高周波PCB技術 - ltcc材質とは

1.ltcc定義

ltcc材質とはltcc技術（低温共焼セラミックス）における基板としての材料の総称であり、ltcc材質の誘電率は広範囲に変動し、回路設計の柔軟性を高めることができる。現在、ltcc材質は日本、米国などの先進国で産業化、系列化、材料設計が可能な段階に入っている。

2.ltcc性能

ltcc製品の性能の良し悪しは使用する材料の性能に完全に依存する。ltccセラミック材料は主に、ltcc基板材料、パッケージ材料、マイクロ波デバイス材料を含む。誘電率はltcc材料の最も重要な性能である。異なる動作周波数に適合するためには、誘電率を2〜20000の範囲でシリーズ化する必要がある。例えば比誘電率3.8の基板は高速デジタル回路の設計に適している、比誘電率6〜80の基板は、高周波回路の設計を良好に行うことができ、比誘電率が20000までの基板に対して、高容量デバイスを多層構造に集積することができる。高周波化はデジタル3 C製品の発展比然の傾向であり、低誘電率（ε≤10）のLTCC材料を使用して高周波と高速の要件を満たすことは、LTCC材料が高周波用途にどのように適応するかという課題である。FerroA 6とDuPontの901系の誘電率は5.2～5.9、ESL社の4110-70 Cは4.3～4.7、NEC社のLTCC基板の誘電率は3.9程度で、誘電率が2.5と低いものが開発されている。

共振器の大きさは誘電率の平方根に反比例するため、誘電体材料としては素子サイズを小さくするために誘電率を大きくする必要がある。現在、超低損失の限界または超高Q値、比誘電率（>100）乃至>150の誘電体材料は研究のホットスポットである。大きな電気容量を必要とする回路は、高誘電率の材料を用いてもよく、ltcc誘電体セラミック基板材料層に大きな誘電率を有する誘電体材料層を挟み込んでもよく、その誘電率は20〜100の間で選択することができる。誘電損失も無線周波数デバイス設計時の重要な考慮パラメータであり、それはデバイスの損失に直接関連しており、理論的には小さいほど良いことが望ましい。現在、無線周波数デバイス用に製造されているltcc材料は主にDuPont（951、943）、Ferro（A 6 M、A 6 S）、Heraeus（CT 700、CT 800、CT 2000）、Electro-science Laboratoriesである。彼らは誘電率がシリーズ化されたLTCC磁器ベルトを提供するだけでなく、それに合わせた配線材料も提供することができる。

図１　ltcc

ltcc材料の研究におけるもう一つのホットスポット問題は、共焼材料の整合性である。異なる誘電体層（容量、抵抗、インダクタンス、導体など）を共焼する場合、異なる界面間の反応と界面拡散を制御し、各誘電体層の共焼整合性を良好にし、界面層間は緻密化速度、焼結収縮率及び熱膨張速度などの面でできるだけ一致させ、層割れ、反り、亀裂などの欠陥の発生を減少させる。

一般に、ltcc技術を利用したセラミック材料の収縮率は約15〜20%程度である。両者の焼結が一致しないか互換性がないと、焼結後に界面層が分裂する現象が現れる、2つの材料が高温反応を起こすと、その生成した反応層はまたそれぞれの材料の特性に影響を与える。異なる誘電率と組成の2つの材料の共焼整合性、および相互間の反応活性をどのように減少させるかなどが研究の重点である。ltccが高性能システムに応用される場合、収縮挙動の厳格な制御の鍵はLTCC共焼システムの焼結収縮率の制御にあり、ltcc共焼システムのX−Y方向の収縮は一般的に12%〜16%である。非圧接焼結または助圧接焼結技術により、X−Y方向の収縮率ゼロの材料[17、18]焼結が得られると、ltcc共焼成層の上部と下部に収縮率制御層として打錠に配置される。制御層と多層との間の一定の接着作用と制御層の厳格な収縮率によって、ltcc構造のX、Y方向の収縮挙動を制限した。基板のX−Y方向の収縮損失を補うために、基板はZ方向に収縮補償される。その結果、ltcc構造のX、Y方向の寸法変化は0.1%程度であり、焼結後の配線及び孔の位置と精度を保証し、デバイスの品質を保証した。