工艺技术_基于ltcc工艺的射频无源器件建模与研究论文

代号 分 类 号 学号 密级 代号 分 类 号 学号 密级 10701 10701 TN4 TN4 公开 公开 0817110148 0817110148 题题（中、英文）（中、英文）目目基于基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究 工艺的射频无源器件建模与研究 A Modeling and Study of RF Passive Components Based on LTCC Technology 作者姓名作者姓名 邢孟江 邢孟江 指导教师姓名、 职务指导教师姓名、 职务 杨银堂 教授 杨银堂 教授 学科门类学科门类 工学 工学 提交论文日期提交论文日期 二一二年一月 二一二年一月 学科、专业学科、专业 微电子与固体电子学 微电子与固体电子学 西安电子科技大学博士研究生学位论文西安电子科技大学博士研究生学位论文 基于基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究工艺的射频无源器件建模与研究 作者：作者： 邢孟江邢孟江 导师：导师： 杨银堂杨银堂 教授教授 学科：学科： 微电子学与固体电子学微电子学与固体电子学 中 国中 国西 安西 安 二一二年一月二一二年一月 A Dissertation Submitted to Xidian University in Candidacy for Ph.D Degree A Modeling and Study of RF passive components Based on LTCC Technology by MengJing Xing Xian, P. R. China January 2012 作者简介 邢孟江，浙江嵊州人。2008 年毕业于西安电子科技大 学获硕士学位。 2012 年 3 月获西安电子科技大获工学博士 学位。导师为杨银堂教授。 主要研究方向：基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模 与研究。 代表性成果及经历：已在电子学报 、 西安电子科 技大学学报 、 微波学报 、 International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging等权威、核心刊物和 国际重要学术会议发表学术论文 14 篇，发明专利 3 项。 Mengjiang Xing, was born in ShengZhou, ZheJiang Province, China, in 1981. He received his M.S. degree in School of Microelectronics from 2005, XiDian University, and now he was studying for the Ph.D. degree in School of Microelectronics, XiDian University, Xian, China. His advisor was Professor Yintang Yang. His research interests include modeling and study of RF passive components based on LTCC technology. He has published over 14 journal and conference papers in Acta Electronica Sinica, Journal of XiDian University, International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging. 西安电子科技大学西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明学位论文独创性（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： 西安电子科技大学西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明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撰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： 日 期： 摘 要 摘 要 低温共烧陶瓷（LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramic）技术作为一种新型 的封装技术，可将电路中的各种无源器件，如电容、电感、电阻、滤波器、耦合 器、双工器等完全掩埋在介质中，以三维多层电路结构的形式实现小型化贴片产 品，同时可与有源器件相结合用于研制各种高集成度、低成本的小功率射频与微 波功能模块。掩埋在介质基板内的滤波器、耦合器、双工器等三维射频无源器件 不同于常规的微带板无源器件，它们更能充分利用三维空间，这给小型化三维射 频无源器件的发展开拓了新的研究方向。本文结合科研课题，对低通滤波器、带 通滤波器、功率分配器、定向耦合器进行了深入研究，实现了多款不同功能的射 频无源器件。作者的主要工作和成果可以概括为以下几点： 1. 研究了 LTCC 无源元件建模方法，对 LTCC 单层电容、多层电容、平面螺 旋电感进行建模、仿真和加工验证，分析了单层电容、多层电容、平面螺旋电感 等各种结构的无源元件的使用方法和注意事项，通过设立变量的方法建立了传输 线、电感、电容、毫米波直流偏置电路等关键无源元件的三维电磁场模型库。 2. 研究了几种高/低通滤波器三维电磁场仿真模型。建立了五阶并联谐振、七 阶并联谐振和九阶串联谐振低通滤波器三维电磁场模型。在分析高阶椭圆函数滤 波器模型抑制度不高的情况下，提出了一种具有额外传输零点的并联谐振低通滤 波器模型，同时建立了采用不同介电常数介质层的高通滤波器模型。 3. 研究了具有传输零点 SIR 谐振带通滤波器和 LC 谐振带通滤波器的设计与 建模方法，提出了一种改进型的 SIR 谐振带通滤波器和一种具有传输零点的 T 型 带通滤波器，详细给出了基于 LTCC 技术的 SIR 谐振带通滤波器的设计方法，同 时采用 T 型带通滤波器结构，设计实现了一款应用于北斗导航通讯系统的双通道 带通滤波器。对部分设计实例中的带通滤波器进行了加工验证，测试结果与仿真 结果基本一致。 4. 研究了LTCC小型化功率分配器和定向耦合器三维层叠结构的实现方法，建 立了小型化威尔金森功率分配器、90电桥、90串联型电桥、180窄带巴伦、180 宽带巴伦三维电磁场仿真模型。其中功率分配器、90串联型电桥、180窄带巴伦 器件采用3216的标准封装， 可应用于1.616GHz北斗导航通讯系统和2.45GHz无线通 讯系统。180宽带巴伦，可应用于移动电视（CMMB）偶极子天线，解决手机终端 内置CMMB天线的问题。 关键词：三维射频无源器件、滤波器、功率分配器、定向耦合器、建模 关键词：三维射频无源器件、滤波器、功率分配器、定向耦合器、建模 ABSTRACT Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramic) technology, as a new packaging technology, can be used to bury a variety of passive circuit components in the medium, such as capacitors, inductors, resistors, filters, couplers, diplexers etc. It can achieve the miniaturization of chip products by forming three-dimensional multi-layer circuit, and can be used to develop the RF and microwave modules of highly integrated, low-cost and low-power by combining with some active devices. Different from the conventional passive devices, the filters, couplers, diplexers and other three-dimensional RF passive components berried in the medium, need to make full use of three-dimensional space, which gives us a new research direction for the development of RF passive components. Taking into account of research projects, the low-pass filters, band-pass filters, power dividers and directional couplers are studied in this paper. The main work and results of the author can be summarized as follows: 1. Based on the processing line of modeling method for LTCC passive components are studied in this paper. Specifically, this paper models and simulates the single-layer capacitors, multi-layer capacitors, stub inductors, planar spiral inductors and does some process validation to them. Then it analysis of the use methods and notes to the single-layer capacitors, multi-layer capacitors, planar spiral inductors and other passive components of variable structures, and after that it establishes a HFSS model library of some key components through setting up some variables, which contain transmission lines, inductors, capacitors, DC bias circuits of millimeter-wave. 2. Some high/low pass filters are introduced in this paper. It first researches the three-dimensional electromagnetic device models of LTCC low pass filters with five-order parallel resonant, seven-order parallel resonant or nine-order series resonant. In the case of the inhibition of high-order elliptic function LTCC filter is not enough, this paper proposes a new LTCC low pass filter model of parallel resonant with additional zeros. Whats more, it deals with some LTCC high pass filter models with different medium of different dielectric constant. 3. The design and modeling methods of SIR and LC band pass filter are presented in this paper. It not only puts forward an improved SIR band pass filter and a T-type LC filer with transmission zeros, but also gives an detail design method of designing the SIR band pass filter based on the LTCC technology. At the same time, it does process validation to some of the band pass filters in the previous design examples, and the text results are consistent with the simulation results, so that these band pass filters can be applied to modern communications systems. 4. The implementation methods of the miniaturized LTCC power dividers and directional couplers are described in this paper. In details, it designs the three-dimensional electromagnetic models of the Wilkinson power divider, 90 bridge, 90 series-bridge, 180 balun, 180 broad band balun, and implements the miniaturization of them. Some devices, such as power divider, 90 series-bridge, 180 balun use a standard of 3216 package, so that they can be applied to the Beidou navigation system of 1.616GHz and can be used for the wireless communication system of 2.45GHz. Mainly used in the mobile TV (CMMB) dipole antenna, the 180 broad band balun solves the problem of built-in antenna in mobile TV (CMMB). Key words: three-dimensional RF passive components, filters, power divider, directional couplers, modeling 目 录 目 录 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 MCM 与 LTCC 技术.1 1.2 MCM 研究现状.6 1.3 论文的研究内容及作者主要工作.9 第二章第二章 LTCC 无源元件建模技术研究无源元件建模技术研究.13 2.1 MCM 中的无源元件建模技术.13 2.2 基本无源元件建模与研究.15 2.3 小结.20 第三章第三章 小型化高小型化高/低通滤波器建模与研究低通滤波器建模与研究 .21 3.1 滤波器的基本原理.21 3.2 滤波器的主要技术指标.23 3.3 小型化低通滤波器建模与研究.24 3.4 小型化高通滤波器建模与研究.39 3.5 小结.41 第四章第四章 小型化带通滤波器建模与研究小型化带通滤波器建模与研究 43 4.1 带通滤波器基本原理43 4.2 SIR 谐振带通滤波器建模与研究 48 4.3 LC 宽带带通滤波器建模与研究61 4.4 双通道带通滤波器建模与研究.69 4.5 小结73 第五章第五章 小型化功分器和定向耦合器建模与研究小型化功分器和定向耦合器建模与研究 75 5.1 功率分配器和定向耦合器的主要指标.75 5.2 小型化功率分配器建模与研究.77 5.3 小型化窄带巴伦、宽带巴伦建模与研究.80 5.4 小型化电桥耦合器建模与研究.89 5.5 小结.95 第六章第六章 结束语结束语.97 6.1 论文研究的主要结果.97 6.2 需要进一步研究的问题.98 致 谢致 谢.101 参考文献参考文献.103 攻读博士期间的研究成果攻读博士期间的研究成果.115 基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 集成电路从 1970 年的 2.5m 发展到目前的 25nm，再过 10 年其发展将接近极 限，技术水平与制造成本将制约它继续朝前发展1.1-1.4。而基于无源器件的封装技 术几十年来并未得到充分发展，与集成电路的发展极为不同步。近几年，纳米材 料、薄膜工艺及激光技术的发展给无源器件的封装技术注入了新的发展动力 1.5-1.16。以多芯片组件（MCM, Multi-Chip Module）为代表的新一代电子组装与封 装技术是在高密度多层互联基板上，采用微焊接和封装工艺把构成电子电路的各 种微型元器件（集成电路裸芯片及片式元器件）组装起来，形成高密度、高性能、 高可靠、立体结构的微电子产品（包括组件、部件、子系统、系统）的综合性技 术，目前多芯片组件（MCM）朝着小型化、高频化、设计自动化的方向发展。低 温共烧陶瓷（LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramic）以其优异的电子、机械、 热力特性已成为未来多芯片组件（MCM）集成化、模块化的首选方式，广泛用于 基板、封装及微波器件等领域。低温共烧陶瓷（LTCC）技术作为一种新型的封装 技术，可将电路中的各种无源器件，如电容、电感、电阻、滤波器、耦合器、双 工器等完全掩埋在介质中，以三维多层电路结构的形式实现小型化贴片产品，同 时可与有源器件相结合用于研制各种高集成度、低成本的小功率射频与微波功能 模块。掩埋在介质板内的滤波器、耦合器、双工器等射频无源器件不同于常规的 微带板无源器件，它们更能充分利用三维空间，这给小型化射频无源器件的发展 开拓了新的研究方向。 射频无源器件的种类很多，主要有高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、 功率分配器、电桥、巴伦等常用器件。对于各种器件，根据应用场合的不同，需 要对不同指标的射频无源器件进行重新设计，这给快速发展的无线通讯系统带来 了阻碍，所以有必要去研究各种三维射频无源器件的电路、结构与布局，建立通 用的三维电磁场器件仿真模型库，缩短产品开发周期，提高成品率。 1.1 1.1 MCM 与与 LTCC 技术 技术 1.1.1 多芯片组件（MCM） 多芯片组件（MCM）已有十几年的发展历史，MCM 组装的是超大规模集成 电路和专用集成电路的裸片，而不是中小规模的集成电路，在技术上 MCM 追求 基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究 2 高速度、高性能、高可靠性和多功能，而不像一般混合 IC 技术以缩小体积和重量 为主。根据多层互连基板的结构和工艺技术的不同，MCM 大体上可分为三类： （1） 层压介质 MCM(MCM-L)。 MCM-L 是采用多层印制电路板做成的 MCM， 制造工艺较成熟，生产成本较低，但因芯片的安装方式和基板的结构所限，高密 度布线困难，因此电性能较差，主要用于 30MHz 以下的产品。 （2）陶瓷或玻璃瓷 MCM(MCM-C)。MCM-C 是采用高密度多层布线陶瓷基 板制成的 MCM，结构和制造工艺都与先进 IC 极为相似，其优点是布线层数多， 布线密度、封装效率和性能均较高，主要用于工作频率(30-50)MHz 的高可靠产品。 它的制造过程可分为高温共烧陶瓷法(HTCC)和低温共烧陶瓷法(LTCC)，由于低温 下可采用 Ag、Au、Cu 等金属和一些特殊的非传导性材料，近年来，低温共烧陶 瓷技术的发展，使其工作频率可以工作到 60GHz。 （3）硅或介质材料上的淀积布线 MCM(MCM-D)。MCM-D 是采用薄膜多层 布线基板制成的 MCM，其基体材料又分为 MCM-DC(陶瓷基体薄膜多层布线基 板的 MCM)、MCM- DM(金属基体薄膜多层布线基板的 MCM)、MCM-DSi(硅 基薄膜多层布线基板的 MCM)等三种，MCM-D 的组装密度很高，主要用于 500MHz 以上的产品1.17。 典型的 MCM 应至少具有以下特点： （1）MCM 是将多块未封装的 IC 芯片高密度安装在同一基板上构成的部件， 省去了 IC 的封装材料和工艺，节约了原材料，减少了制造工艺，缩小整机组件 封装尺寸和重量。 （2）MCM 是高密度组装产品，芯片面积占基板面积至少 20以上，互连线 长度极大缩短，封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化。 （3）MCM 的多层布线基板导体层数应不小于 4 层，能把模拟电路、数字电 路、功率器件、光电器件、微波器件及各类片式化元器件合理有效地组装在封装 体内， 形成单一半导体集成电路不可能完成的多功能部件、子系统或系统。使线 路之间的串扰噪声减少，阻抗易控，电路性能提高。 （4）MCM 避免了单块 IC 封装的热阻、引线及焊接等一系列问题，使产品的 可靠性获得极大提高。 （5）MCM 集中了先进的半导体 IC 的微细加工技术，厚、薄膜混合集成材料 与工艺技术，厚膜、陶瓷与 PCB 的多层基板技术以及 MCM 电路的模拟、仿真、 优化设计、散热和可靠性设计、芯片的高密度互连与封装等一系列新技术，因此， 有人称其为混合形式的全片规模集成 WSI(Wafer-scale Integration)技术。 1.1.2 低温共烧陶瓷（LTCC）技术 LTCC 为低温共烧陶瓷的英文“Low Temperature Co-fired Ceramic”的缩写， 第一章 绪 论 3 它是由休斯公司于 1982 年开发的一种新型组装技术，相对于高温共烧陶瓷技术而 言，主要利用银导体在没有熔化之前，将陶瓷材料烧熟（高温共烧陶瓷只能在陶 瓷烧熟后，再做银导体）1.18。由于它采用后烧工艺，能为各种电子系统的元器件 以及模块小型化、轻量化提供了较好的解决途径，因此在国内国际上越来越受到 重视1.19-1.26。 LTCC 的工艺流程如下：第一步：将配好的陶瓷粉料通过流延制成一定厚度的 陶瓷生带(green tape） 。第二步，将流延好的生瓷带切割成 6 英寸或 8 英寸的生瓷 片，目前最先进的工艺是 10 英寸。第三步，将切成一定尺寸后的生瓷片利用激光 或机械打孔机，在需要过孔的位置打孔。第四步，如果内部需要有空腔，用冲击 或者打孔机，冲出空腔。第五步，采用填孔设备，把通孔灌满银浆，目前这个工 艺最为复杂，直接影响成品率。主要原因，生陶瓷片具有收缩率，银浆要填的恰 到好处。第六步，再把设计好的电子线路图形以金属浆料印刷在多层陶瓷生带上。 第七步，将这些应刷有银浆图形的生带叠加在一起，采用等静压设备将多层生瓷 片进行叠压。第八步，采用生瓷切割机，对压好的膜片进行切割成单个器件或模 块，第九步，将切割好的器件或者模块进行一次性低温排胶(800900)烧结。第 十步，做器件的端电极或者测试。图 1.1 为 LTCC 基本工艺流程图1.27。 图 1.1 LTCC 基本工艺流程图 LTCC 基板关键制造工艺介绍： （1）流延：流延工艺包括配料、真空除气和流延三道工序。对流延出的生瓷 膜片要求是：致密、厚度均匀(0.050.2mm)、有一定强度，能保证生膜片的宽度 不小于 6 英寸且具有足够强度。流延工艺的关键是机械设备、材料配方及对工艺 基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究 4 参数的控制。配制流延浆料有两个工艺条件必须注意，一是制备流延粘合剂（流 延载体）时，要加润湿剂，它对改善粉料分散性和浆料的流动性有显著作用；二 是在混合浆料中加入除泡剂，经搅拌除去气泡。这样就能获得质量均匀、致密、 有韧性的流延膜带。 由于目前国内的流延设备大都是与 MLC 配套引进的， 流延厚 度一般在 0.1mm 以下。 （2）下料：生瓷带大多以卷轴形式供货，下料时应该将其展开于洁净的不锈 钢工作台面之上，可采用切割机、激光或冲床进行切割，如果采用激光切割，应 注意控制激光的功率以免引起生瓷带的燃烧。有些生瓷带，如 Dupont 公司的生瓷 带在切割前要进行预处理，在 120温度下烘烤约 30min，时间的长短根据不同的 厂家和材质而不同。如需要进行预处理，则在生瓷带切割时的尺寸应略大于下料 尺寸。下料时应用下料膜来设定定位孔和叠压工具用孔（但应考虑 x/y 方向的伸 缩率） 。 （3）打孔：通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量，通孔 过大或过小都不易形成盲孔。生瓷带的打孔主要有 3 钟方法：钻孔、冲孔和激光 打孔。 钻孔的打孔速度为每秒 35 孔， 精确为50m， 最小的孔径一般在0.25mm 以上，钻更小通孔时，钻头易折，钻孔成本昂贵；冲孔的速度大于钻孔速度，根 据冲床的不同和所冲孔的复杂程度而有所变化，孔径小于钻孔并且精度很高，是 很好的打孔方法；激光法所打孔精度和孔径都介于钻孔和冲孔之间，但其打孔速 度为最高，且所打孔易于形成盲孔，故是最理想的打孔方法。对于低温共烧工艺 来说， 通孔直径最好为 0.100.25mm。 这对提高布线密度和改善通孔金属化都有利。 如通孔直径0.25mm 或0.10mm， 金属化时都很难形成盲孔， 从而降低了基板的 成品率和可靠性。 （4）通孔填充：通孔填充是制造 LTCC 基板的关键工艺之一，其方法有三 种：厚膜印刷、丝网印刷（Screen Printing）和导体生片填充法。印刷机是专门为 LTCC 生产而设计的，其工作台是多孔陶瓷或金属板，四角上各有一个与生瓷片 上定位孔一致的定位柱，直径为 1.51.6mm；工作时，工作台下面用真空机抽成 负压，压力适中，一般为 665864.5Pa（500650mmHg） 。厚膜印刷和丝网印刷 时，要在工作台和生瓷带之间放一张滤纸（或用硅酮浸过的檫镜纸） ，防止金属浆 料从通孔漏到工作台上，印刷后把生瓷片和滤纸一起取走，在 70100下烘烤 510min，然后再取下滤纸。丝网网罩一般采用 250 目以上不锈钢制作，或采用高 开孔率尼龙丝网为宜，网罩上的孔径应略小于生瓷带上的通孔的孔径，这样可提 高盲孔的形成率，最好采用接触式印刷，丝网乳胶厚度约为 30m。厚膜印刷用黄 铜或不锈钢做掩膜， 厚度 2530m。 导体生片填充法是将厚度略大于生瓷带的导 体生片冲成通孔以达到金属化。导体生片采用流延工艺生成。此法可提高多层基 板的可靠性，但工艺不够成熟。填充通孔的浆料应具有适当的黏度和流动性。选 第一章 绪 论 5 择填充浆料不当，印刷时不易形成盲孔，通孔填充后要进行烘干、盲孔检查和修 补。通孔浆料应有良好的流变性能和合适的黏度。根据通孔大小在 10002500Pa 范围内调节黏度。浆料流变性不好或黏度不合适，印刷时不易形成盲孔。印刷后 应在显微镜下检查通孔，对没有填充好的通孔进行修补，这一点很重要。 （5）对位：对位包括印刷时丝网与生瓷片之间的对位和叠片时生瓷片与生瓷 片之间的对位。如对位精度太差基板布线网络可能会断路或短路，因设有定位孔， 叠层定位的精度较高，一般满足设计的要求，最关键的是印刷定位。不同的布线 密度(线宽，线间距、通孔直径、通孔覆盖面、孔线间距等)，对定位精度有不同 的要求。影响对位精度的主要因素是：打孔精度误差、照相制版精度误差和印刷 机手动调节对位视觉误差。目前有能达到较好效果的对位印刷机有 Ferro 公司采 用的 AM19156 型自动可视对位印刷机。 （6）布线设计及金属化：在进行 CAD 布线设计时，必须根据对位精度及通 孔大小来设计线宽、线间距及其它参数才能保证基板的成品率。采用 LTCC 基板 技术可以把线和间距做得很细，但成本增加，要综合考虑。LTCC 基板的内层金 属化有两种方法：丝网印刷和计算机直接描绘。 （7）叠层与热压：将填充好通孔和金属化后的生瓷片放入叠模中，叠模上设 计有与生瓷片对位孔一致的对位柱，保证对位精度。模具最好用硬质材料加工， 防止多次使用后变形。叠压工艺中最关键的是压力须均匀一致，且压力要适中。 压力过大，排胶时会起泡分层；过小也会分层，且基板收缩率较大，收缩率一致 性差。 （8）切割：采用生瓷切割机，对压好的膜片进行切割成单个器件或模块。 （9）排胶与烧结：排胶可在普通马福炉中进行，排胶速度根据基板厚度而定， 升温速度为 0.20.5/min，升至 450后，保温 35h。烧结既可以在马福炉中 进行也可以在链式炉中进行，升温速度为 8/min，烧结工艺的关键是烧结曲线和 炉膛温度的均匀性，它与烧结后基板的平整度和收缩率有关。炉膛温度均匀性差， 基板烧结收缩率的一致性就差。烧结时，升温速度过快会导致烧结后基板的平整 度差、收缩率大。 （10）测试：烧结后的 LTCC 基板必须进行测试，验证基板布线的连接性。 测试器主要是探针测试仪、美国微组装系统(MMS)公司的自动晶片探针仪。也可 采用做侧边电极进行测试。 与其它集成技术相比，典型的 LTCC 技术具有以下特点： （1）LTCC 陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性。根据配 料的不同，LTCC 材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金 属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数，增加了电路设计的灵活 性； 基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究 6 （2）LTCC 陶瓷材料可以适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通 PCB 电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高，可 应用于恶劣环境，延长了其使用寿命； （3）LTCC 陶瓷材料可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋 入其中，免除了封装组件的成本，在层数很高的三维电路基板上，实现无源和有 源的集成，有利于提高电路的组装密度，进一步减小体积和重量； （4）LTCC 陶瓷材料与其他多层布线技术具有良好的兼容性，例如将 LTCC 与薄膜布线技术结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多 芯片组件； （5）LTCC 非连续式的生产工艺，便于成品制成前对每一层布线和互连通孔 进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本。 （6）LTCC 迎合了节能、节材、绿色、环保这一潮流，已经成为元件行业发 展趋势，LTCC 最大程度上降低了原料，废料和生产过程中带来的环境污染1.28。 1.2 1.2 MCM 研究现状 研究现状 1.2.1 MCM 组件的高频化 国外基于 LTCC 技术的模块电路设计已经展开，MCM 组件正向高频化、小尺 寸、三维立体组件方向发展，基于 LTCC/LCP 技术的薄膜电路技术已从 50MHz 的 低频段延伸到 60GHz 的毫米波频段。国外制作的微波频段 MCM 模块，主要采用 低温共烧陶瓷技术（LTCC），如欧洲 RMAP 项目（BE-97-4883）,研究了一个基 于 LTCC 技术的 Ka 波段收发组件，如图 1.1 所示，该组件应用于 LMDS 的点对点 通讯中， 工作中心频率为 26GHz， 总共采用了厚度为 0.1mm 的 5 层 Ferro-A6 低温 共烧陶瓷基板，其中三维组件中嵌入了 12 个 GaAs MMIC 裸芯片和一系列包括滤 波器在内的无源元件。该组件包括发射支路（TX）、接收支路（RX）和本振支路 （LO），可以按 EPRO 和 ERO 标准分别工作在终端和基站。整个模块采用接地通 孔实现各个模块之间的有效隔离，芯片的整体尺寸为 617721mm3。输入输出以 SMA 的形式从两边馈电，而直流偏置则以排线的形式从上下侧边接入。发射支路 输出功率为 428dBm，由于功率附加效率引起的热损耗约为 1.4W，为解决在发 射支路功放电路引起的散热问题，在功放电路的 LTCC 基板下加入阵列导热孔以 增加 LTCC 基板的热导性能。该收发组件发射支路增益为 56dB，接收支路的输入 功率为-1816dBm，接收支路增益为 65dB，谐波抑制达到 30dBc 以上1.29。 第一章 绪 论 7 图 1.1 Ka 波段的 T/R 组件 图 1.2 移相接收机 LTCC 模块 日本 NEC 于 2006 年研制出 1.25Gb/s 的收发模块，采用 LTCC 技术，工作于 60GHz，应用于高速以太网和实时高清晰度视频信号传输1.30。美国军方在 2008 年已经研制出 35GHz 移相接收机模块，如图 1.2 所示，模块中包含有两个移相器 开关，四个环形器、8 个 GaAs 单片集成低噪声放大器、多个 Wilkinson 功率分配 器和埋置在 LTCC 多层基板的阻容元件，实现了接收组件的高度集成。美国军方 的 GPS 接收机 MCM 也是采用 LTCC 技术实现的，基板尺寸为 3535mm2，8 层布 线，总厚度为 0.9mm。采用厚度为 0.11mm 的 LTCC 材料作为介质层，共有 9 个裸 芯片、2 个晶体管裸芯片、2 个二极管裸芯片、19 个电阻、10 个电感、50 个电容 器、1 个晶体滤波器、1 个陶瓷滤波器和 RF 同轴连接器，内引线采用 Al 丝超声焊 键合，外形尺寸为 353510mm3。 2011 年， 德国 IMST 在一个 Ka 波段的卫星通讯系统项目中 （FKZ 50 YB 0627） 全部采用了 LTCC 技术， 图 1.3 为研制的 LTCC 频踪器， 主要有一个基于 BiCMOS 工艺的小数分频器、一个基于 SiGe 工艺的 VCO，还有 GaAs 单片放大器、电桥、 混频器、SPDT 开关和功率检测器等。图 1.4 为将多个 LTCC 频率合成器放置在基 板上的 LTCC 频率合成器测试版。图 1.5 为利用 LTCC 技术实现的开关矩阵组件。 整个组件在 LTCC 基板上实现，该组件包括了一个 44 的开关矩阵，集成了 PIN 二极管和带有宽带匹配传输线的 SPDT 开关 IC 芯片以及埋置的无源器件。在 18GHz27GHz，回波损耗大于-20dB，插入损耗小于 6dB，隔离度大于 50dB，芯 片尺寸为 2.52.51cm3，总重量大约为 20g。为了检测整个系统的工作状态，在该 模块中增加了数字控制器、功率检测器、温度传感器等模块。图 1.6 是该项目中应 用在 Ka 波段的收发组件的整体结构，该收发组件可以成功的应用于 S 波段和 Ka 波段。收发组件利用 LTCC 技术二次集成了混频器、信号源、功率放大器等模块， 实现了高可靠性， 图 1.7 为将多个收发组件及功能模块放置在一起的卫星通讯整机 结构1.31-1.80。 基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究 8 图 1.3 LTCC 频踪器 图 1.4 利用 LTCC 技术实现的频率合成器测试版 图 1.5 LTCC 技术实现的开关矩阵 图 1.6 利用 LTCC 技术实现的收发机 图 1.7 基于 LTCC 技术的卫星通信整机结构 1.2.2 MCM 模块电路设计自动化 所有基于 LTCC 技术的 MCM 模块电路自动化设计,需要基于 LTCC 技术的无 源器件模型作支撑。由于是在射频频段工作，元器件在较高频率下的实际行为与 理想元器件模型相去甚远，若不建立上述元器件的精确器件模型及设计相应的器 件模型库，要提高一次设计成功率是十分困难的。因此，精确的器件模型是模块 电路设计的基础。有了精确的器件模型，就可以准确预测微波电路的非线性行为。 第一章 绪 论 9 在实际制造之前，模块电路调用器件模型完成准确的设计和优化，使设计一次成 功的可能性大大增加，即开发费用更少，投放市场更快。对于基于 LTCC 技术的 射频/微波 MCM 的器件建模研究工作，目前国外主要集中在嵌入式无源器件的建 模， 特别是高 Q 值带通滤波器的设计和建模工作。 美国雷声公司的研究人员在 2006 年对基于 LTCC 技术开展了多频段、 多带宽的建模工作， 设计制作了 23GHz、 4 6GHz、812GHz 的阵列带通滤波器并建立了相应的模型，模型可根据需求设计 712 阶的滤波器。瑞典 ETH 研究小组从 2002 年开始一直致力于微波/毫米波的 无源器件设计、建模和测试研究工作，并研究了 LTCC 技术实现集成 RF 无源器件 的特点， 采用NiCr实现了LTCC 50欧姆负载电阻， 输入匹配度S11=-28dB59GHz， 并开展了基于 MCM-LTCC 技术的集成化设计方法学研究工作，设计环境为 ADS-HFSS。 国内的 LTCC 三维射频无源器件建模研究工作进展缓慢，中电 43 所、中电 13 所、中电 55 所、兵器 214 所、西安电子科技大学、电子科技大学、清华大学、东 南大学、上海交通大学等单位都尝试进行了软件和元件标准库的开发研究，针对 特定的工艺线建立了一些常用的 LTCC 标准三维元件库，并验证了建模技术的可 行性和正确性。但总体来说国内的建模技术缺乏系统性，在微波 MCM 设计中主 要靠人为的经验，设计效率和成功率较低。 1.3 论文的研究内容及作者主要工作 1.3 论文的研究内容及作者主要工作 1.3.1 论文的研究内容及写作安排 作者紧密结合当前军事、 民用对各种 MCM 射频收发组件中基于 LTCC 技术的 射频无源器件模型的需求，着重围绕小型化三维封装射频低通滤波器、带通滤波 器，功率分配器以及电桥耦合器的优化设计方面开展研究。全文共分六章，其主 要内容是： 第一章绪论，主要阐述了论文相关课题的研究背景和意义，简述了 MCM 与 LTCC 技术的特点；介绍了系统模块电路的发展趋势及模块电路设计自动化的需 求；阐述了基于 LTCC 技术的三维射频无源器件建模与研究发展现状；最后介绍 了本文的研究内容以及作者的主要工作。 第二章介绍了传输线、电感、电容等关键无源元件三维电磁场仿真模型以及 如何提取元件值与寄生参数，并通过实际加工测试验证了传输线、电感、电容等 关键无源元件仿真参数的正确性。分析了单层电容、多层电容、平面螺旋电感等 无源元件的使用方法和注意事项，通过设立变量的方法建立了传输线、电感、电 基于 LTCC 工艺的射频无源器件建模与研究 10 容、毫米波直流偏置电路等关键无源元件的三维电磁场仿真模型。 第三章建立了五阶并联谐振、七阶并联谐振、九阶串联谐振低通滤波器及不 同介电常数的 LTCC 高通滤波器模型。在分析高阶低通滤波器模型抑制度不高的 情况下，提出了一种具有额外传输零点的并联谐振低通滤波器模型。 第四章研究了带有传输零点的SIR谐振带通滤波器和LC谐振带通滤波器设计 建模方法，提出了一种改进型的 SIR 谐振带通滤波器和一种具有传输零点的 T 型 LC 滤波器，并详细给出了基于 LTCC 技术的 SIR 谐振带通滤波器的设计方法，同 时采用 T 型带通滤波器结构设计实现了一款应用于北斗导航通讯系统的双通道带 通滤波器。对部分设计实例中的带通滤波器进行了加工验证，测试结果与仿真结 果基本一致，使得这些带通滤波器能够适用于现代通讯系统中。 第五章研究了 LTCC 小型化功率分配器和定向耦合器的实现方法，建立了小 型化威尔金森功率分配器、90 电桥、90 串联型电桥、180 窄带巴伦、180 宽带 巴伦三维电磁场仿真模型。其中威尔金森功率分配器、90 串联型电桥、180 窄带 巴伦器件采用 3216 的标准封装，可应用于 1.616GHz 北斗导航系统和 2.45GHz 无 线通讯系统。设计的 180 宽带巴伦，主要应用于移动电视（CMMB）偶极子天线， 解决了手机终端内置 CMMB 天线的问题。 第六章对全文内容进行了系统的总结，并提出了有待于进一步研究的课题。 1.3.2 作者的主要工作及创新点 结合国内外最新研究成果，根据科研项目的实际需要，主要进行了以下研究： 1.提出了基于LTCC技术的无源元件建模方法， 建立了结合LTCC工艺的电感、 电容、毫米波直流偏置三维电磁场模型库。 2.建立了一种具有额外传输零点的并联谐振 LTCC 低通滤波器模型，并对 1.66GHz 的低通滤波器模型进行了加工验证，实现了通带内插入损耗小于 1.4dB， 在 1.90GHz2.15GHz 通带内抑制大于 34dB， 在 2.15GHz6GHz 通带内抑制大于 40dB，尺寸为 3.2mm1.6mm0.95mm。 3.建立了基于 LTCC 技术的带有传输零点的 SIR 谐振带通滤波器模型，并对 应用于卫星终端中频（中心频率 1645MHZ，带宽 250MHz）接收通道的滤波器进 行了加工试验，提出了一种改进型的 SIR 谐振带通滤波器模型，并对应用于无线 通讯的射频滤波器进行了加工试验， 实现了 2350MHz2550MHZ 通带内插入损耗 小于 2.0dB，在 3GHz5GHz 范围内抑制大于 35dB，在 0.1GHz1.8GHz 范围内 抑制大于 35dB，尺寸为 3.2mm1.6mm1.2m