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LTCCの技術動向

アルミナにガラス系材料を加え、900℃以下の低温で焼成する技術

電子機器の高機能化、軽薄短小化の進展に伴い、配線基板にも高機能化が求められている。基板の高機能化に対応する技術のひとつとして、LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)の技術があり、多層基板に加工されたLTCCが高周波モジュール基板として多く利用されている。ここでは、LTCCの特徴を整理し、その用途について考える。

アルミナが約1500℃の「高温」で焼成されるのに対し、LTCCはアルミナにガラス系材料を加えることで、900℃以下の低温で焼成することを可能としたセラミックス技術である。原料はアルミナと(環境を考慮して、PbとCdフリーの)ホウケイ酸系ガラスを混合し、配線導体としてAg(融点960℃)を使用する。セラミックス基材のため、耐熱性・耐湿性に優れるほか、高周波回路での良好な周波数特性(低損失)が得られる特徴がある。

グリーンシート化して多層基板に加工すると、配線パターンを表層、内層に形成でき、3次元的な多層配線を行うことができる。配線導体として使用するAgは電気抵抗が低いので、抵抗損失の少ない配線パターンが実現する。高周波モジュール用配線基板やICパッケージとして広く利用されている。

高周波特性に優れる  放熱性や耐熱・耐湿性にも

<高周波損失特性>
LTCC多層基板は、低誘電損失セラミックスと低損失導体を使用するため、高周波特性に優れている。図はLTCC材料を樹脂基板(FR4)と比較し、それぞれの誘電正接を10GHzまで測定したものである。LTCCが高周波領域で低損失であり、基板中へ熱として放失される電流の損失が少ないので、高周波動作のモジュールがより効率的に機能することを意味している。


<熱膨張係数と熱伝導率>
LTCCの熱膨張係数は、他の有機系基板(ex.FR4基板)やセラミック基板(LTCCに対してHTCCと呼ぶ)と比べてシリコンに近い値のため、半導体を実装する際の応力を少なくすることができる。
LTCC配線基板に寸法精度の高いキャビティ構造を持たせこれを利用してベアチップ搭載を行えば、高い信頼性を備えた多層配線基板やパッケージとなる。
また、FR4と比べて熱伝導率が高いので、サーマルマネージメントに有利なだけでなく、ベアチップ実装部に熱伝導率の優れたAgをサーマルビアとして設けることによって、放熱性をさらに増すことができる。

<耐環境性能>
900℃付近の温度で焼成するセラミックスのため、耐熱性、耐湿性に優れている。電子部品を搭載した配線基板やパッケージとして、あらゆる環境で十分な信頼性を確保する実力を備えている。

収縮制御・積層技術の向上で、高精度な基板づくり 

<寸法精度>
LTCCは焼成時に大きな収縮を伴うが、材料の均一性や製造プロセスを精密に制御することによって精度の高い基板を作ることができる。KOAは独自の収縮制御技術と積層技術により、±0.05%以下という高い位置精度を実現している。このことは同時に厚み寸法も高精度に保たれることを意味し、内層される受動部品の特性・精度において優れた値を得ることができる。

<キャビティ形成>
積層工程で、一部をくり抜いたグリーンシートを積層することにより、キャビティ構造を持った基板の作成が可能である。また、グリーンシートに特別な管理を行うことによって、複雑な形状のキャビティ構造も容易に形成することができる。ベアチップ半導体をキャビティ内に納めることによってひじょうに薄いモジュールを実現することもできる。

<配線パターンのファインライン化>
LTCC基板の配線パターン形成にはスクリーン印刷法を用いるのが一般的である。メッシュ加工された印刷マスクを用いてAgペーストを厚膜印刷する方法で、ライン&スペース(L/S)=60/60μmまでの微細配線が可能である。更に微細な配線が要求される用途に対しては「薄膜技術」を応用する方法が用いられる。

<薄膜配線>
LTCC多層配線基板の表層微細化要求に応える手段として、薄膜技術を用いる方法がある。半導体の製造技術として発達した薄膜形成技術やフォトリソ技術を応用してLTCC多層基板上に微細配線パターンを形成する試みが行われている。L/S=20/20μmが実用化されている。

<小径ビアの形成>
高密度実装モジュールやパッケージの実現にはラインの微細化のみならず、層間接続ビアの小径化が必要である。LTCC多層配線基板の場合、通常φ100μm程度のマイクロビアが用いられるが、配線幅が微細化するのに伴って更に小径なビアが必要になる。波長の短いYAGレーザの第三第四高調波を利用するレーザー加工機を使ってφ30μmの小径ビアが実現している。

優れた特性生かし、様々な用途に応用展開

<LTCCの用途>
現在小型モジュール基板として広く利用されているLTCCだが、材料が持っている優れた特性を生かし、最新の技術で加工することによって新たな用途での展開が可能になる。 LTCCの特徴を理解し、様々な分野で有効利用されることを期待する。

(1)マイクロ波、ミリ波、その他高周波モジュール基板として
(2)小型・高周波モジュール、ベアチップを実装する薄型モジュール基板として
(3)半導体パッケージやインターポーザ基板として
(4)搭載時に高い位置精度が求められるマルチチップモジュール基板として
(5)高温高湿など、厳しい環境で使われるアプリケーションに
(6)MEMSチップなど、熱歪みを嫌うアプリケーションに
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