【事業化するLTCC
事業化するLTCC基板
LTCC基板】
基板】
第150回 電子ｾﾗﾐｯｸ･ﾌﾟﾛｾｽ研究会
“ミリ波低損失LTCC基板”
基板”
“ミリ波低損失
多層配線
多層配線/
配線/高Q(*)
準3D構造
3D構造
単層
μ-ストリップ線路導体
小型
高集積
誘電体
低消費
電力
(2015.02.14)
(LTCC多層ﾓｼﾞｭｰﾙ基板
(LTCC多層ﾓｼﾞｭｰﾙ基板)
多層ﾓｼﾞｭｰﾙ基板)
○平井精密工業㈱ LTCC技術室、藤本正弘
㈱ヤスフクセラミックス 社長、安福良豊
名城大学大学院 理工学研究科 准教授、菅章紀
山村フォトニクス㈱ 技術本部、後藤浩之
産業技術総合研究所 主任研究員、廣瀬伸吾
(*)
LTCC グリーンシートと導体ﾍﾟｰｽﾄ
グリーンシートと導体ﾍﾟｰｽﾄを
ﾍﾟｰｽﾄを同時焼成
L,C 素子、フィルタ、アンテナ等を集積
素子、フィルタ、アンテナ等を集積一体化
集積一体化
Loss ∝ 1/Qt=1/Qd+1/Qc
n/2
Qd*f
= const. (n=1～2)
n/2
∴ 1/Qd ∝ f
or ∝ f (n=2)
1/Qc ∝ √f
平成２３年度採択案件
主たる研究場所
岐阜県
粉末冶金に係わる技術
主たる技術区分
仕様
ロードマップ
焼結
温度
Q値
1000000
1300
高Q・低誘電率高密度実装用
・低誘電率高密度実装用LTCC基板の開発
基板の開発
・低誘電率高密度実装用
1200
100000
認定企業 ：平井精密工業㈱、 ㈱ヤスフクセラミックス、丸ス釉薬合資会社
共同研究者： (独)産業技術総合研究所、名古屋工業大学、名城大学、東京工業大学、(一財)ファインセラミックスセンター
川下事業者：電子部品モジュールメーカー
事業管理者：（一財）ファインセラミックスセンター
1100
10000
研究開発成果の概要 低温同時焼成LTCC基板用に非ガラス系の高Q誘電体材料を開発しマイクロストリップ線路の伝送ロスは
1000
67GHで0.5dB/cmを達成。初めてミリ波帯でLTCC多層基板を使用した集積モジュール、アンテナ等が可能となった。
従来品
新開発
900
新規低損失材料で開発した
自動車衝突防止ミリ波アンナ
1000
焼結温度
Q値
800
アルミナ
母材
（損失小）
ガラス
（損失大）
焼結助剤
従来品
ミリ波帯に於ける損失大
H24年度
高Q LTCC用
用
67
ミリ波帯でも低損失
材料開発
非ガラス、高Q・
低比誘電率材料
レーダー探知距離向上
車だけでなく人も探知/ADAS
車だけでなく人も探知
○本研究開発の成果による効果
従来のLTCC基板材料はミリ波帯では伝送損失が過大で使用不能であった。本事業で損失要因となるガラスを排した高Q誘電体材料を開発、67GHzに於ける伝
送損失が世界最小で目標値0.5dB/cmを達成し、開発したLTCC基板で自動車衝突防止ミリ波レーダー用スロットアンテナのサンプルを試作しデモを行った。開発
した低損失LTCC基板の多層構造を利用して、波長が短いミリ波帯ビームフォーミング等複雑となるアンテナ、送･受信モジュール、CMOSロジック等々の集積小型
低価格化が可能となり、自動運転システム(ADAS)、屋内ミリ波通信IEEE802.11ad, WiGig、センサー、バックホール機器等のミリ波の普及に資する事が期待される。
500
100
H23年度
新開発
高Q低Er
珪酸塩系母材：
フォルステライト
ウイルマイト バインダー
・・・
(1) 低抵抗導体材料とセラミックス材料との同時焼結(約900℃以下)
(2) ミリ波帯におけるQ値 ≒1,000
(3) 比誘電率(εr)
=4～7
(4) 周波数温度係数(TCf) ≦数10ppm/K
(5) µ-ｽﾄﾘｯﾌﾟ線路伝送損失 ≦0.5dB/cm @67GHz
(6) 基板収縮バラツキ
≦±0.5%(XY方向)、±2%(厚みZ方向)
(7) 基板の反り
≦10µm @寸法10mm
(8) 基板表面粗度
≦0.2µmRa
(9) 抗折強度
≧200MPa
(10) 導体パタン解像度(L/S)≦60µm/60µm
ｱﾝﾃﾅ/回路設計
ｱﾝﾃﾅ 回路設計
H25年度
ｸﾞﾘｰﾝｼｰﾄ
成形技術
LTCC基板
基板
加工・焼成
水系/有機系ﾊﾞｲﾝﾀﾞ
ﾄﾞｸﾀｰﾌﾞﾚｰﾄﾞ法
焼結ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
マイクロ波焼成
ミリ波帯ｽﾛｯﾄｱﾝﾃﾅ(東京工業大学)
ミリ波集積ﾓｼﾞｭｰﾙ(Courtesy of :
Nanyang Technological Univ.)
低温焼結
用助剤
焼結時間短縮
導体Q向上
焼結ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果(JFCC)
誘電体材料
グリーンシート成形
①52B48L：HQW-8wt%52B48L(900℃,
1h): εr = 6.5, Q・f = 29225 GHz (@16.7 GHz)
52B48L
・利点： HQWの低温焼成に有効
・問題点：シート成形用スラリーで凝集が生じ、スラリーの安定性に欠ける。Ag拡散：大
②52B48LG：HQW-4wt%52B48LG(900℃,
1h): εr = 6.5, Q・f = 33545 GHz (@16.7GHz)
52B48LG
・利点：HQWの低温焼成に有効。スラリーの安定性改善
・問題点：フリットの量産が困難である。 Ag拡散：小
③LB：HQW-4wt%LB(830℃,
30min): εr = 5.3, Q・f = 12597 GHz (@11.0GHz )
LB
・利点：HQWの低温焼成に有効。
・問題点：スラリーが不安定→解決済, Ag拡散：大
④LBG：（補完研究にて実施中）
Ag拡散抑制に向けた取り組み。
LBG
セラミックス
ﾊﾞｲﾝﾀﾞｰ
スラリー
成膜(Dr. Blade)
グリーン
シート
混合
溶剤
ｶﾞﾗｽ助剤
助剤
大気面x10
大気面x10
大気面x10
ﾙﾐﾗｰ面x10
ﾙﾐﾗｰ面x10
ﾙﾐﾗｰ面x10
(1次試作)
(2次試作)
(3次試作)
【技術目標の達成状況】
技術目標の達成状況】
技術目標
達成状況
△
(1)低抵抗導体との同時焼結
（課題:Ag拡散）
(2) 比誘電率(εr) 4 – 7
○
(3) Q値 > 500
○
Li2O-B2O3系状態図 (横軸wt%)
*分散剤調整
H26年度焼結ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
ﾌｫｰﾗﾑ中間報告会
(2014年10月15日)
焼結シミュレーョン
基板焼成+ﾐﾘ波帯特性評価
基板焼成 ﾐﾘ波帯特性評価
・焼結シミュレーションで焼結挙動、誘電体材料開発後は導体ﾍﾟｰｽﾄとの同時焼成による反りの
挙動をFEMシミュレーションで予測を行い、新規誘電体材料の多大な開発期間を短縮する。
材料
調整
焼成
評価
設計
穴開け
積層体
焼結
【LTCC
LTCC基板開発】
LTCC
MCMC-sim.
sim.
FEMFEM-sim.
sim.
表層
パターン(Au)
焼結Simulation
Simulation
液相が発現する780～820℃にかけ大きく
粒成長。最終的に初期粒径の約2.4倍に。
助剤の融点は840～850℃だが780～820℃で急激に緻密化。
900
100
添加量：少
添加量：多
添加なし
添加量：少＋Ag
内層
GND(Au)
800
(基板層構成)
700
算術平均粒径
算術平均粒径, nm
80
70
60
600
500
400
50
300
焼成温度,
焼成温度 ℃
1100
1080
1060
1040
980
1020
960
1000
940
920
900
880
860
840
820
800
780
760
740
720
700
680
660
40
640
相対密度
相対密度, %
積層
試作・焼成
【誘電体材料開発】
90
印刷
660
700
740
780
820
焼成温度,
焼成温度 ℃
860
900
940
(LTCCテストパターン基板
テストパターン基板)
テストパターン基板
メッキ
MSL Edge-coupled BPF
【Configuration of the BPF】
LTCC mm-wave BPF
Number of layers: 3
Thickness of the layer
: 0.0685mm
Ttotal thickness of the BPF: 0.206mm
Conductor paste : gold, 5umt
【Design target】
Center frequency： 60GHz
Bandwidth(-3dB)： 9GHz
Pass bandwidth ： 7GHz
No. of resonators： 3
Return loss
： 20dB
【Characteristics of the LTCC material】
HIRAI
New LTCC
Freq.
Permittivity, Er : 6.1 @60GHz
Loss factor, tanδ : 0.0013 @60GHz
ADS models
67GHz
MSub
[Comparison table of commercial LTCC substrates]
Model
GL330
KYC
Supplier
GCS74
Yamamura
C630
NTK
MLS62 Murata
NEG Murata
6.9
10GHz
0.006
10GHz
9.1
15GHz
0.0012
15GHz
280
280
tanδ
0.0005
@2GHz
7.4
1MHz
0.003
1MHz
Flexual
str’th[MPa]
400
350
7.7
Er
@2GHz
Yamamura
GCS71
NOK
NTK
9K7
DuPont
A6
Ferro
Yamamura
GCS50
7.7
1MHz
0.004
6GHz
6.6
59GHz
0.013
59GHz
6.0
40GHz
0.0022
40GHz
7.1
10GHz
0.001
10GHz
5.9
60GHz
0.002
60GHz
5.1
74GHz
0.016
60GHz
270
250
250
230
160
120
MSUB
MSub1
H= 0.206 mm
Er= 6.1
Cond= 1.7E+ 7
T= 7 um
TanD= 0.0013
Rough= 0.3 um
Term
Term1
Num= 1
Z= 50 Ohm MCFIL
CLin1
Subst= "MSub1"
W= W1 mm
S= S1 mm
L= L1 mm
Var
Eqn
MCFIL
CLin2
Subst= "MSub1"
W= W2 mm
S= S2 mm
L= L2 mm
MCFIL
CLin3
Subst= "MSub1"
W= W2 mm
S= S2 mm
L= L2 mm
MCFIL
CLin4
Subst= "MSub1"
W= W1 mm
S= S1 mm
L= L1 mm
Term
Term2
Num= 2
Z= 50 Ohm
基板焼成+ﾐﾘ波帯特性評価検証
基板焼成 ﾐﾘ波帯特性評価検証 (2)
Simulation result w. ADS
0
ポスト壁導波路給電平行平板スロットアレーアンテナ
(30x30x0.64mmt)
・指向性利得も約26 dBiと計算値に近い値が得られた。
・63～72GHzで0.045～0.060dB/mmの低損失性が確認できた。
・基板厚にばらつきがみられ、動作周波数が約81GHzにシフト。
-5
S11 and S21, dB
-10
-15
ミリ波帯BPF
ミリ波帯BPF
-20
作製した基板は、誘電体材料の収縮率バラツキで基板厚は約20um
薄くなり、共振器長が10～20um短かかった。その為、中心周波数が
約3GHz高周波側へシフトしたが解析結果に近い特性が得られた。
内層抵抗
-25
電極：
Au (10µmt)
抵抗体：
RuO2 (10µm)
サイズ： □0.5, 0.4, 0.3, 0.2mm
S11(HQW66)
New LTCC
BPF
S21(HQW66)
Conv’tional
S11(GCS71)
LTCC BPF
S21(GCS71)
-30
-35
50
52
54
56
58
60
62
Frequency, GHz
64
66
68
70
層構成図
VAR
VAR1
W1=0.21 { t}
W2=0.45 { t}
L1=0.51 { t}
L2=0.47 { t}
S1=0.06 { t}
S2=0.16 { t}
Characteristics
New mm-wave LTCC
Current LTCC
Permittivity(εr)
6.1
6.6
Loss factor(tanδ)
0.0012 @ 60GHz
0.013@ 59GHz
MSL trans. loss, dB/cm
0.45 @ 67GHz
2.1 @ 67GHz
Density, g/cm3
3.88
2.85
Flexual strength, MPa
100
250
Th. conductivity,W/mK
4.7
2.4
Th. Expans’n r., ppm/deg.C
2.9
5.2
TCf, ppm/deg.C
-25
-
Accuracy of embed’d R, Ω
60 20
60±20
70 21
70±21
X-Y shrinkage, %
19.4
13.1±0.3
Z shrinkage, %
approx. 23
30～32
Effective area, mm
□50～100
□60～300
･中小機構殿J-GoodTech: https://jgoodtech.smrj.go.jp/corporations/230?locale=ja
･CEATEC News: http://www.ceatec.com/news/ja-webmagazine/ja-02/j011
・ﾌﾟﾚｽﾘﾘｰｽ: http://www.ceatec.com/ja/news/exhibitor_detail.html?id=36
・見所: http://www.ceatec.com/ja/exhibitors/detail.html?id=3755
・YouTube:
https://www.youtube.com/watch?v=W3MyIevnxsQ&list=UUqRDAW44Ow7J_ux8ddjaMVA&index=20
･中部経済産業局殿サポナビマッチナビ:
http://www.chubu.meti.go.jp/interface/php/chubu/kikai/sapoin/index.php/program/detail/1105
半田実装性
(850℃-10m.)
部品実装用金メッキ
(860℃-10m.)
誘電体材料
マイクロスコープ(x100)
RYK-1
RYK-2
*4枚
RYK-2
導体材料
Agペースト
マスク乳剤厚
5µm
GND導体面
表層パタン面より4層分下層
ラミネート
90℃、450kgf/cm2 WIP
焼成ピーク温度・保持時間
860℃-10m. @ 5℃/min. 脱バ500℃
【メッキ前】
メッキ前】
【ﾌﾗｯｼｭ金ﾒｯｷ後】
ﾌﾗｯｼｭ金ﾒｯｷ後】
(銀ペースト
銀ペースト)
銀ペースト
(Ni2umt=>Au0.05umt)
RYK-1
*6枚
基板層構成図
メッキ浴
中性浴
Ni厚み
2µm
Au厚み
0.5µm
マイクロスコープ(x175)
ワイヤボンディング性
ボンディング性に大きな問題は
無いが、数ヶ所ボンド不良発生。
ﾊﾟﾀｰﾝ外析
ﾊﾟﾀｰﾝ外析 改良試験継続中
(860℃-10m.)
マイクロスコープ(x150)
ﾘﾌﾛｰｿﾙﾀﾞｰ、ﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟﾎﾞﾝﾃﾞｲﾝｸﾞ迄可能
弱ｱﾙｶﾘ性金ﾒｯｷ浴の金ﾒｯ
ｷでは、素材は白色のまま
基板表面の銀拡散(825℃
(825℃)
無電解金めっき試験
銀と思われる物が表面に析出
銀焼成ペーストセラミック素材
フラッシュ金めっき
無電解金めっき
フラッシュ金めっきを行った素材に対して、
無電解金めっきを行った結果、金めっき
されていない領域に金めっきが付着した。
今回のめっき前後において、変色及び内
部拡散が、パターン以外の素材部分であ
ることがわかった。
茶色の部分には多量の銀が存在
×1000
弱アルカリ無電解
金めっき 60 min
変色
白色の部分には銀は観察されず
×2000
基板表面の斑点模様を拡大観察
・斑点の茶色部には銀が多量に存在
・白色部には銀なし
めっき実
施領域
×2000
表層
パターン(Ag)
内層
GND
(Ag)
銀拡散抑制対策
基板表面の銀拡散 (2)
(銀ペースト粒子の誘電体への拡散)
①拡散層が生成しにくい焼成プロファイルに変える
改良PF
600℃
℃(改良
改良PF)
改良
②拡散する銀を閉じ込め用
の遮蔽膜(OCG)を設ける
従来PF
600℃
℃(従来
従来PF)
従来
③助剤のガラスフリット化 (溶融温度
溶融温度↑)
溶融温度
④母材粒径↑助剤粒径
母材粒子間隙間を開け助剤が流動して遍く濡らし易くする)
④母材粒径 助剤粒径↓
助剤粒径 (母材粒子間隙間を開け助剤が流動して遍く濡らし易くする
母材粒子間隙間を開け助剤が流動して遍く濡らし易くする
焼成過程各段階における基板断面の様子
内層GND周辺に茶色の拡散層が生成し、温度上昇と共に基材中に広がる
⑤母材仮焼温度↑
不純物生成抑制)
⑤母材仮焼温度 (不純物生成抑制
不純物生成抑制
改良焼成温度ﾌﾟﾛﾌｧｲﾙ基板焼成結果 (2)
改良焼成温度ﾌﾟﾛﾌｧｲﾙ基板焼成結果
誘電体材料
RYK-1
ｶﾗｰ3Dﾚｰｻﾞ顕微鏡(x2,000)
導体材料
Agペースト(但し、(E)はｾﾗﾐｯｸｺｰﾄAgﾍﾟｰｽﾄ使用)
マスク乳剤厚
5µm
GND導体面
表層パタン面より4層分下層
ラミネート
①
90℃、450kgf/cm2 WIP
表
面
① 860℃-10min. @ 5℃/min. 脱バ600℃
焼成ピーク温度・保持時間
(E)
②
② 860℃-10min. @ 5℃/min. 脱バ500℃
③ 860℃-10min. @ 10℃/min. 脱バ500℃
(E) 860℃-10min. @5℃/min.脱バ500℃
外観上、大きな問題はみられない。③は基板上部が白っぽく
焼結不足で表面の色目が薄い。伝送特性は②が最も良。
Ag粒子が存在。
基板表裏面のRaは0.9µm前後で斑点模様、微小Ag粒子の析出は見られない。
③はﾚｯﾄﾞﾁｪｯｸで染まり、緻密化が不十分と思われる。
①
(E)
②
断
面
①
②
③
①
②
③
何れも内層ベタパタン周辺に微小Ag粒子が存在している。②の導体が厚い。
SEM/JSM-6510A (x15k)
SEM観察結果
観察結果
EDX分析
分析
(HQW-6wt%LBG, 860℃10m.)
(HQW-4wt%LB, 900℃0m.)
微小Ag粒子が少ない。
SEM/JSM-6510A
SEM/JSM-6510A (x20k)
母材粒子の間が埋まっていない様に見える。
更に、細長い粒子の存在が確認された。
微小な母材粒子と、助剤と推定される大きな粒子が分かれて存在している。
微小な母材粒子は助剤に濡れていない様に見える。
SEM観察結果
観察結果 ( 2)
粒子径
(母材
母材)
母材
(助剤
助剤)
助剤
(母材
母材)
母材
35
100
90
30
80
25
70
カウント
(助剤
助剤)
助剤
カウント
60
50
20
15
40
10
30
20
5
10
0
0
0-0.1 0.1-0.2 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7 0.7-0.8 0.8-0.9 0.9-1.0 1.0-1.1
粒子径,
粒子径 µm
0-1
1-2
2-3
3-4
平均径=0.30µm
平均径
4-5
5-6
6-7
粒子径, µm
粒子径
7-8
8-9
9-10 10-11 11-12
平均径=4.2µm
平均径
(3視野234ポイント)
(2視野134ポイント)
1um
10um
EDX分析
分析 (2)
LBペレット (720℃0m.)
SEM観察結果
観察結果 ( 3)
SEM/JSM-6510A (x1k)
SEM/JSM-6510A (x500)
LBペレット (800℃0m.)
凝集体ごとに溶融している様に見える。
SEM/JSM-6510A (x1k)
50um
マッピングを行うと、成分元素毎の分布に偏りがある。
10um
【研究開発事業終了後の事業化シナリオ】
研究開発事業終了後の事業化シナリオ】
(H.28)
2016
(H.28)
2016
1
!!! World Lowest Loss !!!
== Multi-layered LTCC ==
Advantages
・Improve the Loss of Feeder, Combiner, Divider
Shrink Antenna Dim.
Achieve Longer Range
Consume Lower Power
・Solve the current Problem of Complex Feeder config.
Avoid Alignment Problems
・Realize the Integration of Antenna, Feeder& Module
レドーム
ミリ波モジュール
アレイアンテナ
ECUアレイアンテナ、ミリ波
ミリ波レーダーユニット
纏め
経産省、平成23-25年度戦略的基盤技術高度化支援事業で ”高Q･低誘電率高密度実装
用LTCC基板” を開発した。
試作した基板のマイクロストリップラインロスは、67GHzで0.45dB/cmの世界最小値を達成
し、産業用途(金ペースト)及び、半田･フリップチップボンディング実装の民生用途(銀ペース
ト+フラッシュ金メッキ)に、ユーザー評価用サンプルの提供を開始した。
現在、銀ペースト拡散、粒径管理、厚金メッキ(半導体ボンディング用)等の問題解決に向け
補完研究を行っているが、取組み中の諸課題の紹介/提起を行った。
謝辞
経産省、平成23-25年度戦略的基盤技術高度化支援事業 ”高Q･低誘電率高密度実装用
LTCC基板” の開発に当りまして、東京工業大学 廣川准教授、ファインセラミックスセンター
野村主任技師を始め同事業共同研究参画機関、アドバイザーの方々には期間中多大な
御協力を頂きました事、更に終了後の補完研究期間に継続して御支援･御助言を賜りまし
た㈱ノリタケCo., Ltd.富田参事、㈱高純度化学研究所望月氏に心から謝意を申し上げます。
モジュール、ECUを
を
モジュール、
LTCCで１ブロック化
で１ブロック化
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