、切割（Cutting）、燒結（Firing）與組裝（Assembly）。在通孔的製作上，隨著單位面積上的通孔密度越來越高，通孔彼此間的距離越來越近，容易形成通孔的變形（Deformation）或坍塌（Slump），而造成通孔變形或坍塌的因素除了單位面積的通孔密度外，生坯厚度、通孔大小、通孔機的沖程與壓力等也都是影響因素。

《圖二　LTCC主要製程步驟》

此外通孔之後的填孔品質也是未來面臨挑戰的製程之一。傳統的填孔製程是利用填孔機，以上下模具加壓的方式，將金屬塗料填入陶瓷生坯之通孔中，然而在加壓結束後，上下模具脫離時，填入的金屬塗料極易隨著模具的脫離而被拉起，或者有過多的金屬塗料殘留於通孔上，造成通孔中所填入的塗料有凹凸不平的現象。此現象會影響後續網印製程中，所印導體線路之表面起伏與粗糙度，也就是所印的導體線路之表面，也將隨著通孔中之塗料的高低起伏而變化，此現象易造成高頻電性損失。(圖三)為填孔後之金屬塗料厚度高於生坯之情形。所以隨著高頻化之趨勢，利用鋼板印刷之填孔方式，將是日後取代傳統加壓式填孔之重要製程。

《圖三　填孔之金屬厚度過高》

隨著薄膜製程技術微小化的快速發展，同樣地，厚膜技術也正朝著滿足電子產品微小化及高功能密度之需求趨勢而邁進。因此各種厚膜細線路之形成技術也就應映而生。除了傳統的網版印刷，其他如凹板轉寫（Gravure Offset Printing）[1、2]、光微影蝕刻（Fodel及Photo-etchable）[3-6]、Direct Writing（Laser與Micro-Pen） [7、8]等，也都是目前較常見的製程方式。儘管厚膜細線路成型技術如此多樣，網版印刷仍是目前與未來的主流生產技術，主要是因成本較其它製程低、製程技術成熟且穩定、適合大量生產及廣泛的被業界使用。

雖然細線路網印成型技術可提高線路或元件密度以實現微小化元件和高功能密度模組，但隨著信號速度及系統頻率的提升，元件和金屬線路所表現之阻抗（Impedance）精確度（即尺寸變異）成了製程上被嚴格管控的參數。網印後的線路形狀與尺寸變異決定於塗料的流變性質（Rheological Properties），如黏度（Viscosity）、觸變性（Thixotropy）與降服應力（Yield Stress）等。此外，細線路若要能承受高溫燒結且不斷線以及展現低電性損耗性能，網印後除必需維持低線寬變異外，尚需維持相當的厚度，因此塗料具備特殊之流變性質是必需的。

實際上非細線路（線寬／線距＞100 (m）用之導體塗料與細線路（線寬／線距＜100 (m）用之塗料，所呈現出的黏度變化是截然不同的[9]，如(圖四)所示。除導體塗料之外，其他如電阻（Resistor）、電容（Capacitor）與電感（Inductor）等厚膜元件也經常以網印方式製作，在尺寸變異及表面粗糙度上的控制，也都與流變性質息息相關，因此厚膜之流變特性在系統微小化與高頻化之趨勢中，便顯得格外重要，所以更深層的瞭解厚膜流變行為以及如何控制流變等，將是未來製程上即將面對的挑戰之一。

《圖四　非細線路塗料與細線路塗料之黏度變化》

在元件或模組（Module）均需提高尺寸精度的要求下，LTCC生坯的無收縮（Non-Shrinkage）製程在各方的研究下已有多項產品及專利問世。然而在模組化的過程中，導體、電阻、電容與電感等異種材質均整合於多層生坯陶瓷結構中，在後續燒結製程，如何因彼此的熱膨脹係數不同與可能產生的界面反應，而維持整體模組最小的尺寸變異，以及是否共燒匹配等問題都是未來材料開發與製程均需面臨的問題。

市場展望

依據2001年的整年市場規模而論，LTCC產品依型態可分類成零組件（component）、模組（modules）及基板／封裝（substrate/package）等；若依用途分類，則可區分成光領域（optical）、汽車用途（automotive）及無線通訊／介面（wireless/interface）等三種。根據以上分類，則分別可統計出2001年LTCC各產品的比重，在Navian的調查報告中顯示[10]，LTCC產品在2001年共達86350百萬日圓，其中以零組件為最大宗，達整體金額的68％；次之為模組佔整體金額的19％；最後為基板／封裝佔整體金額的13%。

若改以用途來區分統計，則以無線通訊／界面為最大宗，達整體金額的62％；次之為汽車用途，佔整體金額的33％；最後為光領域，佔整體金額的5％。綜合以上的調查結果得知，LTCC產品在2001年主要以零組件為主，且大部分被應用在無線通訊／界面的領域中；另外值得一提的是，LTCC產品應用在汽車用途上的金額比例很高，但其產量卻為整體的1％，由此可知用於汽車用途的LTCC產品，其單價及獲利率都有可觀的營利。以引擎控制模組ECU為例，其單價為3000日圓，比其零組件天線（Antenna）20～30日圓高出甚多。

接下來再針對零組件、模組及基板／封裝作進一步詳細分析。首先在零組件部分，其產品依其所佔的金額比例多寡，依序為：平衡／非平衡阻抗轉換器（Balun）、濾波器（Filter）、耦合器（Coupler）、分頻器（Diplexer）及天線。其中以天線所佔有的比例最低只有3％，但這也意味著天線的未來成長是可期，此一觀點與Navian的調查報告不謀而合。

在基板／封裝方面，主要產品包括引擎控制模組、功率放大器（PA module）及藍芽（Bluetooth）等，其中以引擎控制模組佔基板／封裝類的整體金額81％為最大宗，次之為功率放大器佔16％，最後為藍芽佔3％。雖然引擎控制模組及功率放大器所佔有的比例較高，但其未來的成長性卻不易見到；相對地，藍芽雖然佔有的比例較低，但其成長性是不可限量的，因為無線通訊或傳輸一直是近年來的當紅炸子雞，其成長性是很可觀的，所以藍芽模組將是未來的明星產品。

另外在模組方面，目前主要產品包括射頻前端模組（Front end module）、射頻接收端模組（RX module）、功率自動控制模組（APC＋coupler module）及重疊模組（Magnificence module）。其中以射頻前端模組佔模組類的整體金額73％為最大宗，依序次之分別為重疊模組佔15％、射頻接收端模組佔8％，最後功率自動控制模組佔4％。由於射頻前端模組已佔有73％，對於未來的成長性可能並不大，反而射頻接收端模組的佔有率只有8％，所以未來的成長性是可期的。

綜合以上的分析從中可獲知，未來市場的趨勢可能會朝應用於無線通訊/介面領域的模組來發展，尤其是射頻前端模組與接收端模組，因為射頻前端模組仍具有廣大的市場，而射頻接收端模組則具有可觀的成長性，所以未來若能掌控射頻前端模組與接收端模組的市佔率，則將會有巨觀的收穫。

技術應用趨勢

從市場分析中不難發現，利用LTCC技術所製作出的產品，以模組化最具有成長性，其原因不外乎消費者的需求。例如眾所皆知的消費性電子產品──手機，它從原先剛推出時的水壺般大小，迅速地降低至比嬰兒的手還小，由此可見手機內的被動元件亦勢必縮小其尺寸，才能使手機的整體體積降至最小。而如何降低手機內的被動元件尺寸呢？低溫共燒陶瓷（LTCC）技術已提供了最佳解決方案，例如目前手機內的射頻前端模組、射頻接收端模組、功率自動控制模組及功率放大器模組等，它們的實體尺寸已被降至甚小，以射頻前端模組為例，在2001年推出的產品中其尺寸可小至5.4×4.0×1.8mm。

LTCC模組技術的誕生造就了手機小型化的最大功臣，再則進一步思慮不難察覺，若將這些模組再整合在一起是否有此可能性？其答案是絕對有可能的，因為三菱電機與京瓷就針對此議題預計在2002年共同開發出多機能性的射頻前端模組，其中包含分頻器、低頻濾波器（Low pass filter）、耦合器、開關器（switch）、功率放大器及調合電路（Matching circuit）等。所以未來的技術趨勢將朝著模組整合發展，希望將手機內的射頻端整合成只剩下一個模組。

LTCC技術應用於基板／封裝上亦有所突破，如開發埋入式電阻／電容技術；此技術顧名思義是將電阻及電容埋入於基板之中，以便讓設計者更能自由地設計電路，同時亦讓整體所需的空間降至最小，以達縮小尺寸之效益如(圖五)所示。(圖五)為放大器基板（Amplifier Substrate）的3-D綜覽圖，此放大器基板是由Northrop Grumman公司所開發而得，從此放大器基板中可證實已引進埋入式電阻／電容之技術，使得其電路設計得以自由地發揮不受限制，為被動元件積體化的最佳典範。故埋入式電阻／電容技術，將是低溫共燒陶瓷應用於基板／封裝上不可獲缺的技術之一。

《圖五　放大器基板的3-D綜覽》

結論

LTCC因為具有實現高密度電路連接、內埋被動元件與凹穴製作所提供之氣密式密封等功能，以及優越的高頻特性，目前已被廣泛應用於各種通訊用之模組製作。在未來製程中將面對元件尺寸更小、更精準與更快速等多項挑戰。而在被動元件內埋化的過程中，研發與LTCC生坯更具匹配性，同時隨著溫度或頻率變化而具較小變異之電阻、電容與電感，則是未來材料開發需努力之方向。另外LTCC朝模組整合方向的邁進，並應用於無線通訊／介面領域也是未來可預期之發展趨勢。

（作者為工研院工業材料研究所積層陶瓷整合元件實驗室副研究員）

〈參考文獻

[1] M. Lahti, K. Kukkola and S. Leppavuori, "The Utilising of Gravure Offset Printing for Miniaturising of Electronic Packages," Microelectronics International, (37) (1995) 22-24.

[2] V. Golovanov, J. L. Solis, V. Lantto and S. Leppavuori, "Different thick-film methods in printing of one-electrode semiconductor gas sensor," Sensors and Actuators B, (34) (1996) 401-406.

[3] M. A. Skurski, M. A. Smith, R. R. Draudt, D. I. Amey, S. J. Horowitz and M. J. Champ, "Photoimageable Silver Cofireable Conductor Compatible With 951 Green TapeTM," International Symposium Microelectronics, (1998) 393-398.

[4] M. Vrana, J. D. Baets and A. V. Calster, "High Density Thick Film Multilayers with Ag-based Conductors," International Symposium Microelectronics, (1998) 789-794.

[5] P. Barnwell and J. Wood, "Fabrication of Low Cost Microwave Circuits and Structures Using an Advanced Thick Film Technology," IEMT/IMC Proceedings, (1998) 327-332.

[6] P. Barnwell and M. P. O'Neill, "Integrated Microwave Structures Using an Advanced Thick Film Technology," IEEE, (1999) 259-262.

[7] V. Kripesh, S. K. Bhatnagar, H. Osterwinter and W. Gust, "Fine-line Passive Components for Hybrid Microelectronics," Microelectronics International, (41) (1996) 9-11.

[8] D. Dimos, B. H. King and P. Yang, "Direct-Write Fabrication of Integrated, Multilayer Passive Components," International Symposium on Advanced Packaging Materials, (1999) 186-190.

[9] Q. Reynolds, H. G. MacMahon and J. Freitag, "Essential Paste Properties for Fine Line Thick Film," Hybrid Circuits, (35) (1994) 22-24.

[10] Navina, "Advanced LTCC Technology 2001", (2001)〉