（电磁场与微波技术专业论文）多层陶瓷集成电路中无源元件的电磁建模与设计方法.pdf

摘要 随糟无线通信事业的飞速发展，剁频工程师和判装工程师面临着电子产品向更 高密度，更高稳定性，和更多功能性发展的挑战。多层陶瓷集成电路( m c i c s ) 是解决 这个问题的方案之一。除了准确的控制陶瓷材料的介质参数以外，精确的电磁仿真和 有效的设计方法是这一技术得以进一步推广的关键因素。 本论文通过一个基于低温共烧陶瓷( l t c c ) 工艺的手机双工器设计，针对 m c i c s 巾无源电路元件分析方法和设计方法中的儿个重要问题提出了相应的有效解 决方案。这个设计采用了一种常用的分块设计的方案。 本论文采用了一种s t o e r b u l i r s c h 算法提出了一科，新的自适应频率采样( a f s ) 技术，称为s b a f s 方法。这种方法可以在一个很宽的频段内实现电路响应的有理函 数插值，从而大大提高了传统a f s 技术的效率，加快了复杂微波电路电磁仿真的速 度。 利用t h r o u g h r e f l e c t l i n e ( t r l ) 校准技术本论文提出了一种提取多层无源元件 电磁仿真网络参数的方法。这里采用了模式分析和有限元相混合的方法来分析多层无 源电路。在这种技术巾，一个无源元件被看作一系列传输线不连续沿分层表面垂直方 向的级联。 基于s - ba f s 算法，本文提出了一个多维的插值方案来获得常用无源元件的元 件库。该元件库的使用可以有效的减少部分电路初始化设计的时间。最后，s ba f s 算法同神经网络相结合，加1 速了利用神经网络建立无源元件元件库的过程。 关键字：m c i c s ，a f s ，t r l 校准，f e m m m ，n n ，s m a b s t r a c t r f d e s i g n e r sa n dp a c k a g i n gd e s i g n e r sa r ef a c i n gt h ec h a l l e n g e st om a k e e l e c t r o n i c p r o d u c t sw i t hh i g hd e n s i t y ，h i g hs t a b i l i t ya n dh i g hf l m c t i o n a l i t y m u l t i l a y e rc e - r a m i ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( m c i c s ) i sat e c h n i q u et os o l v et h i sp r o b l e m a na c c u r a t ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o na n da ne f f e c t i v ed e s i g np r o c e d u r et h ep r i m a r y f a c t o r sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n i q u e t h et o p i c ss t u d i e di nt h i st h e s i sa l lc o l n cf r o map r a c t i c a ld e s i g nw h i c hi s c o n d u c t e da tt i l eb e g i n n i n go ft h i ss t u d y t h ed e s i g nf o l l o w sac o m m o n l yu s e d d e s i g np r o c e d u r e ，c a l l e das e g m e n t a t i o na p p r o a c h a g e n e r a ls t o e r b u l i r s c ha l g o r i t h mi se m p l o y e dt od e v e l o pan e wa d a p t i v e f r e q u e n c ys a m p l i n gs c h e m e ，c a l l e d s - ba f s t h i s a p p r o a c h l e a d st oa ne x t r aw i d e b a n d w i d t hr a t i o n a li n t e r p o l a t i o n t h ep r o p o s e da p p r o a c hg r e a t l yi m p r o v e st h e e f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a la f st e c h n i q u e sa n da c c e l e r a t e st h ee l e c t r o m a g n e t i c s i n m l a t i o no fc o m p l e xm i c r o w a a r ec i r c u i t s an e we f f i c i e n tsp a r a m e t e re x t r a c t i o nt e c h n i q u eb ye x p l o i t i n gt r lc a l i - b r a t i o ni si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h et e c h n i q u ef a c i l i t a t e st h em o d e l i n go f m u i t i l a y e r e dp a u s s i v e c i r c u i t s u s i n gt h eh y b r i d m o d em a t c h i n ga n df i n i t ee l e - m e n tm e t h o d ( m m f e m ) w i t ht h ep r o p o s e dt e c h n i q u e ，ap a s s i v ec o m p o n e n t i s v i e w e da sas e r i e so fc a s e a d et r a n s n f i s s i o nl i n ed i s c o n t i n u i t i e sa l o n gt h ed i r e c t i o n t h a ti sp e r p e n d i c u l a rt ot h el a y e rs u r f a c e s am u l t i d i m e n s i o n a li t l t e r p o l a t i o na p p r o a c he x p l o i t i n gs - ba f si sd e v e l o p e d f o rg e n e r a t i n gal i b r a r yc o m p r i s e db yc o m m o n l yu s e dp a s s i v ec o m p o n e n t s t h e s - ba f st e c h n i q u ei su s e di na ns m - b a s e dn e u r o m o d e l i n gp r o c e s st oe l i m i n a t e t h eo v e r h e a df o rp r e p a r i n gan e u r a lm o d e lo fap a s s i v ec o m p o n e n t k e y w o r d s ：m c i c s a f s ，t r lc a l i b r a t i o n ，f e m m m ，n n ，s m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，往 本学位论文中，除了加以标注和致谓f 的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：j 堇伽4 年7b7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：工盘砷职年1 月，日 a c k n o w l e d g e m e n t s f i r s t l y ，1w o u l dl i k ct ot h a n km ys u p e r v i s o r ，p r o f f a n gd a g a n gf r o mn a n j i n g u n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y t i e i sa c k n o w l e d g e d ，i n p a r t i c u l a r ，f o ri n v i t i n g r n et ot h i sf i e l dw i t i lm a n y i l l u m i n a t i n gd i s c u s s i o n s ih a v el e a r n e dv a r i o u st h i n g s f r o mh i m ，s u c ha st h ew a yo ft h i n k i n g ，t h ew a yo fp r o c e e d i n gr e s e a r c h ，a n ds o o nia ma l s ov e r yg r a t e f u lt oh i mf o rh i se f f o r t so nt h ec o m p l e t i o no ft h i st h e s i s s e c o n d l y ，m ya c k n o w l e d g e m e n tg o e st h es a m et om yc o - s u p e r v i s o r ，p r o f w u k e - l if r o mc h i n e s eu n i v e r s i t yo fh o n gk o n g ，f o rg i v i n gm et h e o p p o r t u n i t yt o w o r ku n d e rh i ss u p e r v i s i o n h i si d e a sf o r mt h eb a s i sf o rt h i st h e s i s ia m g r a t e f u l t oh i mf o rs h a r i n gh i sw e a l t ho fk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c ef r e e l ya n dp a t i e n t l y a n dh i si n v o l v e m e n ti nm y p u b l i c a t i o n sa n d t h i st h e s i s ， t h i r d l y , 1w a n tt ot h a n ka l lc o l l e a g u e si l lm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rw a v e l a b o r a t o r y ( m w t l ) i nn a n j i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y , is h o u l dl i k et oa c k n o w l e d g ep r o f s h e n gw e i x i n g ，d r s u ny u x u a n ，m s z h a n g r u i d r t a n gw a n c h u na n dm r w a n gh a o 1w o u l da l s ol i k et ot h a n km y c o l l e a g u e si nm i c r o w a v e & w i r e l e s sl a b o r a t o r yi nc h i n e s eu n i v e r s i t yo fh o n g k o n g ，f o rb e i n gt h es u r r o g a t ef a m i l yd u r i n gt h et h r e ey e a r s is t a y e di nh a n g k o n g a n df o rt h e i rc o n t i n u e ds u p p o r tt h e r ea f t e r ib e n e l i tf r o mm a n yd i s c u a ：；i o n sw i t h p r o f c h e n gk w o kk e u n g ，d r w a n gj i e ，m r h u a n gy o n g ，d r z h a oy o n g j i u ， m r l u im a n l c u n ga n dm r c h e n gs i nh a n g ia ma l s ov e r yt h a n k f u lt om r t s ek w o kk i na n dm r c h e u n gc h u n h u n gf o rt h e i ra s s i s t a n c ew i t ha l lt y p e s0 f t e c h n i c a lp r o b l e m s f o u r t h l y ，ia m f o r e v e ri n d e b t e dt om y p a r e n t sf o rt h e i ru n d e r s t a n d i n g ，e n d l e s s p a t i e n c ea n de n c o u r a g e m e n tw h e ni tw a sm o s tr e q u i r e d l a s tb u tn o tl e a s t ，m ya p o l o g i e st oa n y o n et h a ti m i g h th a v em i s s e d a c o l l e c t i v et h a n ky o ut oy o ua l l ! ! n a n j i n g ，c h i n a j u n e2 0 0 4 y a n d i n g c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 b a c k g r o u n d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dp o t a b l ec o m p u t i n g s y s t e m sf o ri a d u s t r i a l ，m e d i c a la n dm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s ，i t so b v i o u st h a tp e o p i ew i l ln e v e rg i v eu pt om a k et h ee l e c t r i c a lp r o d u c t ss m a l l e ra n ds m a l l e r ，a t t h es a m et i m e ，ah i g h e rf u n c t i o n a l i t yi sr e q u i r e do nt h er e d u c e da r e ai nt h e s e a p p l i c a t i o n s w h a t sm o r e ，a st h ei n c r e a s eo fo p e r a t i n gs p e e d ，t h e r ei sa na c c o m p a r t y i n gs t e e pr i s ei nt h en u m b e ro fp a s s i v ec o m p o n e n t st h a tm u s tb em o u n t e d n e x tt oa c t i v ed e v i c e st oa v o i dp a r a s i t i ci n d u c t a n c ee f f e c t s ac o m p l e t es y s t e m w i t hh i g hf u n c t i o n a l i t ym a yc o m p o s eo fs c o r e so fa c t i v ed e v i c e sa n dh u n d r e d s o fp a s s i v ec o m p o n e n t s i nt h i sc a s e ，a na d v a n c e di n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) t e c h n i q u ew a sd e v e l o p e dw i t hah i g hs p e e di nt h ep a s td e c a d e s a c t i v ed e v i c e sa r e s u i t e dt oi n t e g r a t e db yu s i n gs i s i g ea n dg a a si ct e c h n o l o g i e s h o w e v e r ，t o i n t e g r a t eal a r g en u m b e ro fp a s s i v ec o m p o n e n t sw i t ht h i st e c h n i q u ew i l ll e dt o ap o o rp e r f o r m a n c ea n dh i g h e rm a n u f a c t u r ec o s t s t h e r ea r et w oa p p r o a c h e st o s o l v es u c hap r o b l e mo n ei sm u l t i c h i pm o d u l e s ( m c m s ) i nm c m s ，m u l t i p i ei c sa r ec o m b i n e di n t oas y s t e ml e v e lu n i t a l t h o u g hm c m sm a yi m p l e m e n t ah i g h - d e n s i t yi n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ed i g i t a la n dr f i c sb ys o l d e r i n g ，t h i s 2 y b r i da p l ) l e f l c h ( 1 e e e i i s e st h er e l i a l ) i l i l ya l l dp e if o r n m 1 e eo ft h ec i r c u i t sa n da l s o i n c r e a s e st h ec o s t so ft h ef i n a lp r o d u c t s a n o t h e ra p p r o a c hi sk n o w na sm u l t i 1 a y e rc e r a m i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ( m c i c s ) ，w h i c ha r eb a a e do nf r 4 ，l t c c ( l o w t e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c s ) o ro t h e rc a r r i e rm a t e r i a l s i nt h i st e c h n i q u e ，a c i r c u i gi sg i o w l i nat h t e e d i n m n s i o n a ll n a l l l e r f i l t e r s lc o u p l e r s ，b a l u n s r n a t c h i n gc i r c u i t sa n dg e n e r a lr l cl u m p e de l e m e n t sa r ei m p l e m e n t e db yu s i n gm u l t i p l e m e t a li nv e r l i e a ls t a c k e d u pc e r a m i ct e p e s d i g i t a la n dc o n t r o l l e di m p e d a n c er f i n t e r c o n n e c t sa r ea l s oe m b e d d e di nt h ec e r a m i c ，w h i c hp r o v i d eai n t e r c o n n e c t i o n w i t hh i g h e rp e r f o r m a n c e ，h i g h e rd e n s i t ya n dt f i g h e rs t a b i l i t y t h e r ea r et h r e em a i nt y p e so fm c i c s ：t h i c k f i l m ，l t c ca n dh i g ht e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ( h t c c ) b e i n gd i f f e r e n tf r o mt h i c k - f i l mt e c h n o l o g y i - i t c ca n dl t c cp r o c e s sa l ll a y e r si np a r a l l e l t h e r e f o r eah i g hc o s te r i e c t i v e n e s s i sa c h i e v e d t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e ni i t c ca n dl t c ci st h ef i r i n gt e m p e r - a t u r eb e c a u s eo fal o w e rf i r i n gt e m p e r a t u r e l t c cc a l lu s eh i g hc o n d u c t i v i t y c o n d u c t o r ss u c ha bg o l d ，s i l v e ro rc o p p e rt or e p l a c et u n g s t e no rm o l y b d e n u mu s e d i nh t c c i th e l p st od e c r e a s et h ec o n d u c t o rl o s so ft h ee n t i r es y s t e m b e s i d e s c o s te f f e c t i v e n e s sa n di n t e g r a t e dp a c k a g i n g ，t h el t c ct e c h n o l o g yp r o v i d e sf i n e l i n e sa n ds p a c e s ，f i n ev i a s ，e x c e l l e n th i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s t h ed i e l e c t r i c c o n s t a n to fl t c cc a nb ev a r i e di nav e r yw i d er a n g ef r o m4t o1 2 0 0 0 s t a n d a r d t h i c kf i l mc o n d u c t o r ，r e s i s t e ra n dc a p a c i t o rc a nb eu s e di nl t c cc i r c u i t sa s e m b e d d e do rs u r f a c em o u n t e de l e m e n t s t i l el t c ct e c h n o l o g yc o m b i n e st h e b e n e f i t so fb o t ht h et i t c ca n dt h et h i e k - f i h nt e c h n o l o g i e s w i t ht h ee l i m i n a - l i o no fs h r i n k a g ei na “z e r o s h r i n k a g e ”s u b s t r a t et e c h n o l o g y , l t c ch a sb e e na n d w i l lc o n t i n u eb e i n gw i d e l ya c c e p t e da so n eo ft h eb e s tt e c h n o l o g yt op r o v i d ea h i g hd e n s i t y ，h i g hl e l l a b i l i t ，y ，h i g h1 ) c r l k ni n a n c ea n dl o wc o s tp a c l m g i n gf o rm a n y e l e c t r i c a lp r o d u c t s f i g 1 1 1s h o w sat y p i c a ll t c ci n t e r c o n n e c ts t r u c t u r ec r o s s s e c t i o n t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sm a i n l ya d d r e s s e st h ee mm o d e l i n ga n dd e s i g n m e t h o d o l o g yo fc o m p o n e n t sa n dc i r c u i t sf a b r i c a t e du s i n gt h el t c ct e c h n o l o g y t h i c kf i l md i e l e c t r i c o rp o s tf i r er e s i s t o r c a p a c i t o r i n d u c t o r t o ps i d e o r e x t e r n a ic o n d u c t o r i n t e r n a lc o n d u d o r t h e r m a lv l a s ， b u r i e dr e s i s t o r d l e l e c t d c l a y e r s f i g u r e1 1 ：at y p i c a ll t c ci n t e r c o n n e c ts t r u c t u r ec r o s ss e c t i o n 1 2 i n v e s t i g a t i o no ft o p i c s e x c e p tf o ra na c c u r a t ec o n t r o lo ft h ed i e l e c t r i cp a r a m e t e r so ft h ec e r a m i cm a t e r i a l s a na c c u r a t ec i r c u i ts i m u l a t i o na p p r o a c ha n da ne f f e c t i v ed e s i g np r o c e d u r e a r et h ep r i m a r yf a c t o r sf o rd e v e l o p i n gt h el t c ct e c h n i q u ei n t oal a r g e rm a r k e t a na c c u r a t es i m u l a t i o ni st os e tu pa ne mm o d e lf o rt h ee n t i r ec i r c u i t ，w h i c h c a nr e l i a b l yp r e d i c tt h ec o r r e s p o n d i n go ft h er e a l w o r l dp e r f o r m a n c e b e c a u s eo f t h et i g h ti n t e g r a t i o ni nm c i c s ，t h e r ei sas t r o n gc o u p l i n gb e t w e e nt h e l d so f t w oa d j a c e n tc o m p o n e n t s t h ec o u p l i n gw i l lg r e a t l yi n f l u e n c et h eo v e r a l lc i r c u i t 1 h t t p ：w w w s m t i n l i n e c o m i m a g e s b l u e t o o t h _ d e s i g n l d p g 醛 v dh眦s 4 h m c t i o n a l i t ya l l ( 1n e e dt ob et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h ed e s i g np r o c e d u r e a l t h o u g ht h es p e e do ft h ec o m p u t e rp r o c e s s i n gu n i t s ( c p u ) a n dt h em e m o r y s i z eo ft i l ep e r s o n a lc o m p u t e rh a v eb ed o u b l e dm a n yt i m e si nt h ep a s taf e w y e a r s ，a n da l s ow h i c h e v e ra l g o r i t h mi su s e d ，t h es i z ei sa l w a y sl i m i t e dw h e ne n - g i n e e r sa n a l y z eo ro p t i m i z ear e l a t i v e l yc o m p l e xm u l t i l a y e rc i r c u i t s t h el a c ko f a ne f f e c t i v ed e s i g ni n f r a s t r u c t u r ep u t sd o w nt h ea d o p t i o no ft h em c i c s w h a t sr e q u i r e do ne a r t hi nal t c cm c i c s ? t h ea n s w e r st ot h i sq u e s - t i o na r ee x a c t l yt h et o p i c sis t u d yi nt h i st h e s i s t h ea n s w e r sa r eg i v e nf r o ma c o n c l u s i o no fat r i b a n dd i o d es w i t c h e sa n dd i p l e x e rf o rg s m d c s p c sd e s i g n t h eo b j e c t i v e so f t h i sd e s i g ni st og a i nt h ec r i t i c a lk n o w l e d g eo fs y s t e md e s i g n e mm o d e l i n gt e c h n i q u e s ，a n dl t c cs u b - s y s t e md e s i g nm e t h o d o l o g yr e q u i r e d f o rd e s i g n i n gal t c cm u l t i - l a y e ra n t e n n as w i t c hd u p l e x e rm o d u l e t h em o d u l e i n t e g r a t e sg s m d c sd i p l e x e rf u n c t i o n sa n dr x t xs w i t c h i n gs u b c i r c u i t so na l t c cs l t b s t r a t e s u c haf u n c t i o n a lm o d n l ch a sb e e nd e s i g n e d ，p r o t o t y p e da n d f u l l yt e s t e d t h i si n v e s t i g a t i o ni n v o l v e st h ed e s i g nm e t h o d o l o g y ，s y s t e mb l o c k d i a g r a m ，t e s tr e s u l t sa sw e l la st h es u g g e s t i o n sf o rf u t u r ei m p r o v e dd e s i g n s f i g 1 2i l l u s t r a t e st h e3 dv i e wo ft h ep h y s i c a ll a y o u ta n dp r a c t i c a lc o m p o n e n t ( 5 0 m m 85 6 5 m m + 0 6 2 m m ) o ft h em o d u l e d e s i g n e da n db u i l ti nt h ew o r k - t h e r e a r et h r e ef u n c t i o n a lp a r t si nt h em o d u l ea sd e s c r i b e db e l o w ： 1 ) d i p l e x e r ：s e p a r a t es i g n a lo fg s m f r e q u e n c yf r o mt h a to fd c sf r e q u e n c y ； 2 ) r fs w i t c h ：s w i t c ht xa n dr xf o rb o t hg s ma n dd c s ；a n d 3 、l p f ：2 ”“a n d3 刑h a r m o n i c si n j e c t i o nf i l t e r sf o rb o t hg s ma n dd c s - f 培1 3s h o w saf l o w c h a r to fa na p p r o a c ho fa nc o m m o nm c i c sd e s i g n ，c a l l e d as e g m e l , a a t i o na p p r o a c h | 1 t h e r ea r et h r e es t e p si na l ld e s i g ni t e r a t i o nb e f o r e ( a ) l a y o u t( b ) p r a c t i c a lm o d u l e f i g u r e1 2 ：t h el a y o u ta n dap r a c t i c a lm o d u l eo ft h ed u p l e x e r t h ef a b r i c a t i o n f i r s t l y ，ac i r c u i td e s i g ni si m p l e m e n t e dw i t hl u m p e de l e m e n tc o m p o n e n t sb y u s i n gap a c k a g eb a s e do nt h ec i r c u i tt h e o r y ，s u c ha sa g i l e n ta d s ，【2 】【3 】 4 t h es y s t e mb l o c kd i a g r a mo ft h ec o i p l e t cm o d u l ei ss h o w l li nf i g 1 4 a l l s p e c i f i c a t i o n sa r es a t i s f i e di nt h es c h e m a t i cd e s i g na n dt h ee n t i r ec i r c u i tw a s d i v i d e di n t os e v e r a ls u b c i r c u i t so rf u n c t i o n a lc o m p o n e n t sa f t e rt h es c h e m a t i c d e s i g n i no r d e rt o t a k et h em u t u a lc o u p l i n gi n t oc o n s i d e r a t i o na n da l s ot o d e c r e a s et h es i z eo ft h el a y o u ta sm u c ha sp o s s i b l e ，af l m c t i o n a lc o m p o n e n t ，s u c h a sal o wp a s sf i l t e r ( l p f ) o rab a n dp a s sf i l t e r ( b p f ) ，i n s t e a do fas i m p l e r l cc o m p o n e n ti su s e da sab a s i c ( o rs t a n d a r d ) c o m p o n e n ti n t h i sd e s i g n i f i t i sn e c e s s a r y , al a r g eb a s i cc o m p o n e n tc a nb ef u t u r ed i v i d e di n t os e v e r a ll o w e r 】e v e rs 1 1 b c j r c l l 札s i nt h es e c o n ds t e p a l lb a s i cc o m p o n e n t sa r et r a n s f e r r e di n t oa3 - dl a y o u t i n d i v i d u a l l ya n ds e q u e n t i a l l y a2 5 一de mp a c k a g e ，z e l a n di e 3 d ，i su s e dh e r e 6 f i g u r e1 3 ：f l o w c h a r to fas e g m e n t a t i o na p p r o a c h i r d c s p c $ r x l 。一 i x ；s q p c $ t x ：h p f l s w 。l 。h 1 i 口n 跏彤 l 忏，。：l 晰z m i0 g s m h 涮 v f i g u r e1 4 ：g s m d c s p c sd u p l e x e rs c