同時焼成セラミック

同時焼成セラミックデバイスは、セラミック支持構造全体と導電性、抵抗性、誘電性材料が同時に窯で焼成されるモノリシックなセラミックマイクロエレクトロニクスデバイスです。代表的なデバイスには、コンデンサ、インダクタ、抵抗器、トランス、ハイブリッド回路などがあります。この技術は、軍事用電子機器、MEMS 、マイクロプロセッサ、RFアプリケーションなどのエレクトロニクス業界における電子部品の堅牢な組み立てとパッケージング、多層パッケージングにも使用されています。

共焼成セラミックデバイスは、多層アプローチを使用して製造されます。出発材料は、ポリマーバインダーと混合されたセラミック粒子からなる複合グリーンテープです。テープは柔軟性があり、切断、フライス加工、打ち抜き、エンボス加工などの機械加工が可能です。金属構造を層に追加することもできますが、通常は充填とスクリーン印刷を使用します。個々のテープは、デバイスが窯で焼成される前に積層手順で結合され、テープのポリマー部分が燃焼し、セラミック粒子が焼結して、硬くて高密度のセラミックコンポーネントが形成されます。^[1]

共焼成は低温（LTCC）と高温（HTCC）の用途に分けられます。低温とは焼結温度が1,000℃（1,830℉）未満であることを意味し、高温とは1,600℃（2,910℉）前後であることを意味します。^[2] LTCC材料のより低い焼結温度は、セラミックにガラス相を追加することで可能になり、その融点が下がります。^[1]

この技術は、ガラスセラミックシートをベースとした多層アプローチにより、通常は厚膜技術で製造される受動電気部品と導体ラインをLTCC本体に統合する可能性を提供します。^{[3]これは、層が連続的に処理され、新しい層が前の層の上に製造される}半導体デバイスの製造とは異なります。

共焼成セラミックは、より堅牢なコンデンサを製造するために、1950年代後半から1960年代初頭に初めて開発されました。^[4] この技術は、1960年代にプリント回路基板に似た多層構造を含むように拡張されました。^[5]

LTCC技術は、 RFおよび高周波アプリケーションに特に有益です。RFおよびワイヤレスアプリケーションでは、LTCC技術は、抵抗器、インダクタ、コンデンサ、およびアクティブコンポーネントを同じパッケージに含めることができる多層ハイブリッド集積回路の製造にも使用されます。詳細には、これらのアプリケーションには、モバイル通信デバイス（0.8〜2GHz）、Bluetoothなどのワイヤレスローカルネットワーク（2.4GHz）から車載レーダー（50〜140GHz、76GHz）が含まれます。^{[3] LTCCハイブリッドは、} ICと比較して初期（「非反復」）コストが低いため、小規模統合デバイスにとって ASICの魅力的な代替品となります。

インダクタは、フェライトセラミック テープに導体巻線を印刷して形成されます。必要なインダクタンスと電流容量に応じて、各層に部分巻線から複数の巻線を印刷できます。状況によっては、非フェライト セラミックが使用されることもあります。これは、コンデンサ、インダクタ、抵抗器がすべて存在するハイブリッド回路や、フェライトの ヒステリシスループが問題となる高動作周波数アプリケーションで最も一般的です。

抵抗器は、埋め込み部品として、または焼成後に最上層に追加することができます。スクリーン印刷を使用して、LTCC 表面に抵抗器ペーストを印刷し、回路に必要な抵抗を生成します。焼成すると、これらの抵抗器は設計値 (±25%) からずれるため、最終的な許容値を満たすように調整する必要があります。レーザー トリミングを使用すると、さまざまなカット フォームでこれらの抵抗器を、必要な正確な抵抗値 (±1%) にすることができます。この手順により、追加の個別抵抗器の必要性が減り、プリント回路基板をさらに小型化できます。

LTCCト​​ランスはLTCCインダクタに似ていますが、トランスには2つ以上の巻線が含まれています。巻線間の結合を改善するために、トランスには各層の巻線上に印刷された低透磁率の誘電体材料が含まれています。LTCCト​​ランスのモノリシックな性質により、従来の巻線トランスよりも高さが低くなります。また、一体型のコアと巻線により、これらのトランスは機械的ストレスの高い環境でも断線しにくくなります。^[6]

厚膜受動部品と3D機械構造を1つのモジュール内に統合することで、加速度計などの高度な3D LTCCセンサーの製造が可能になりました。^[7]

さまざまな受動厚膜コンポーネント、センサー、3D 機械構造を製造できる可能性により、多層 LTCC マイクロシステムの製造が可能になりました。^{[引用が必要]}

HTCC技術を使用することで、1000℃の動作温度などの過酷な環境に対応するマイクロシステムが実現しました。^[8]

LTCC基板は、小型デバイスや堅牢な基板の実現に最も効果的に使用できます。LTCC技術により、高誘電率や低誘電損失などの異なる機能を持つ個々の層を単一の多層ラミネートパッケージに組み合わせることができ、それによって高い統合レベルと相互接続レベルを組み合わせた多機能性を実現できます。また、厚膜技術と組み合わせてコンデンサ、抵抗器、インダクタなどの受動電子部品を1つのデバイスに統合できる3次元の堅牢な構造を製造することもできます。^[9]

低温同時焼成技術は、高温同時焼成を含む他のパッケージング技術と比較して、次のような利点があります。セラミックは、材料の特殊な組成により、通常 1,000 °C 未満で焼成されます。これにより、導電性の高い材料 (銀、銅、金) との同時焼成が可能になります。LTCC は、抵抗器、コンデンサ、インダクタなどの受動素子をセラミック パッケージに組み込むことができるため、完成したモジュールのサイズを最小限に抑えることができます。

HTCCコンポーネントは、一般的に、白金、タングステン、モリブデンマンガンで金属化されたアルミナまたはジルコニアの多層構造で構成されています。パッケージング技術におけるHTCCの利点には、機械的剛性と気密性があり、どちらも高信頼性と環境ストレスの大きいアプリケーションで重要です。もう1つの利点は、HTCCの放熱能力です。これにより、HTCCはマイクロプロセッサパッケージングの選択肢となり、特に高性能プロセッサに適しています。^[10]

LTCC と比較すると、HTCC は導電層の抵抗が高くなっています。

• テープキャスト
• レーザートリミング

• LTCC製造工程のアニメーション