低温共烧陶瓷（LTCC）技术是无源集成的主流技术，通过将电极材料、基板和电子元件等封装于一体，制成三维电路基板，可实现多种微波无源器件的集成。利用LTCC技术，不仅可以制造天线、滤波器、巴伦等功能元器件，还可以整合无源/有源器件，极大地实现电子产品的小型化、集成化、低成本和高可靠性。尤其在当今5G/6G 通信、车载网络、自动驾驶、虚拟/增强现实、可穿戴设备等一些热门的应用场景，随着无线频谱的使用覆盖微波、毫米波甚至更高频段，LTCC技术迎来了巨大的发展空间。

车载网络系统

微波毫米波应用下的性能要求

对于毫米波应用，随着波长和电路尺寸的缩小，小型化不再是难点，材料的低介和低损显得更加重要。低介和低损能降低高频下的噪声和电感串扰，明显提高传

输速率，增强选频特性。因此，低介电常数LTCC材料是毫米波应用的关键材料。

通常，LTCC材料的微波介电性能被首要考虑，主要包括3个性能参数：相对介电常数(ԑr或K)、损耗角正切(tanδ)或品质因数(Q×f)、谐振频率温度系数(TCF)。

微波低频到毫米波应用有不同的性能指标要求，主要体现在：

（1）毫米波下需要更低K值的介质基板。要提高传输速率，介质基板的K值要

尽可能的小，微波低频段用基板材料的K值一般小于10.00，而K值小于5.00才能满足毫米波应用的低延时需求；

（2）毫米波应用需要更加低损的材料(tanδ<0.001)。顾名思义，在毫米波应用下损耗会增加，因此需要更加低损耗的材料；

（3）对材料力学性能和热学性能要求更高。毫米波下更加需要小型化、集成

化，基板材料在封装结构起到支撑作用，毫米波应用下高负荷的封装环境，需具备一定的抗弯强度和抗压强度；另外基板材料的热膨胀系数(CTE)和热导率需与半导体材料相匹配，提高功率和封装密度，保证封装组件的高效和高可靠运行。

射频模块用LTCC（低温烧结陶瓷）封装壳

典型的商用低K值LTCC材料

典型的商用LTCC基板材料，主要分为微晶玻璃、陶瓷/玻璃、低烧陶瓷3大类。

微晶玻璃体系是用适当组成的玻璃控制析晶成分来制成基板材料，其具有低介电损耗、良好高频性能等特点，但制备难度较大，对结晶相的选择和控制要求较高，以硅灰石相CaSiO₃和堇青石相Mg₂Al₄Si₅O₁₈体系最具代表性。

陶瓷/玻璃类常采用结晶Al₂O₃作为玻璃的填充相制备而成基板材料；填充相的加入可实现体系介电性能的灵活调节，改善陶瓷的力学和热学性能，该类基板材料相比微晶玻璃表现出更高的抗弯强度、更好的CTE匹配性。

低烧陶瓷类因为微结构中玻璃相含量极少甚至为零，该类体系可以在满足低温共烧的需求下最大程度地保留原始的微波介电性能。因此，低玻璃相或者无玻璃相的特点决定该体系良好的高频特性，虽然目前商用很少，仍是微波毫米波高频应用最有希望的候选体系。

目前商用低K值LTCC基板材料的K值大多在5.00~8.00，极少数具有更低K值(<5.00)，同时它们大多数基于微波低频应用开发，很少涉及到毫米波应用。因此，目前商用毫米波LTCC基板材料处于初步阶段，开发综合性能优异的超低K值 LTCC瓷粉仍然是当前的紧要任务。

1.玻璃/陶瓷LTCC体系

玻璃/陶瓷LTCC体系主要包括微晶玻璃和陶瓷/玻璃复合2类，作为商用LTCC的主流技术方案，玻璃/陶瓷LTCC体系已经具有很高的技术成熟度。

（1）微晶玻璃

有控制的析晶（结晶相的种类、析晶程度等）是制造微晶玻璃的基础，如结晶相的种类往往决定着该微晶玻璃体系的K值、TCF、CTE等一系列性能。

常见的结晶相有堇青石/印度石、硅灰石、莫来石、锂辉石和钙/钡长石，它们都属于硅酸盐基。常见的商用体系为MgO‒Al₂O₃‒SiO₂系（通常期望析出性能优良的堇青石相）、CaO‒B₂O₃‒SiO₂(CBS)系（以CaSiO₃为主要结晶相的技术路线相对成熟）。其它微晶玻璃体系像Li₂O‒Al₂O₃‒SiO₂系会析出锂霞石相，具有低K和负CTE 的特点；BaO‒Al₂O₃‒B₂O₃‒SiO₂系析出钡长石相或硅钡石相，而钡长石相的CTE值与Si相匹配。

因此面对毫米波应用不同场景的需求，微晶玻璃体系研究的关键是通过合理设计和控制获得恰当的结晶相。

玻璃组分和结晶相及其性能

（2）陶瓷/玻璃复合

一些低K、高Q×f的硅酸盐、铝酸盐和硼酸盐等通常被选作为陶瓷填充相，其中使用频率较高的陶瓷填充相为Al₂O₃、Mg₂SiO₄、SiO₂和AlN。

Al₂O₃具有高抗弯强度（约400 MPa）、超高的Q×f值(680000GHz)和成本优势；AlN

具有接近Al₂O₃的K值(8.80)和抗弯强度(300~ 400MPa)，有数倍于Al₂O₃的热导率，CTE接近Si和GaAs等半导体材料，缺点是造价昂贵；SiO₂是理想的低K基体材料，无定型SiO₂的性能更优（K值为3.83），SiO₂系陶瓷需要注意由晶型转变导致的微裂纹或开裂等系列问题。

玻璃相的选择通常从软化温度、流动性、对陶瓷颗粒的润湿性和微波介电性能等方面考虑，以便收获合适烧结区间、良好烧结行为和介电性能的陶瓷/玻璃复合材料。以 B₂O₃‒SiO₂基玻璃的使用最为常见，主要为一系列添加碱金属和碱土金属的硼硅玻璃。

常见的LTCC材料体系

2.无玻璃相 LTCC 体系

无玻璃相 LTCC 体系通常是以低熔点氧化物或者氟化物作为烧结助剂，甚至是一些本征低烧或超低温烧结的陶瓷材料体系。

氧化物助烧体系里硅酸盐、锗酸盐、锡酸盐、铝酸盐和镓酸盐等陶瓷家族普遍具有低K值(<10.00)和高Qxf值的特点，展现出高频基板应用的潜力。其中大多数硅酸盐的K值很低(<10)，部分岛状、架状硅酸盐的K值更是低于5，同时许多单相硅酸盐的TCF处于合适的区间，所以硅酸盐基陶瓷作为毫米波用 LTCC 基板的路线具备可行性。

氟化物是一类低烧结温度的微波介质陶瓷。相对氧化物，氟化物的助烧效率更高，少量掺加即可实现良好的降温效果。

而通常认为单相陶瓷的烧结温度小于950℃是本征低温烧结陶瓷，烧结温度低于 700℃是超低温烧结陶瓷，这时电极材料可以考虑Al电极。这些陶瓷体系往往来自本征烧结温度低的氧化物的盐类，氧化物包括MoO₃(熔点795℃)、TeO₂(733℃)、V₂O₅(690℃)、Bi₂O₃(817℃)、P₂O₅(340℃)和B₂O₃(450℃)。

总结

具有低K值和良好高频特性的LTCC材料是未来毫米波应用的基础性需求。当前商用低K值瓷粉正处于微波低频向毫米波过渡的关键时期，玻璃/陶瓷作为商用 LTCC的主流技术方案，在毫米波应用中仍有着不俗的表现；而包括低熔点氧化物/氟化物助烧、本征低烧和超低烧在内的陶瓷低K值LTCC体系，透露出更多的高频应用潜力，有希望成为下一代商用LTCC基板材料。其中硅酸盐体系具备廉价、高性能等综合优势，正逐渐在毫米波应用中崭露头角。

未来毫米波用LTCC材料的发展趋势：在高频下具有更低的K值 1.00~5.00，合适的tanδ<0.001，近零的TCF值，高抗弯强度≥200 MPa，良好的热导率≥3.0 W/(m·K)。

参考来源：

1.微波毫米波用低介电常数低温共烧陶瓷研究进展，王威、张玲、吴亚光、乔峰、史忠旗、刘文凤、周迪（硅酸盐学报）；

2.LTCC技术的现状和发展，杨邦朝、胡永达（电子元件与材料）；

3.LTCC封装技术研究现状与发展趋势，李建辉、丁小聪（电子与封装）。

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