（微电子学与固体电子学专业论文）基于ltcc技术的窄带带通滤波器的研究.pdf

摘要 摘要 本文以微波核心无源组件之一的滤波器作为主要的研究内容，基于多层结构 的低温共烧陶瓷技术设计了一款低通滤波器和两款不同结构的窄带带通滤波器。 本文介绍了低温共烧陶瓷技术的材料特性、应用领域以及微波滤波器的基本 原理和设计方法，基于低温共烧陶瓷技术建立了电感和电容基本电路元件的三维 结构模型和用于电路参数提取的不同等效电路模型；采用h f s s 和a d s 对建立的 模型进行了仿真，比较了不同结构的电感、电容的优缺点；应用基本的电感、电 容模型设计了一款截止频率为3 4 g h z 的低通滤波器，仿真结果表明，带通滤波器 通带中回波损耗最小为1 5 d b ，插入损耗最大为0 6 7 d b ，体积仅为3 2 m m x1 6 r a m l m m 。 应用插入损耗法和微波网络的等效变换的方法，设计了两款中心频率分别为 3 4 g h z 和2 4 g h z 的窄带带通滤波器，并利用元件之间的耦合效应，对器件性能 进行了改善。中心频率为3 4 g h z 的带通滤波器，体积为3 8 m m 2 8 m m 0 8 m m ， 相对带宽为5 9 ，在中心频率3 4 g h z 处，回波损耗为2 8 7 9 d b ，插入损耗为1 2 3 d b ， 在2 8 g h z 和4 0 g h z 的带外抑制超过3 0 d b ；中心频率为2 4 g h z 的带通滤波器， 体积为3 m m 2 m m xl m m ，相对带宽为1 0 4 ，在中心频率2 4 g h z 处，插入损耗 为1 4 5 d b ，回波损耗为2 3 d b ，带外2 0 g h z 和2 8 g h z 处插入损耗分别达到3 5 d b 和4 0 d b 。所设计的滤波器体积小，性能高，可以满足实际应用的要求。 关键字：低温共烧陶瓷技术无源组件低通滤波器带通滤波器耦合效应 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i st h e s i si sa b o u tt h ef i l t e rw h i c hi so n eo fk e y p a s s i v em i c r o w a v ec o m p o n e n t s al o w - p a s sf i l t e ra n dt w o n a r r o wb a n d w i d t hb a n d p a s s f i l t e r sw i t hd i f f e r e n t3 ds t r u c t u r e sb a s e do nt h em u l t i l a y e rs t m c t u 】哈o fl t c c t e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i s n l ec h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a la n dt h et y p i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si nl t c c t e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h e3 ds 包n l c t u r eo ft h eb a s i cc i r c u i tc o m p o n e n t s i n c l u d i n gi n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c eb a s e d0 1 1l t c ct e c h n o l o g y ，t h ep a r a m e t e r s e x t r a c t i o nf r o mt h ed i f f e r e n tc i r c u i tm o d e l sa n dt h ec o m p a r i s o na f t e rf u l l - w a v e e l e c t r o m a g n e t i c ( e m ) s i m u l a t i o na n dc i r c u i ts i m u l a t i o na r ed e s c r i b e dl a t e ri nt h e t h e s i s al o w - p a s sf i l t e rw h o s ec u t o f ff r e q u e n c yi s3 4 g h zi s d e s i g n e du s i n gt h eb a s i c i n d u c t a n c e sa n dc a p a c i t a n c e sm o d e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em i n i m u mr e t u r n l o s si s15 d ba n dt h em a x i m u mi n s e r t i o nl o s si st o0 6 7 d bi nt h ep a s sb a n d a n di t ss i z e i so n l y3 2 m m 1 6 m m l m m t w od i f f e r e n tk i n d so fn a r r o wb a n d w i d t hb a n d - p a s sf i l t e r sw h o s ec e n t r e f r e q u e n c i e sa r e3 4 g h za n d2 4g h z a r ep r e s e n t e db yt h em e t h o d so fi n s e r t i o na n dt h e e q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o n 1 1 1 ef i l t e r s p e r f o r m a n c eh a si m p r o v e db yt a k i n ga d v a n t a g e o ft h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nt h ec o m p o n e n t s a m o n gt h e m ，t h eb a n d - p a s sf i l t e rw h o s e c e n t e rf r e q u e n c yi s3 4 g h za n dr e l a t i v eb a n d w i d t hi s5 9 t h er e t u r nl o s si s2 8 7 9 d b a n dt h ei n s e r t i o nl o s si s1 2 3 d bi nt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f3 4 g h z ，t h ei n s e r t i o nl o s si s m o r et h a n3 0 d bo u to ft h ep a s s b a n da t2 8 g h za n d4 0 g h z a n dt h es i z eo ft h ef i l t e ri s o n l y3 8 m m 2 8 m m 0 8 r a m ；t h eo t h e rf i l t e rw h o s ec e n t e rf r e q u e n c yi s2 4 g h z b a n d - p a s sa n dt h er e l a t i v eb a n d w i d t hi s 10 4 ，t h ei n s e r t i o nl o s si s1 4 5 d ba n dt h e r e t u ml o s st h e2 3 d bi nt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f2 4 g h z ，a n dt h ei n s e r t i o nl o s si s3 5 d b a n d4 0 d bo u to ft h ep a s s b a n da t2 0g h za n d2 8 g h zr e s p e c t i v e l y a n dt h es i z eo ft h e f i l t e ri so n l y3 m m 2 m m lm m t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i l t e r sw h i c ha r ed e s i g n e di n t h i st h e s i sa r es m a l ls i z e ，h i 曲p e r f o r m a n c ea n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s - l t c ct e c h n o l o g yp a s s i v ec o m p o n e n t sl o w - p a s sf i r e r b a n d p a s sf i l t e rc o u p l i n ge f f e c t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期纠! ：至：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在- 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期一州型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着时代的发展与进步，人们对无线通信产品也提出了更高的要求，希望手 机、g p s 手持设备、无线局域网( w l a n ) 等无线通信产品有更小的体积、更轻 的质量、更高的性能。采用集成电路技术和高密度封装技术，可以实现无线通信 产品部分模块的小型化与轻量化。 表贴芯片和无源元件尺寸的不断减少，使得原有的印刷电路板( p c b ) 工艺遇 到了工艺的局限，兼容性越来越差。所以对于包括射频( r f ) 模块的多模块混合 电路的集成技术一直是近些年的研究重点和热点，低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术的 出现，有效的满足了人们的要求。应用多层立体结构的低温共烧陶瓷( l t c c ) 技 术，能有效的提高混合电路的集成度，提升系统的性能，降低混合芯片的成本， 其产品在技术和市场上有较强的竞争力。 微波滤波器是无线通信、雷达等系统中核心的元器件之一，其性能的优劣直 接影响到整个系统的质量，所以小型化的高性能滤波器一直是国内外学者研究的 重点。由于低温共烧陶瓷( l t c c ) 的基板材料优良的微波特性和多层结构可以设 计出性能优良而且体积小巧的滤波器，所以基于低温共烧陶瓷技术的滤波器一直 是近年来的研究热点之一。 1 2 国际和国内研究和发展的状况 早在1 9 世纪8 0 年代，电阻、电容滤波电路就已经出现。具有频率选择功能 的电感、电容谐振回路可作为最简单的滤波器。1 9 1 5 年，德国的w a g n e r 和美国的 c a m p e l l 各自独立的发明了l c 结构的滤波器。1 9 2 3 年以后，贝尔实验室的o j 查 贝尔提出定k 型、1 1 1 诱导型镜像参数滤波器设计方法。1 9 3 9 年德国w 考尔和美国 s 达灵顿分别提出工作参数滤波器设计理论。由于许多电路和系统都要区分不同频 率的信号，滤波器遂被广泛地用在通信、广播、雷达以及许多仪器和设备中。 上个世纪5 0 年代无源滤波器技术逐渐成熟。由于新型材料的不断出现、集成 工艺及计算技术的迅猛发展，使滤波器的研究和设计上了一个新台阶。近年来， 随着通信频率的不断提高，微波及毫米波滤波器的研究与应用得到了长足的发展。 对于窄带滤波器可行的设计、综合理论，主要基于，s b c o h n 于1 9 5 7 年在基于集 总元件低通滤波器原型的基础之上提出了第一个直接耦合腔体滤波器的理论【l j ，这 2 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 个理论完善于m a t t h a e i 等人的著作中【2 】，他们引入倒相器等微波部件。1 9 6 3 年至 1 9 6 6 年，e c j o h n s o n 和r m k u r z r o k 第一次设计出交叉耦合三腔，四腔谐振腔 滤波器【3 】，利用了腔之间的交叉耦合成功的实现了有限频率衰减极点；1 9 8 0 年和 1 9 8 2 年，r j c a m e r o n 在网络滤波函数方面做出很大贡献，他在原来切比雪夫函 数的基础上提出广义切比雪夫函数，使切比雪夫函数大量的应用到交叉耦合多路 滤波网络的综合q b l 4 - 6 ；1 9 9 9 至2 0 0 3 年，r j c a m e r o n 提出并完善了用耦合矩阵来 综合微波滤波器的方法【7 一】。 在低温共烧陶瓷技术面，美国是率先利用多层陶瓷基板设计和制作各种电路 的国家，初期应用于军用产品；后来陆续有欧洲厂商将其引入汽车电子市场；尔后再 由日本厂商将其应用于信息产品之中。在全球l t c c 市场占有率前前几位的厂商 之中，日本的厂商有村田( m u r a t a ) 、京瓷( k y o c e r a ) 、t d k 及东光( t o k o ) ；美 国厂商有c t s 等：欧洲厂商有b o s c h ( 博世) 、c m a c 、e p e o s 及s o r e p e r u l e c 等。 国外厂商由于对l t c c 技术投入时间长，在产品的性能、专利技术的拥有量、材 料及规格制定权等方面均比国内厂商具有更有利的地位。 我国l t c c 产品技术的开发比国外发达国家落后较多，特别在l t c c 材料及其 配套浆料方面差距较大，国内目前l t c c 材料基本有两个来源，一是直接购买国 外生料带，二是来自器件设计厂家。这些都不利于快速、低成本的开发出l t c c 器件。第一种方式会增加生产成本，第二种方式会延缓器件的开发时间。目前清 华大学材料系、上海硅酸盐研究所、电子科技大学等单位正在实验室开发l t c c 用陶瓷粉料，但是还没有达到批量生产的程度。而国内l t c c 产品开发方面的落 后主要由于国内电子终端产品发展滞后造成的，但是近些年随着国内航空、航天、 电子等行业的快速发展，市场对l t c c 产品需求量迅速增长，国内的许多公司和 研究所也在l t c c 相关技术的研发方面投入了较多的关注，也取得了一些长足的 进步。 1 3 论文主要研究内容 本文基于l t c c 技术建立了电感、电容的三维模型，通过不同的等效电路提 取了模型参数；用基本的电容、电感搭建了一个截止频率为3 4 g h z 的低通滤波器； 利用插入损耗法和微波网络变换的方法，设计了两款中心频率分别为3 4 g h z 和 2 4 g h z 的窄带带通滤波器，两款滤波器的相对带宽分别为5 9 和1 0 4 。三维电 磁仿真结果表明所设计的三款滤波器满足了设计要求。 论文结构安排如下： 第一章：绪论。简单引入论文研究的目的和内容，并且简单介绍了国内外关 于低温共烧陶瓷技术研究的情况。 第一章绪论 3 第二章：低温共烧陶瓷( l 1 c ) 工艺技术介绍。介绍l t c c 的材料、工艺流 程、特点，以及与其他相关技术的比较。 第三章：基于低温共烧陶瓷技术的电感、电容模型。介绍l t c c 技术嵌入式 电容、电感的建立模型的类型和参数提取方法，并用集总元件设计了一个简单的 低通滤波器。 第四章：介绍滤波器的原理和设计方法，总结了l t c c 滤波器的设计流程，并 基于l t c c 技术，利用元件间的耦合特性设计了两款带通滤波器。 第五章：总结。归纳和总结上述滤波器设计工作，以及存在的不足和今后需 要改进的方面。 第二章低温共烧陶瓷( l t c c ) 工艺技术 5 第二章低温共烧陶瓷( l t o o ) 工艺技术 随着现代移动通信市场的爆炸性的增长，应用于无线通信的手持无线通信终 端设备也得到快速的发展；超宽带和高频率技术在无线通信方面有了更广泛的应 用，以前利用8 0 0 m h z 、1 8 0 0 m n z 频段的移动通信将向更高的频段演进，而像蓝 牙( b l u e t o o t h ) 通信( 工作频率2 4 5 g h z ) 和无线局域网( m ，a n ) ( 工作频率2 4 g h z ) 等新兴无线通信技术也是在更高的频段有了长足的发展。要应用这些高频率的移 动通信，相关硬件和系统的多功能化、小型化、轻量化就是人们研究的热点。本 章将介绍低温共烧陶瓷工艺技术。 2 1 低温共烧陶瓷材料 正如低温共烧陶瓷名称那样，l t c c 是由金属材料和陶瓷材料在低温下共烧而 成的，所以低温共烧陶瓷材料包括金属和陶瓷混合材料。 用于低温共烧的金属材料包括金、银、铜等材料，它们共同特点是具有较高的 电导率，而且熔点都在1 0 0 0 左右。由于金属材料要和陶瓷材料共烧，所以要严 格要求所使用的金属材料的熔点高于共烧温度。 为了保证在低温下能产生高密度的烧结，考虑到热膨胀和控制材料收缩率等因 素，通常用于低温共烧工艺的陶瓷要加入非晶玻璃、微晶玻璃、低熔点的氧化物。 表2 1 详细介绍了陶瓷材料和金属材料的熔点及共烧温度。 表2 1l t c c 材料特性 陶瓷材料 金属材料 材料共烧温度( 摄氏度)材料 熔点( 摄氏度) 铜( c u )1 0 8 3 玻璃陶瓷混合物 金( a u )1 0 6 3 微晶玻璃 微晶玻璃和陶瓷混9 0 0 1 0 0 0 银( a g ) 9 6 0 合物 银、钯合金 9 6 0 1 5 5 5 液相烧结陶瓷( a g p d ) 银、铂合金( a g - p t ) 9 6 0 1 1 8 6 6 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 2 2 低温共烧陶瓷工艺过程 l t c c 典型工艺过程如图2 1 所以。首先，将陶瓷粉末和有机粘合剂混合成浆 状；将浆料放置在传送带上，利用刮片的方法把浆料切割成制作基板的生瓷薄片， 在共烧前生瓷薄片和纸一样柔软；其次是通孔工艺，使用通孔工艺将不同层相互 连接；再次是丝网印刷工艺，以便形成生瓷层上面的金属层；将很多经过丝网印 刷后的生瓷层按顺序排布好之后，在一定的温度和压力下，将这些生瓷压制在一 起，而那些之前加入的有机粘合剂就将不同层粘合在一起；最后是共烧工艺，经 过在一定温度共烧后，陶瓷基板和金属层变在一起了，而那些有机粘合剂通过共 烧后排出到器件外面，从而完成工艺过程。 原始材料粉束 混合 浆状囊 粉末嗣备 生瓷髯片 金晨层 通孔嗣作 丝一目】_ 尉 切铜 压倒粘合 图2 1l t c c 工艺过程 详细工艺步骤介绍【9 j ： ( 1 ) 划片：如图2 1 所示用滚轴台，将生瓷薄片从瓷基板上展开，放置在清 洁的不锈钢台面上。然后用刀片将生瓷薄片划开，尺寸要比空白片稍大一点。 ( 2 ) 预处理：有两种方法：将生瓷薄片在1 2 0 下烘干2 0 _ 3 0 分钟；或者可 以将生瓷薄片在氮气干燥箱内放置2 4 小时。 ( 3 ) 冲片：采用冲片模具，以便形成有效尺寸的生瓷薄片及定位标记。 ( 4 ) 冲孔：( 也可称为通孔制作) 采用机械冲床或激光，在每一层生瓷片上形 成通孔。这些通孔包括：用于电气连接的通孔、用于叠压工艺对位的加工孔，以 及丝网印刷工艺上用的自动视频系统的定位孔。 ( 5 ) 填孔：通孔填充是制造l t c c 基板的关键工艺之一。通常有三种方法： 厚膜丝网印刷、掩膜印刷和流延型印刷。一般采用普通的厚膜丝网印刷技术进行 填孔，将生瓷薄片放置在工作台上，利用透过多孔石的真空吸气作为辅助填孔。 孚舯 第二章低温共烧陶瓷( l t c c ) 工艺技术 7 摄像检测系统自动地对每片生瓷片进行对位。通孔浆料应有良好的流动性能和 合适的粘度，同时还要考虑到固体填充物与生瓷薄片的收缩匹配。目前所用浆料 一般为银。 ( 6 ) 金属层印刷：一般有两种方法，厚膜丝网印刷或利用计算机直接绘图。 计算机直接绘图是一种非常好的印刷导体手段，它无需制板和印刷对位，但设备 投资大、操作复杂且生产效率较低。通常采用普通的厚膜丝网印刷机印刷导体， 丝网为标准的乳胶型厚膜丝网。和通孔印刷一样，生瓷薄片通过多孔石的真空吸 气来固定，可以采用图像或机械方式进行对位。导体浆料是专门配制的，以便与 生瓷薄片的x 、y 方向的收缩相匹配，与氧化铝印刷标准厚膜比较，其导体印刷更 容易，分辨率更高。 ( 7 ) 检验：借助于一个照明工作台和变焦显微镜进行人工检查，当然也可以 利用想过设备进行自动检测。 ( 8 ) 各层对准：将以上所得的生瓷薄片放入到叠模版中，叠模版中设计有与 生瓷薄片对位孔一致的对位柱，保证对位的精确度。各层依次放置在定位柱上直 至装到预先设定层数的生瓷薄片。 ( 9 ) 叠压：在叠压工艺中，一定要注意的是压力要均匀一致，叠压过程中可 适时地旋转，以保证叠压均匀。均匀性对以后的器件性能会有很大的影响。基板 烧结收缩率与它的热压力系数有密切的关系，所以基板材料的热压力系数应适当， 压力过大时，排胶时会起泡分层；过小也会分层，且基板烧结收缩率较大，收缩 率一致性差。现在一般使用等静压力机，因为它的压力均匀。基板烧结收缩率一 致性好对提高后烧结表面导体与通孔对位精度有利。 ( 1 0 ) 共烧：叠片放在一个光滑平整的起垫板作用的瓷片上烧成，瓷片组成可 以不同。在2 0 0 到5 0 0 范围内烧尽有机物。建议在这一温度范围至少保温l 小 时。峰值温度在8 5 0 - - 8 7 5 ，保温时间不低于1 5 分钟。烧结工艺的关键是烧结 曲线和炉膛温度的均匀性，它关系到烧结后基板的平整度和收缩率。在烧结过程 中，要控制烧结升温速度不能过快，否则会导致烧结后基板的平整度差、收缩率 大，甚至会发生翘曲。目前一般在的可编程式的箱式炉中进行烧成，这样可以有 效控制烧结的温度。 ( 1 1 ) 后烧工艺：这是在利用l t c c 技术制作多芯片组件必不可少的工艺步骤， 当然，对于单个制作单个l t c c 器件就可以省略。后烧工艺包括厚膜电阻器，介 质，导体和特殊的陶瓷工艺，可以依据各自的技术要求在共烧后的生瓷薄片上进 行。 ( 1 2 ) 电测试：在共烧和后烧工序完成后，必须对每个产品进行1 0 0 的电气 通断测试以便验证基板布线的连接性。 ( 1 3 ) 切割：在这个步骤包括在整个l t c c 制作工艺中，它主要包括：后烧 8 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 切割锯、超声波切割、激光切割( 包括对共烧前或共烧后陶瓷基板、陶瓷薄片的 切割) 、生瓷冲片。无论是在冲片工序将异形生瓷片冲成单层，还是在叠片工序将 叠片冲成基板形状，这些切割工艺步骤要根据设计的需要，规划实施。 ( 1 4 ) 终检：所有基板都要按照设计前预订的标准进行检验，目前主要应用自 动检验。 在整个工艺过程中最重要的要控制工艺的精度和材料的品质，这两点将对制造 器件的性能产生非常重要的影响。 当然，对于低温共烧陶瓷相关的材料和工艺技术也是不断发展的，当前国外正 在研制混合材料的低温共烧陶瓷技术，可以根据不同器件特性，在同一个基板上 采用不同的介电常数不同的介质和导电率不同的金属，从而得到跟高性能的系统； 考虑到环保的因素，近些年无铅的介质材料也是研究的热点。这些新材料、新工 艺的发展，对于从事基于低温共烧陶瓷来设计通信产品的学者也要及时了解。 2 3 低温共烧陶瓷工艺技术的优势 低温共烧陶瓷技术凭借很强的竞争优势得到了快速的发展。低温共烧陶瓷有以 下的特点： ( 1 ) 优良的高频性能 在高频段的传输损耗( 1 q ) 决定于介质损耗( 1 q d ) 和导体损耗( 1 q 。) 。而 介质损耗由式( 2 1 ) 决定i l o i ，可以看出随着频率增高介质损耗增大。 万1 = 2 7 3 缶扛xt a n 6 ( d b i m ) ( 2 1 ) k 绍 。 其中f 工作频率，c ：光速，f ：介电常数，t a n 8 ：介质损耗角正切 导体损耗决定于导体材料的表面电阻( ) 。当频率升高时，电流有向导体表 面集中的趋势，这也是就是通常说的趋肤效应，而趋肤深度指的是电流密度减少 到表面电流密度的1 e 即0 3 7 时所对应的导体深度，表面电阻由趋肤深度和导 体的电导率决定( 2 2 ) ，可以看出，表面电阻和频率的平方根成正比。 愿= 击= 严铲= 而 ( 2 - 2 ) 其中o ：导体电导率，d ：趋肤深度，：真空磁导率，p ：导体电阻率 所以，可以将上述结论简单归纳为：在频率较低时，传输损耗主要由导体损 耗决定，而在频率增高时介质损耗将成为主要的决定因素。而低温共烧陶瓷的优 势正是在于它有较低的介质损耗角正切值，表2 2 列出了常用基板材料的参数。 第二章低温共烧陶瓷( l t c c ) 工艺技术 9 表2 2 常用基板材料参数 损耗角正切值 材料介电常数( 在2 g h z ) ( 在2 g h z ) 硼硅玻璃4 50 0 0 6 石英玻璃3 80 0 0 0 1 6 陶瓷材料矾土9 00 0 0 0 3 l t c c ( 矾土和硼硅玻 5 80 0 0 5 0 0 016 璃的混合物) 环氧基树脂( e p o x y ) 3 1o 0 3 有机材料 f r 44 30 0 1 5 聚酰亚胺( p o l y i m i d e ) 3 70 0 0 3 7 如表2 2 所示，陶瓷材料通常比有机材料有较小的损耗角正切值，特别指出的 是l t c c 基板材料的损耗角正切值仅为常用的p c b 基板材料f r 4 损耗角正切值的 三分之一，所以在相同条件下，l t c c 材料在高频应用时有更小的传输损耗。 ( 2 ) 热稳定性好 利用l t c c 技术进行电路系统封装时，其他的电路元件和模块要在l t c c 上贴 片，不可比避免要遇到热应力的影响，热应力将直接影响电路系统的可靠性。l t c c 技术的一个特点就是它的热应力小于一般的材料，所以利用它制成的电路系统可 靠性较高。 同时，l t c c 材料的热膨胀系数也小于一般材料：l t c c 热膨胀系数为3 - 4 x 1 0 6 ，而常用的p c b 介质材料f r 4 的热膨胀系数为1 6 1 8 x 1 0 勺，当然l t c c 技术 的热稳定性要优于一般的印刷电路板技术。 ( 3 ) l t c c 工艺技术可以集成无源器件 不同于普通的印刷电路板将无源元件表贴在电路表面的工艺技术，l t c c 工艺 技术可以将无源元件埋置于基板内部，这样将减少元件之间的互连线，提高系统 性能，同时可以减少芯片面积，这样将在同样的面积上可以集成更多的元件实现 更多的功能。 l t c c 的多层结构和介质材料的多种选择，可以让无源元件的设计具有更多的 灵活性，同时可以按照设计器件的要求将不同的层定义为不同特性的介质材料， 以提高器件的性能。如图2 2 中的基于l t c c 的器件，选择高介电常数的材料以减 少电容面积，而选择低介电常数的材料以降低传输损耗，从而提高整个器件的性 能。 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 圈2 2 选择不同的介质材料提高器件性能 2 4 低温共烧陶瓷技术应用类型 2 41 在高密度封装中的应用 低温共烧陶瓷技术在现代高密度封装技术方面中有很大的用途，目前应用领 域主要有以下三个方面j ： ( ”应用于航空、航天及军事电子装备领域。低温共烧陶瓷技术最先是在航 空、航天及军事电子装备中得l u 应用的。美国雷声公司( r a y t h e o n c o m p a n y ) 、西 屋公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i c ) 和霍尼伟尔公司( h o n e y w e l l ) 等大的军事装各制 造公司都拥有低温共烧陶瓷相关的设计与制造技术，并研制出了多种可用于导弹、 航空和宇航等电子装置的低温共烧陶瓷技术组件或系统。 ( 2 ) 应用于微机电系统和传感器等领域，低温共烧陶瓷技术可以将电容、电 感等元件内埋预置，形成三维结构，大大缩小电路体积。 ( 3 ) 应用在消费电子、汽车电子等领域，现代汽车的控制技术已迈入电子化 和信息时代，在国外低温共烧陶瓷技术已被列为封装汽车电子电路的重要技术。 2 42 在微波无源模块中的应用 基于低温共烧陶瓷技术的器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用，大 体可分为高精度多层结构元件、无源集成器件、无源集成基板和功能模块。高精 度多层结构元件主要包括高精度的电感器、电阻器、电窖器等，以及这些元件的 阵列。低温菇烧陶瓷技术无源集成功能器件包括多层无源集成组件，如l c 滤波器 及其阵列、定向耦合器、功率分配器、功率合成器、天线、延迟线、衰减器， 共模扼流圈及其阵列等。利用低温麸烧陶瓷技术制成的l c 滤波器 i ”包括带通、高 第二章低温共烧陶瓷( l t c c ) 工艺技术 1 1 通、低通和带阻四种，频率可从数十m h z 到数十g i - i z 。采用低温共烧陶瓷技术无 源集成器件，可以提高器件的集成密度，减小器件体积。 基于低温共烧陶瓷技术无源集成基板主要包括蓝牙模块基板、手机前端模块 基板等，同时通过集成其他有源器件，就可以快速得到蓝牙模块、手机前端模块、 功放模块等基于低温共烧陶瓷技术功能模块。所以各种低温共烧陶瓷技术功能模 块的研制已经成为人们研究的焦点。无线通信的高速发展，有力地推动了低温共 烧陶瓷技术的快速发展。 2 4 3 在三维微波集成电路方面的应用 基于低温共烧陶瓷技术的三维微波集成电路是微波集成电路又一新的发展， 它可大大降低三维微波集成电路成本，从而使三维微波集成电路广泛用于民用通 信设备，进一步拓宽了三维微波集成电路的应用领域。三维微波集成电路 ( 3 d m i c ) 包括多层微波集成电路( m u m i c ) ，三维单片微波集成电路( 3 d m m i c ) 两种基本类型。多层微滤集成电路是由分立的有源器件与多层集成无源元件、连 接线构成的集成电路，三维微波集成电路是日本三菱公司于首先提出的。三维单 片微波集成电路则是在同一基片上将集成的有源器件、无源元件、连接线等用薄 介质层相隔而形成的多层紧凑的单片集成电路，它是日本n t t 于1 9 9 6 年提出的。 从微波电路的发展过程来看，三维微波集成电路可谓继立体电路、微波集成电路 ( 平面电路) 、单片微波集成电路( 单片平面电路) 之后的第四代微波电路的结构 形式。由于三维微波集成电路的结构特点，可以充分利用介质层中导体层间的电 磁耦合形成特有的电路元件，有效地减小电路的尺寸，提高集成度，本文对于两 个窄带带通滤波器的设计也正是利用了上述的特点。与平面电路相比，三维微波 集成电路在电路形式上有很大的灵活性。并且由于它内部使用了高可靠的垂直互 连技术，大大地减少了用于外部连接的接插件的使用数量，从而使其具有高可靠 性和高效率。 在整体的电路结构上可以制作成主片和从片组合式的电路。在主层上集成有 源器件阵列，其余无源器件构成从片，将两者集成到一个模块上，以便形成不同 用途的微波电路。因此，它也被称为无源集成电路或改良专用集成电路( a s i c ) 。 由于嵌入式无源组件的使用不仅减少了无源组件占用的基板表层面积，让无源组 件可以更加地接近有源组件，而且由于没有无源组件的封装引脚所产生的寄生效 应，三维微波集成电路的电气特性在高频信号的表现上更稳定。 1 2 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 2 5 本章小结 本章主要介绍了低温共烧技术的材料组成；构成l 1 c 技术的各种材料的特 性、优点；低温共烧陶瓷技术的工艺流程，主要工艺步骤；以及低温共烧陶瓷技 术的产业应用领域。只有对低温共烧陶瓷技术的工艺流程、材料特性有较为深入 的认识，才能设计出符合工艺条件、性能优良的产品。 第三章基于低温共烧陶瓷技术的电感、电容模型 1 3 第三章基于低温共烧陶瓷技术的电感、电容模型 电感、电容等无源元件是组成微波电路的基本元件，基于l t c c 技术多层结 构的特点可以实现多种不同结构的电感、电容模型。如何e h - - 维立体结构建立 相应的电路模型，对于提高无源元件的性能以及微波系统的高效、快速实现有非 常重要的意义。本章将讨论基于l t c c 技术的多层、嵌入式电感、电容的三维立 体结构，以及电路模型的提取和推导。 3 1 电感的三维立体结构和相应的电路模型 要建立基于l t c c 技术的电感或电容模型，首先应建立其三维立体结构，采 用三维电磁场仿真软件提取相应的模型参数，根据参数建立相应的电路模型，用 来分析相关性能、指标。 典型l t c c 平面式螺旋电感如图3 i 所示，其螺旋结构处于同一金属层，建 立三维结构模型后，经过三维电磁仿真后，建立电路模型。 = 可_ 引匡 ( a ) 俯视图( b ) 剖面图 图3 1 典型l t c c 螺旋电感 建立电路模型的方法根多1 1 4 - 1 6 ，可将电感结构等效为t 型或n 型电路。对于 型可以将电路原型等效为如图3 2 的电路形式。 1 4 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 p o r t 图3 2 电感兀型等效电路模型 通过电路模型可以估算等效电感值的大小和损耗等参数。按照电路模型，可以 得到： r + # o l ：一l ；一l ( 3 1 ) 2匕l k i2 g i + j t o c l + 而面1 ( 3 - 2 ) 由式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 得到 g l + j o j c l = 五i + 墨2 ( 3 - 3 ) 同理 g 2 + j o x ：2 = + 五l ( 3 - 4 ) 由式( 3 1 ) 我们可以用参数一l 巧2 的虚部来估算等效电感值，用它的实部来 估算等效电阻值。而另一种类似兀型的电路模型如图3 3 所示，其中电容c c 表示 螺旋电感不同圈之间的耦合电容，对于单圈电感或者用于简化分析，可以将耦合 电容c c 忽略或者等效在两边并联电感中。这里需要指出的是，上述无论是t 型或 是兀型等效电路模型，只是在一段相对较窄的带宽内是有效的，而超出一定的带 宽范围这些集总元件组成的t 型或兀型将失效。 c c p i t1 lr p o y y 、批 、- 匕c l； c 2一 t2 图3 3 一种类兀型等效电路模型 为了在更宽的带宽中等效l t c c 中的三维电感结构，近些年又提出了一些修 正型的t 型或兀型电路模型【1 7 1 引。 第三章基于低温共烧陶瓷技术的电感、电容模型 1 5 ( a ) t 型等效电路原型( b ) 修正t 型等效电路原型 图3 4 一种t 型等效电路原型和它的修正型 图3 4 ( b ) 是一种修正型t 型等效电路模型，它是由图3 4 ( a ) 所示的一般 传输线t 型等效电路原型扩展而得到的。修正的电路原型可以看作是由一般t 型 电路原型增加了几个l c 并联和串联谐振腔得到的，增加的谐振腔用来表示l t c c 嵌入式的螺旋电感自谐振和与地之间谐振的现象，从而在更宽的带宽内等效l t c c 螺旋电感。 考虑到图3 4 ( b ) 修正t 型等效电路原型中增加的并联和串联谐振腔，定义 参数： 匕= k l + y 一2 2 2j瓦jo蓊)(i_,s,而+ls砸z-2l忑,)+了4y沥,g瓦。f4yeco(ls 2 l ( 3 5 ) 一2 i 岛2 焉) + ，烈岛l + 岛2 +。) k 其中： = ，崛6 + ，心+ 【，以( 1 - 6 ) r 1 1 ： 巧= 影+ ，m o + ( j o c p 口) 一1 广+ ，o 。+ 【，q ( 1 一口) 1 - 1 1 ； 以假设l s l - l 。2 ；( 3 5 ) 式可以简化为： 匕面磊4 丽+ 4 昂； 其中厶，= 岛。+ 厶，乓：= 岛：+ 厶 根据螺旋电感的特性，可 ( 3 6 ) 由l t c c 电感三维电磁场仿真后，通过提取参数可以找到数个极点和零点的位 置，带入公式( 3 6 ) 中，通过方程求解可以得到各个元件的具体值，从而得到修 正t 型电路原型。 利用l t c c 工艺技术设计和制作元件时，在考虑等效的电路原型的同时，还必 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 须结合具体的工艺条件，比如线宽、间距等等。所以研究不同工艺条件下的不同 结构的电感三维模型有重要的意义，除了图3l 所示的典型平面式螺旋电感，还有 比较常见的几种电感结构如图3 5 ，3 6 3 7 所示： 廿 卧囱 口髟 a ) 俯视图( b ) 侧视图 削37 矩形螺旋l t c c 电感 第三章基于低温共烧陶瓷技术的电感、电容模型 1 7 对于具体电路中采用何种电感，要根据面积、层数、工艺精度和性能指标要 求综合考虑，而不同结构电感经过三维电磁仿真后，由表3 1 给出不同的性能比较。 表3 1 不同结构的l t c c 螺旋电感性能比较 结构类型平面式位移式堆叠式螺旋式 所占的面积( 相 最大中等较小最小 同有效电感) 自谐振频率( 相 最低较低较高最高 通有效电感) q 值( 同频率下) 最低较低较高最高 需要的层数 最少 较少较少 最多 综上所述，在设计过程中要对于电感性能和面积或体积之间权衡，并且结合 工艺条件才能得到理想的设计结果。 3 2 电容三维立体结构和电路模型 基于l t c c 的多层结构，对于实现电容的三维结构有很大的优势。典型的平板 电容结构如图3 8 所示。 图3 8 平板电容 它的电容值由式( 3 7 ) 给出： c ；垒( 3 7 ) v 单位f 法拉，其中q 为电荷数，v 为两个极板之间的电压。 对于均匀带电的平板，根据高斯定理： q = p , a = d s = 碰翻 ( 3 - 8 ) 其中a 为平板面积，p 。为表面面电荷密度，d 为电通量，e 为电场强度， 1 8 基于l t c c 技术的窄带带通滤波器的研究 为介电常数。 而电压v = e d ，所以： c ：垒：丝：6 e , i ：堕：型( 3 9 ) ye de ddd 式( 3 9 ) 即为平板电容公式，其中8 r 为相对介电常数。 对于常用的两端口l t c c 平板电容常用的等效电路模型如图3 9 所示，c s 表示 串联电容即为等效电容，l s 为串联寄生电感，r 为寄生电阻，c p 为并联寄生电容， c s l 、c s 2 分别代表对地寄生电容。 o p2 图3 9l t c c 电容等效电路模型 考虑由c p 、l s 和c s 组成支路的电纳b ，可以推出： 曰= 略一二t ( 3 - 1 0 ) 鸠一亩 而r 和1 b 组成电容等效兀型等效电路的串联支路，由于冗型等效电路各个 元件的值可以通过提取y 参数得到，得到b 的值之后，可以进一步得到c s 、l p 和c p 。其过程如下： 定义 q2 丽1 ( 3 - 1 1 ) 当一q 时曰一o 。； 定义= 当一时s - - , o ； 式( 3 1 2 ) 除以( 3 1 1 ) 可以得到 笠：f 丝 q 1 fq 在低频时， ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 第三章基于低温共烧陶瓷技术的电感、电容模型 1 9 4 0 ，c ，+ e = 兰 ( 3 一1 4 ) 再由式( 3 一i i ) 、( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 推出c s 、l s 和c p 口 目前基于l t c c 工艺的电容结构主要有如图3 8 所示平板电容( m i m ) 和如图 3 1 0 所示的垂直指插电容( v i c ) 。垂直指插电容将不同极板用两侧的通孔连接 增大了有效电容值，同时节约丁芯片的面积。 图3 1 0 垂直指插电容( v i c ) 两种电容各有优缺点，平板电容( m i m ) 结构简单，易于加工而且可靠性高i 垂直指插电容( v i c ) 采用多层极板和通孔结构，可以实现较大电容，与平板电容 比较结构复杂，工艺难度高、可靠性差，而且由于通孔的存在导致v i c 电容的 寄生电感和导体损耗较大，对整个电路会带来不良的影响，这点可由本文中第 二个带通滤波器的响应看出。对于两种电容的比较由表3 2 给出。 表3 2 常用l t c c 电容比较 平板电容垂直指插电容 结构类型 ( m i m ) ( v i c ) 所占面积( 相 大小 同电容值) 需要层数( 相 少多 同电容值) 工艺复杂度 简单较复杂 o 值较高略低 s r f ( 自谐振 较高略低 频率) 然而在具体电路中要选择哪