微波集成电路 课件 第五章 微波混合集成技术-5.7MCM

5.7.1概述5.7.2LTCC工艺和技术5.7.3微波LTCC电路设计5.7.4微波毫米波LTCC系统应用第五章微波混合集成电路5.7微波多芯片组件MCM5.7.1概述多芯片组件（Multi-ChipModule）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。5.7.1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%5.7.1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；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5.7.1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-D5.7.1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5.7.1概述MCM-D（Deposition）：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5.7.1概述各类MCM封装工艺比较5.7.2LTCCLTCC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5.7.2LTCCLTCC生瓷带——由粉料流延工艺制备而成工艺制作包括：配料、真空除气和流延等三道工序。首先将玻璃陶瓷粉、润湿剂、有机粘合剂按照一定的比例混合；然后经过浆化形成浆料浇注在移动的载带上(通常是聚脂膜,即Mylar)，形成致密、厚度均匀、易于加工并具有足够强度的生瓷带；烘干LTCC生瓷带切割成片生瓷带在制备过程中载带延伸方向与其垂直方向受力大小不同，会导致后期共烧工艺后横向和纵向收缩率不同，需在载带上切割时做好标记膜带的致密性、厚度的均匀性和强度是关键5.7.2LTCCLTCC生瓷带常见的生瓷带制造商如下：Dupont,Ferro,Heraeus,IKTS,CERAMTEC,NAMICS,……DuPont951主要用于中低频电路FerroA6M主要用于微波和中高频电路5.7.2LTCCLTCC导体材料导体材料：1.银Ag;2.混合金属外层是可焊接的PdAg导体及可丝焊的Au导体;内层是Ag导体）涉及到焊接的焊盘需加厚处理。5.7.2LTCCLTCC加工工艺流程5.7.2LTCCLTCC加工工艺流程（1）生瓷带片准备阶段切割成标准尺寸的生瓷带片（比如：85*85mm）标记方向，防止后期三维堆叠烧结时翘曲烘干，除去水分及有机挥发性物质5.7.2LTCC（2）孔和腔制作孔与腔制作方法：机械、激光孔包括三大类：定位孔；接地孔：导热、屏蔽、接地层间互连孔：RF、DC……;接地孔和互连孔需要金属化填充(导体浆料)腔在电路印刷完毕后制作定位孔和布版区域5.7.2LTCC（2）电路（图形）印刷图形印刷方法:厚膜丝网印刷、薄膜电路、计算机控制布线

厚膜丝网印刷：最小线宽100um，最小线间距150um，成本低，性价比高；薄膜沉积或薄膜光刻:成本高，仅适合最外层电路（Dupont光刻浆料线宽可到40~50um）；计算机直接绘制：方便灵活，效率低，对导电浆料黏度和干燥速度要求高5.7.2LTCC（2）电路（图形）印刷为避免烧结时基板翘曲，电路图形中金属层面积不能过大不同类型的浆料，面积要求不同。细线浆料面积不能过大，接地面浆料可以适当大些；导带线宽：0.1~1.5mm,推荐0.15~0.2mm大面积导体采用栅格状结构，其中导体覆盖面积不大于50%，栅格线条宽0.25~0.4mm,线条间距0.55mm。（栅格可平行，也可45°角分布）5.7.2LTCC（2）电路（图形）印刷电阻图形，为LTCC表面电阻，一般方阻100Ω/□5.7.2LTCC（2）电路（图形）印刷电阻图形，为LTCC表面电阻，一般方阻100Ω/□5.7.2LTCC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23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24LTCC基板形状为规则的矩形表面电路背面电路LTCC应用25LTCC接收前端第二次加工装配图加工样品LTCC应用26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28

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29

Designer-LTCC原理图设计LTCC滤波器原理图LTCC应用30

Designer-拓扑结构的导出物理拓扑图滤波器三维结构LTCC应用31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32设定变量进行仿真优化

Hfss-三维调谐和优化LTCC应用33

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34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，各器/部件如下：前两级低噪声放大器: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；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L