第8讲 LTCC技术 II

nullnull第7讲LTCC技术基本理论和应用 Low Temperature Co-fired Ceramic 1.1 MCM技术简介[1] 1.2 LTCC技术简介[2] 1.2.1 LTCC 技术特点 1.2.2 LTCC 中使用的基本材料 1.2.3 LTCC 的生产工艺流程 1.2.4 LTCC 技术的发展趋势 1.2.5 LTCC 技术存在的不足和解决途径 1.3 国内外研究现状[3]null第2章 LTCC 无源单元电路结构 2.1 LTCC 波导-微带过渡结构及设计方法 2.1.1传统波导-脊波导-微带过渡结构 2.1.2传统波导-微带探针过渡结构 2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构 2.2基于LTCC技术的带通滤波器设计 2.3 信号屏蔽和层间互连[1] 2.3.1 信号屏蔽 2.3.2 层间互连 2.4 电容、电感、电阻 3.参考文献null图1-1 MCM基本结构示意图 与印刷电路相比，MCM体积优势非常明显，相对于芯片制造来讲，MCM工艺要求较低，成本适中，是目前系统组装的主要发展方向之一。null2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构 传统探针耦合设计中，探针的输入阻抗是探针宽度、长度、终端短路面距离和频率的函数，可优化得到相应的实际参数，进而得到一个性能稳定的结构。通过调节约束腔的尺寸来抑制高次模，并通过在探针后面串接一定长度的高阻线来实现与50欧姆微带线的匹配。传统波导-微带探针过渡结构null2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构 在LTCC工艺中，外加终端短路面存在以下几方面问题： 1.探针过渡部分的基板层数往往只需2、3层，而工艺要求至少要5层基板，否则探针在烧结时极易折断。 2.外加短路面要占用基板背面的空间，使小型化难度增加。基于上述考虑，本文提出一种新型的探针过渡结构，利用层间埋置的金属地作为短路面，有效地解决了上述问题。null2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构 本文提出的LTCC微带探针过渡结构应用于W波段LTCC收发模块，共使用3层Dupont943P5基板。图2-3是三维立体模型，图2-4(b)是其对称面截面示意图。电磁波由WR-10(2.54mm×1.27mm)波导口输入，通过微带探针耦合至50欧姆微带线。该结构中使用金属填充通孔模拟金属波导壁，第三层金属层接地，作为短路面代替传统探针耦合结构中的空气短路面；通过金属填充通孔连接中间金属层和表层金属层，以保证良好接地。null2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构 图2 3 LTCC波导-微带探针过渡结构三维立体模型 (a) (b) 图2 4 LTCC波导-微带探针过渡结构(a)表层金属层，第一层介质基板及金属填充通孔；第二层金属层和金属填充通孔(b)A-A’对称面截面示意图null2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构 LTCC波导-微带探针过渡的实物如下图： 图2-5 LTCC波导-微带探针过渡基板null2.2基于LTCC技术的带通滤波器设计 LTCC带通滤波器的种类很多，譬如 以构建电容、电感元件为主要设计思路的集总参数带通滤波器， 以谐振单元多层分布为特点的耦合式滤波器， 以基片集成波导加载电感销钉为设计思路的SIW滤波器和 基于LTCC技术的半模、多模滤波器等等。 这些滤波器虽然结构各异，但在组件应用中都必须使用栅状的金属填充。null2.2基于LTCC技术的带通滤波器设计 图2-6所示为三阶埋置端耦合带通滤波器三维仿真模型、仿真和测试结果。该滤波器馈线位于基板表面，第一、三个谐振器印刷在第2层介质表面，第二个谐振器位印刷在第4层介质表面，共占用4层LTCC介质基板。这种滤波器设计方法简单，其埋置结构能在一定程度上降低辐射损耗，滤波器两侧的金属填充通孔，可以有效屏蔽信号，改善系统的电磁兼容性能。null2.2基于LTCC技术的带通滤波器设计 比较仿真和测试结果发现，该滤波器存在明显的通带偏移和带宽缩小，并且高端传输零点向低端靠近。 (b)仿真和测试结果 图2-7 三阶埋置端耦合带通滤波器 这主要由以下两方面原因引起： 1.烧结时，金属谐振器收缩，导致通带向高端偏移 2.金属谐振器的层间对位偏差较大，谐振器间耦合减小，导致带宽变窄，并引起传输零点位置改变。 null2.2基于LTCC技术的带通滤波器设计 图2-7 三阶埋置端耦合带通滤波器null2.3 信号屏蔽和层间互连[1] 2.3.1 信号屏蔽 在LTCC组件设计中，信号集中在基板内部传输，对系统的电磁兼容特性提出了比较严峻的考验，这主要由从两方面考虑：1.同层信号串扰 2.层间信号串扰。 (a) (b) 图2-8 信号屏蔽方式(a)同层信号屏蔽(b)层间信号屏蔽null2.3 信号屏蔽和层间互连[1] 2.3.1 信号屏蔽 目前，LTCC技术中广泛采用图2-8的方式来实现信号隔离。同层信号串扰，采用在信号线两侧布置金属填充通孔阵列来予以屏蔽；层间信号串扰，采用埋置在信号线上下层的实心金属地或者网格状金属地隔离。 (a) (b) 图2-8 信号屏蔽方式(a)同层信号屏蔽(b)层间信号屏蔽null2.3 信号屏蔽和层间互连[1] 2.3.1 信号屏蔽 在整版电磁兼容特性的设计中有几点须特别注意： 1.直流信号要进行良好滤波，从源头遏制信号串扰。 2.相邻不同层直流信号线应尽量采用交叉走线，并使用金属网格地隔开；不同层射频信号线应用实心金属地隔开，并尽量避免平行走线。 3.高功率器件尽量远离敏感器件和直流馈电主线，最好使用多排屏蔽通孔。交错屏蔽通孔阵列的效果要优于平行通孔阵列。 4.屏蔽通孔距离信号线的距离应进行仿真优化，特别注意不能影响毫米波信号的传输。经仿真验证，在Dupont943P5 LTCC基板中，采用双排0.1mm直径、孔间距0.25mm的交错金属填充通孔阵列，即可对W波段及其以下频段的信号给予有效约束。null2.3.2 层间互连 LTCC电路的最大特点在于其多层布线结构，在组件中信号的层间穿梭是无可避免的。尤其在毫米波频段，势必要求设计一系列损耗低、回波性能优良，并且便于在各种材料中移植的层间互连结构。null2.3.2 层间互连 图2-9即为器件下嵌式安装的示意图，裸芯片通过金丝键合的方式与腔底部的微带线连接，微带线则通过同层过渡结构与埋置带状线连接。这种结构可以将芯片进行三维屏蔽，对复杂系统的电磁兼容特性有很大的改善，但也存在调试困难的缺点。 图2-9 下嵌式安装方式null2.3.2 层间互连 图2-10(a)所示为基于Dupont943P5生瓷材料的微带线-带状线同层过渡结构：50欧姆微带线的电磁场经渐变约束段、约束金属栅渐变至带状线场结构，屏蔽金属栅用于防止电磁场的侧向泄露。 (a) 图2-10 微带线-带状线同层过渡(a)三维模型(b)仿真结果null2.3.2 层间互连 其仿真结果如图2-10(b)所示，在0-40GHz频率范围内插入损耗小于-0.5，回波损耗小于-20dB。 (b) 图2 10 微带线-带状线同层过渡(a)三维模型(b)仿真结果null2.3.2 层间互连 图2-11为背靠背过渡结构测试结果，可以看到仅在0-4GHz和8-12GHz性能较好，其余各处插损和回波性能均较差，测试结果与仿真结果差异较大。 图2-11 微带线-带状线同层过渡测试结果null2.3.2 层间互连 图2-12为背靠背结构实物照片，可以看到介质基板表面存在严重的介质脱落现象，微带线两侧基板表面凹凸不平，这是造成性能恶化的直接原因。 图2-12 微带线-带状线同层过渡实物null2.3.2 层间互连 2.4.1LTCC 内埋置电容建模及建库[10] (a)扁平矩形电容 (b)窄长矩形电容 图2 13 MIM 双层平行板电容结构null2.4 电容、电感、电阻[10]、[11] 2.4.1 导体浆料 导体浆料由功能材料(高电导率金属)、溶剂永久性结合剂和暂时性结合剂进行球磨混合而成。导体浆料在微波 LTCC 多层电路基板中有许多功能，主要功能是在信号线中导通电流，在元器件、导体层之间、电路线之间形成电通路。这些用途如下： 1．信号层/地平面/电源平面； 2．线焊焊盘/欧姆接触贴装盘； 3．通孔互连； 4．密封环；null 导体材料主要分为三类：纯金系浆料、纯银系浆料以及金银混合系浆料，在本文中，信号层/地平面/电源平面层用的为纯金系浆料；通孔互连用的是纯银系浆料。 电阻浆料由功能材料(金属氧化物)、溶剂永久性结合剂和暂时性结合剂进行球磨混合而成。null2.4.2电阻浆料 电阻浆料包括埋置电阻浆料和表面电阻浆料两类。其主是功能是制作电阻。微波 LTCC 多层电路基板可以实现电阻的埋置，将一些精度要求不高的电阻埋置在基板内部，将精度要求高的电阻制作在基板的表面，通过激光修调电阻达到阻值精度，提高基板组装密度。 在本文中采用的是中国电子科技集团第十三研究所的 LTCC 工艺线，LTCC 基板将功分器的电阻，和一些分压电阻集成于基板之上，其中功分器的电阻通过激光调阻来使阻值达到要求的阻值。null2-2-4 电容浆料 电容浆料由功能材料(氧化物)、溶剂永久性结合剂和暂时性结合剂进行球磨混合而成。其主要功能是制作电容。微波 LTCC 多层电路基板可以实现电容的埋置，将一些电容要求不高的电容埋置在基板内部。精度要求高的电容采用表贴的形势制作在基板表面，从而提高基板的组装密度。实现埋置电容主要有三种方法： 第一种方法是利用微波 LTCC 多层电路基板生料带制作埋置电容； 第二种是利用高介电常数电容生料带制作埋置电容； 第三种是利用高介电常数电容浆料制作埋置电容。null 中国电子科技集团第十三研究所的LTCC工艺线已经研制出了介电常数为70的完全拥有自主知识产权的高介电常数电容生料带，用其制作的埋置电容正在进一步实验中。null2.4.3 LTCC 内埋置电感建模及建库 在射频模块中，电感占用着相当一部分的空间，这对实现系统集成产生很大的限制。表面贴装型的分立元件式电感的体积过于庞大，无法满足小型化的要求，所以一般此类电感必须通过无源元件集成来实现。 无源元件集成可以同时满足大电感值、小型化的要求，而多层 LTCC 技术是实现无源元件集成的最佳选择。用LTCC 技术制备的电感元件不仅尺寸小、成本低、功能强大，而且更利于系统集成。null2.4.3 LTCC 内埋置电感建模及建库 LTCC 电感一般分为二维平面电感和三维多层电感。与三维电感相比，平面电感感值较小，所占面积大，Q 值相对较小。图2-14是二维平面电感的几种常见形状。 (a) 蛇形电感 (b) 矩形螺旋电感 (c) 圆形螺旋电感 图2-14 几种内埋置平面电感的版图null2.4.3 LTCC 内埋置电感建模及建库 图2-15是 LTCC 内埋置三维多层电感的常见结构。 (a) Offset 矩形螺旋电感的顶视图(左)和三维视图(右) 图2-15 几种内埋置立体电感结构null2.4.3 LTCC 内埋置电感建模及建库 (b) Stack 矩形螺旋电感的顶视图(左)和三维视图(右) 图2 16 三种内埋置螺旋电感结构null2.4.3 LTCC 内埋置电感建模及建库 (c) Helical 电感的顶视图(左)和三维视图(右) 图2-15 几种内埋置立体电感结构null2.4.3 LTCC 内埋置电感建模及建库 图2-16 三种内埋置螺旋电感结构null3.参考文献 [1] 3mmLTCC收发组件研究 [2] 基于LTCC的超宽带毫米波收发前端 [3] 基于LTCC技术的射频接收前端研究 [4] Ka波段LTCC频综组件研究 [5] Ka波段LTCC组件关键技术研究 [6] L波段LTCC收发前端研究 [7] 基于LTCC技术的微波毫米波滤波器与L波段收发前端 [8] 基于LTCC技术的微波毫米波天线研究 [9] 微波毫米波前端中的LTCC技术研究 [10] LTCC无源元件建模技术研究 [11] 基于LTCC技术微波收发组件关键技术的研究 [12]基于MCM_D工艺的3D_MCM工艺技术研究