第五章微波混合集成技术电子科大-5.3MCM

5.3.1概述5.3.2LTCC工艺和技术5.3.3微波LTCC电路设计5.3.4微波毫米波LTCC系统应用第五章微波混合集成电路5.3微波多芯片组件MCM5.3.1概述多芯片组件（MultichipModule）技术多芯片组件（MCM）：将多个裸芯片、微型封装元器件、贴片元器件集成在同一块多层高密度互连基板上,并封装在同一外壳内，构成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件。5.3.1概述MCM基本构成：(1)电路/系统小型化，轻重量：MCM特点：MCM中，无源电路制作在多层互连基板中，形成3-D多层高密度集成无源电路结构；将多个IC裸芯片、片式或微型封装元器件集成在同一多层互连基板上，封装在同一外壳内的电路/系统结构；元器件组装密度高，芯片面积与基板面积之比可在20%以上，同一功能的部件，重量可减轻80%～90%5.3.1概述(2)电路/系统性能在同一封装内可集成模拟、数字电路，功率、光电、微波器件及各类片式元器件，可实现部件、子系统或系统功能;各种无源电路一体化设计，减小了系统连接接口，具有综合性能更优良；各功能电路单元互连线长度短，信号传输延时小，传输速度可大幅提升，可满足高速电路需求；微系统MCM特点：(3)可靠性提升MCM避免了单块IC封装的热阻、引线及焊接等一系列问题；MCM为一体封装结构，电路组装层次，可靠性高5.3.1概述MCM分类MCM-L（Laminate）：叠层MCM，使用传统PCB工艺和材料制造高密度叠层基板的MCM与PCB技术的根本区别在于:(1)安装裸芯片、微封装/片式元件;(2)无源功能电路埋置于多层特点：（1）

成本低、工艺基础好、工艺灵活性高；（2）一般用于＜30MHz系统MCM-L、MCM-C、MCM-D5.3.1概述MCM-C（Ceramic）：厚膜陶瓷型MCM，采用丝网印刷成膜工艺，制成的高密度多层厚膜布线和高密度多层布线陶瓷基板结构的多芯片组件。（2）具有较高的布线层数、布线密度、封装效率和优良的可靠性、电性能与热性能。（3）成本适中特点（1）有两种类型：高温共烧陶瓷（HTCC）工艺（烧结温度>1500°C）

采用高熔点金属W/Mo，但损耗大，难以用于高频电路低温共烧陶瓷（LTCC）工艺（烧结温度850~900°C）

Ag-Pd，Au-Pd-Cu，低电阻率材料布线，可用于微波毫米波5.3.1概述MCM-D（Deposited）：淀积薄膜型MCM，是在Si、陶瓷或金属基板上采用薄膜工艺形成高密度互连布线而构成的多芯片组件。（2）布线线宽和线间距最小，具有更高的布线密度、封装效率以及更好的传输特性，适用于要求组装密度高、体积小的高频高性能系统。特点（1）薄膜工艺，电路性能最佳采用真空蒸发、溅射、电镀等成膜工艺，涂覆聚酰亚胺PI（εr=3.4）或苯并环丁烯BCB（εr=2.7）介质，采用光刻、反应离子刻蚀等技术制作电路图形。（3）成本高5.3.2LTCC近些年发展起来的多层集成电路技术，即LTCC技术，具有优异的高频性能，已成为微波毫米波高密度集成技术研究发展的热点微系统，SOP低温共烧陶瓷（LowTemperatureCo-firedCeramic：LTCC）技术：以厚膜技术和陶瓷多层技术为基础，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在850℃左右烧结，制成三维电路网络的无源集成组件；也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。应用领域包括：雷达T/R组件、移动通信前端设备、无线互连网络设备、医疗电子设备等5.3.2LTCCLTCC工艺流程生瓷带制备常见的生瓷带制造商如下：Dupont,Ferro,Heraeus,IKTS,CERAMTEC,NAMICS,……DupontHERAEUSDP·951PXCT2000DP·951A2/P2HL2000DP·951AT/PTCT700DP·951C2CT701DP·951C1CT702DP943P5CT703DP9K7VAHT03-003DP951RTCT707Pb-frei5.3.2LTCC毫米波LTCC系统应用举例接收机输入信号频率为35GHz±500MHz,中频输出信号为60MHz

接收前端原理框图

LTCC应用指标分配参量过渡SPSTLNAMixerLPF中放增益分配(dB)-1.5-1.521-6.5-120总增益(dB)-1.5-31811.510.5

30.5部件噪声(dB)1.51.52.66.514.5总噪声(dB)1.535.65.665.69

5.87LTCC应用13工艺及布局LTCC基板采用FERROA6生瓷带，共烧后单层厚度为0.094mm基板共9层，4层介质层，5层金属层层间内层金属及通孔填充采用银浆料,基板表面金属导体采用金毫米波传输线采用厚膜光刻技术，提高厚膜导体的分辨率。LTCC接收前端横截面示意图LTCC应用14LTCC基板形状为规则的矩形表面电路背面电路LTCC应用15LTCC接收前端第二次加工装配图加工样品LTCC应用16测试结果射频输入功率：-15dBm，本振输入功率：2dBm系统增益大于24.8dB，噪声系数小于9.4dB。

制作出的LTCC接收前端外形尺寸约为60mm×50mm×10mm，该模块的设计实现为LTCC技术在毫米波部件和系统中的应用提供了重要的技术基础和实践经验。LTCC应用LTCCAnsoft仿真设计实例——带通滤波器的设计技术指标：多层基板；通带频率：L波段相对带宽：40%;

插入损耗<3dB;LTCC应用18

Designer-电路图的设计滤波器电路原理图滤波器电路仿真结果LTCC应用19

Designer-LTCC原理图设计LTCC滤波器原理图LTCC应用20

Designer-拓扑结构的导出物理拓扑图滤波器三维结构LTCC应用21导入Hfss验证在Designer主菜单layout项选择exporttoHFSS,出现exporttoHFSS对话框，显示VBScriptScript脚本文件。在存储位置双击文件类型为VBScriptScriptFile图标，AnsoftHfss自动生成相应的LTCC滤波器模型。VBScriptScript脚本文件LTCC应用22设定变量进行仿真优化

Hfss-三维调谐和优化LTCC应用23

Hfss-三维EM验证滤波器立体模型LTCC滤波器S11和S21参数图LTCC应用24带通滤波器设计3的S21实测数据和滤波器外形图LTCC应用X波段LTCC接收前端LTCC应用根据系统设计需要，选取器件如下：前两级低噪声放大器均选用HMC516，第一个混频器选用HMC130，第二个混频器选用HMC277MS8，两个中频放大器均采用ERA-5，X波段镜频抑制带通滤波器采用多层五级切比雪夫交指型带通滤波器结构实现，L波段镜频抑制带通滤波器采用一种新型的四级准椭圆函数带通滤波器结构实现，最后的中频带通滤波器采用集总电感电容实现（外购）。LTCC应用工艺实现方面，介质材料FerroA6M，介电常数5.7，每层厚度0.094mm（烧结后）。根据以上所选器件的性能指标（部分为估算），可以大约估算出接收前端的增益和噪声系数，分别是44dB和3.1dB。估算过程未考虑传输线，接头，互联，器件装配引入的损耗，所以，实际测试结果与估算值之间会有些出入。LTCC应用接收前端中关键部件设计X波段LTCC交指型带通滤波器设计目标：中心频率9.5GHz，带宽1GHz，带内回波损耗优于20dB，对6.76-7.76GHz抑制优于25dB。该滤波器的介质基板有二十层介质，带通滤波器被埋置在上面的四层介质内，微带地在第五层金属层，剩余的十六层介质可以埋置其它电路结构和走线。LTCC应用测试样品仿真结果与测试结果整个滤波器的面积是8.1×7.4mm2。测试结果波形与仿真结果吻合的非常好。实测结果显示，在9-10GHz的频率范围内，插入损耗小于2.9dB（包括两个SMA接头），回波损耗优于11dB，对6.76-7.76GHz抑制优于35dB，达到了设计要求。LTCC应用新型的准椭圆函数带通滤波器立体结构图设计目标：中心频率1.14GHz，带宽0.08GHz，带内回波损耗优于15dB，对1GHz的抑制优于25dB，对7.88-8.88GHz的抑制优于20dB。LTCC应用仿真结果显示，通带插入损耗小于4.5dB，回波损耗优于16.2dB，在阻带内，对1GHz的抑制优于53dB，对7.88-8.88GHz的抑制优于21dB。另外，在滤波器的阻带内有四个传输零点，分别是：0.85GHz，1GHz，1.28GHz和2.48GHz，其中，传输零点1GHz和1.28GHz是由于谐振器1和4之间的跨偶产生的，而传输零点0.85GHz和2.48GHz是由于输入输出结构引入的。显然，本文设计的L波段带通滤波器达到了设计要求。LTCC应用X波段LTCC接收前端系统布局X波段LTCC接收前端的截面图正面板图背面板图1.包含二十层介质层和十二层金属层。2.为了方便安装MMIC芯片，在介质基板1到3层内预留有小空腔。3.整个介质基板的尺寸26×16×2mm3，结构非常紧凑。X波段LTCC接收前端实现测试样品1.介质基板是FerroA6M，介电常数5.7，每层厚度0