（电磁场与微波技术专业论文）ltcc微波组件集成技术研究.pdf

摘要 随着微波技术的不断发展，对系统小型化提出了更高的要求需要，低温共烧 陶瓷( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ，l t c c ) 正是实现这一目的的有效途径。 所以进行本课题研究就非常有实际意义。本文采用理论分析和电磁场仿真软件对 l t c c 微波组件进行理论分析和设计，并进行生产和测试。 本文第一章首先论述了微波及其特点，l t c c 发展趋势，介绍了国内外发展动 态。在第二章介绍了l t c c 基本概念，第三章从理论角度分析了l t c c 网孔接地和 垂直互连的物理特性。 在本文的第四章介绍和分析l t c c 电感的各种性能参数，并生产了具体器件， 给出了测试和分析结果。第五章介绍和分析了l t c c 电容的性能参数，生产样品 并给出测试和分析结果。在第六章介绍了l t c c 滤波器的理论，l t c c 滤波器设计 方法，并最终设计生产了两种不同类型的滤波器，给出了测试结果，经过对比看 出这两种滤波器的效果是比较满意的。 关键词：低温共烧陶瓷( l t c c ) ，微波组件，电感，电容，l t c c 滤波器。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fm i c r o w a v em o d u l et e c h n o l o g y , i tn e e dt om i n i a t u r i z e d m i c r o w a v es y s t e m ，a n dl o wt e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c ( l t c c ) i sa p r o p e rs o l u t i o n i nt h i sp a p e r , t h et h e o r ya n a l y s e sa n dt h em a g n e t i c - e l e c t r o n i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea r e m i x e dt oa n a l y z ea n dd e s i g nt h el t c cm i c r o w a v em o d u l e t h e n ，t h ep r o d u c t sa n d m e a s u r e m e n ta l eg i v e n i nc h a p t e r1 ，i tg i v eu st h em i c r o w a v ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h el t c ct r e n d ，t h e i n s i d ea n do u t s i d ed e v e l o p m e n t c h a p t e r2g i v e st h el t c cb a s i cc o n c e p t i nc h a p t e r3 ， t h el t c cg r o u n da n dt h ev e r t i c a lc o n n e c tw e r ea n a l y z e d c h a p t e r4a n dc h a p t e r5a n a l y z e dt h el t c cc o n d u c t a n c ea n dl t c cc a p a c i t o r s ； t h e ya l lh a v et h ep r o d u c t sa n dm e a s u r e m e n tr e s u k i nc h a p t e r6 ，i tg i v e sl t c cf i l t e r t h e o r y , l t c cf i l t e rd e s i g na p p r o a c h ，a n dg i v e s t w od i f f e r e n tt y p e sf i l t e ra n di t s m e a s u r e m e r i t k e y w o r d ：l o wt e m p e r a t u r e c o 一丘r e d c e r a m i c ( l t c c ) ，m i c r o w a v em o d u l e , c o n d u c t a n c e ，c a p a c i t o r , l t c cf i l t e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 咯幺 日期：回年月f 蝈 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，- 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 髫乞 导师签名： 堑。次 日期：一 年毕月p 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 微波是指波长在i m m i m ，即频率在3 0 0 m h 加3 0 0 g i - i z 范围内的电磁波，微 波技术是近代科学技术发展的重大成就之一，特别是进入2 0 世纪8 0 年代以来， 以微波应用为代表的雷达及通讯技术的发展十分迅猛，微波的波长短，方向性极 强，适合于雷达应用来发现和跟踪目标，此外，微波的频率高、信息容量大，能 穿透电离层，有利于进行通讯和卫星导航等。 随着微波技术发展，现代移动通信经过数字移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，简称g s m ) 、个人数字蜂窝系统( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ， 简称p d c ) 为代表的第二代通讯技术的发展，已经向码分多址( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，简称c d m a ) 、第三代移动通信更新换代。同时，随着近距离无 线通信技术蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术的深入研究与发展，无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，简称w i a n ) 技术迅速发展起来。目前，国际上已经开通了 5 8 g i - i z 频段，并将取代蓝牙样品现在工作的2 4 g l - i z 频段。因此微波技术一方面 向着更高频率，即向着毫米波和亚毫米波的方向发展，并拓展频带宽度，充分利 用频率资源；另一方面，移动通信和便携式终端设备正朝着小型化、轻量化、薄 型化、集成化、多功能、低功耗、高可靠性和低成本方向发展，这对微波元器件 也提出更高的要求【”。 为满足通讯设备、器件小型化的需要，最初的努力仅在于寻找高介电常数卧 高品质因数q 和低的频率温度系数f ，的微波介质材料，来减小介质谐振器的尺 寸，从而获得较小的单个微波器件。而现代信息、通讯技术的快速发展迫切需求 微型化、片式化、模块化、适用于表面贴装技术的微波器件，这就需要对多种、 多个微波无源元器件进行集成，低温共烧陶瓷( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c , l t c c ) 技术正是实现这一目的的有效途径【2 】。 l t c c ( 低温共烧陶瓷，l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ) 技术是m c m ( 多芯 片组件，m u l t i - c h i pm o d u l e ) 技术中的一种。它是一种将未烧结的流延陶瓷材料叠 层在一起而制成的多层电路，内有印制互连导体、元件和电路，并将该结构烧成 一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面安装i c 、l s i 裸芯片等构成具有一定部件 电子科技大学硕士学位论文 或系统功能的高密度微电子组件技术。 2 0 世纪8 0 年代初，国外就开始了对l t c c 技术进行了研究。l t c c 技术可以 分层设计、一体烧结，从而可提高生产效率和成品率，降低成本。而且l t c c 技 术可把芯片和其余无源器件集成在一个模块上，从而提高了集成度。此外l t c c 多层基板的集成密度高、r f 性能好、数字响应快，成本低、生产周期快、批量大、 生产灵活、自动化程度高。正因为l t c c 技术具有如此众多的优点，其在通信、 汽车电子、消费电子、宇航工业等民用和军事领域得到迅猛的发展“”1 。 1 2l t c c 微波组件集成技术的发展动态 随着电子技术的不断发展，电子业界对于电子器件小型化要求越来越高，在 体积、能耗、成本方面的提出越来越苛刻的要求，而l t c c 器件的特点恰倒好处 地满足了上述需要。近年来，国内外在l t c c 微波组件集成技术方面有了长足的 进步，各种集成电容，集成电感，l t c c 滤波器在理论和实现方面都在持续发展中， 所应用的频段也在不断扩展，从微波低端直到毫米波波段。 2 0 世纪9 0 年代初，国外就开始对l t c c 微波组件展开了研究，主要集中在以 下三个方面： ( 一) 对微波l t c c 多层布线基板制造技术进行研究。包括基板材料、介质 材料、布线金属材料、电阻材料等在毫米波段的特性研究。同时对毫米波l t c c 组件中的内埋置无源器件、传输线间的转换结构、互连通孔、互连模型、互连寄 生参量【7 】【8 】等展开了研究。从工艺、材料和电气性能上验证了毫米波l t c c 组件的 可行性并体现了毫米波l t c c 组件的优点。 ( 二) 对基于l t c c 技术微波器件集成的研究。包括有源和无源器件。主要 集中在l t c c 滤波器和谐振器等无源器件的研究【9 】【1 0 1 1 1 】1 1 2 】。无源器件是直接在l t c c 多层布线基板上制作实现，而有源器件主要是把g a a sm m i c 在l t c c 多层布线基 板上实现集成。如：德国的i m s t 就在l t c c 多层布线基板上实现了1 5 2 5 g i - i z 的中等功率放大器m m i c 和2 0 3 2 g h z 的低噪放m m i c 的集成【1 3 1 。 ( - - - ) 对基于l t c c 技术微波系统的研究。包括接收前端、收发组件等。 美国的国家半导体公司设计制作了一个基于l t c c 基板的r f 前端模块【，工 作于c 波段，应用于w l a n 。该模块按i e e e 8 0 2 1 l a 协议制作，由一块m m i c 和 一个l t c c 带通滤波器构成，m m i c 安装于l t c c 基板上，集成了l n a ，p a ，和 单刀单掷开关( s p d t ) ，l n a 有1 6 5 d b 的增益，2 1 d b 的噪声系数，i i p 3 为2 8 d b m , 2 第一章绪论 功率放大器输出功率为2 4 d b m , i m 3 高于2 5 d b c ，s p d t 开关插损为1 2 d b 。l t c c 采用d u p o n t 9 4 3 a t 生瓷带制作，带通滤波器采用叠层耦合带状线结构制作在l t c c 基板上，l t c c 共1 0 层，每层4 4 m i l s 厚，共有4 4 m i l s 厚。该滤波器在5 8 g h z 时 插损为3 5 d b 和1 5 r i b 回波损耗，通带带宽小于2 0 0 m h z ，镜频抑制度为 2 3 d b 4 8 g h z , 整个接收环节总增益为1 1 5 d b 。整个收发模块的尺寸为8 r e x 9 m 1 1 m m 。模块中的m m i c 为t r i q u i n t 公司制造，l t c c 基板由y a m a c r a w 设计中 心和国家半导体公司制造。 2 0 0 5 年韩国s u n g k y u a k w a a 大学设计制造了一个基于l t c c 基板技术的四波 段g s m 接收前端组件【1 5 1 ，采用了一种简单和有效的匹配结构来设计输入输出匹配 电路，并且推导出了等效表达式来估算匹配值和输入阻抗，并通过测试证明了这 种结构和等效表达式的有效性。通过埋置匹配网络的办法，得到的组件外形尺寸 为1 0 r a m 1 0 m i x1 4 m m 。 2 0 0 6 年韩国人还设计制造了一个基于l t c c 基板技术用于无线局域网的双通 带射频前端组件【1 6 1 ，在5 5 x 4 0 x 0 9 m l , n 3 大小的基板上集成了2 个功分器，2 个带 通滤波器，2 个低通滤波器，在基板表面装有1 个5 g h z 低噪放，和1 个双通带 d p d t 。发射支路在2 4 2 5 g h z 时插损为0 6 d b ，在4 9 5 9 g h z 时为0 7 d b ，在2 次谐波时抑制为3 0 d b ，接收支路相应的为1 7 d b 和1 2 d b 和- 3 0 d b 。 国内l t c c 技术起步较晚，但是也发展迅速，在国内也有众多的大专院校、 研究所和单位开展了对l t c c 技术的研究，现阶段主要集中在工艺、材料、检测 技术以及用l t c c 形式实现的混合集成电路。电子5 5 所、电子1 4 、电子3 8 所等 单位都已经有相关样品出现【1 7 1 吲【1 9 1 。张家港灿勤电子元件有限公司、浙江正原电 气股份有限公司、深圳南玻集团等也已经有商品化的l t c c 电容、电感、滤波器 等样品上市网。东南大学毫米波国家重点实验室进行了l t c c 三维微波传输结构 的研究【2 1 1 ，电子科技大学对k 丑波段的接收前端多芯片组件进行了初步的研究 2 2 2 3 1 1 u 1 ，取得了不错的确成绩，香港和台湾的一些高校也开展了相关研究，也取 得了很好的成果 2 5 1 1 2 6 1 。 1 3 课题简介 本文的目的是对l t c c 无源元件( 主要是电容、电感，滤波器) 的理论和元 件拓扑进行研究，对其结构进行分析，为以后最终l t c c 无源元件建模建库打下 基础。 电子科技大学硕士学位论文 本文的主要结构如下： 第一章：绪论。概述了本课题的背景、研究内容、目的及意义。 第二章：l t c c 基本概念。介绍l t c c 的起源、发展以及其工艺流程。 第三章：l t c c 网孔接地和层问互连分析。对比网孔接地和实心接地的差别， 对层间互连方式进行比较，提出其电路等效模型。 第四章：l t c c 埋置电感分析与设计。给出了多种螺旋电感结构及版图，并介 绍了矩形电感的g r e e n h o u s e 算法，给出了三维h e l i c a l 螺旋电感的等效电路模型， 并利用此电路模型来提取有效参数。 第五章：l t c c 埋置电容分析与设计。给出v c 电容的等效电路模型，并利 用此电路模型来提取有效参数。最后设计和制造多个不同的电容形式进行对比和 测试，验证模型。 第六章：l t c c 滤波器的设计。借鉴平面形式的微带滤波器，给出了两种类型 的l t c c 滤波器的设计方法和步骤，生产出样品并测试和验证效果， 第七章：结论与展望。 4 第二章l t c c 基本概念 第二章l t c c 基本概念 2 1 多芯片组件( m c m ) 的定义、分类及特点 多芯片组件( m u l t i c h i pm o d u l e , 简称m c m ) 技术是2 0 世纪7 0 年代出现，9 0 年代获得迅速发展的一种先进微电子组装技术，也是电子元器件与整机系统之间 的一种先进接口技术。m c m 相对于单芯片封装而言，是直接把多个l s i 、v l s i 裸芯片通过键合、载带自动焊( t a b ) 、倒装焊( f c ) 或直接粘贴等安装手段高密 度贴装互连在多层布线基板上，层与层之间的金属线条( 导电带) 通过层间通孔 连接，然后整体封装构成能完成多功能、高性能的电子部件、整机、子系统乃至 系统所需功能的一种新型微电子组件。 2 1 1 多芯片组件的定义 关于m c m 目前国际上尚无统一的定义，从不同的角度，对m c m 的技术本质 和内涵有不同的理解。从混合集成角度认为m c m 是一种高级或先进的混合集成 电路；从电子封装角度则认为m c m 是一种先进的封装形式；从微电子组装角度 则将m c m 看成是一种高密度的电路集成组件。因此从微电子组装的角度可以把 m c m 定义为：m c m 是将2 个或2 个以上的大规模集成电路( l s i ) 裸芯片和其他 微型元器件( 含片式化元器件) 电连接于同一块共用多层高密度互连基板上，并 封装在同一外壳内所构成的具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件 4 1 。 2 1 2 多芯片组件的分类 m c m 因使用的材料与工艺技术的不同，种类繁多，其分类方法也因认识角度 的不同而异。按基板类型分类，可把m c m 分成厚膜m c m 、薄膜m c m 、陶瓷 m c m 和混合m c m 。按基板材料与基板制作工艺来分类，可把m c m 分为如表2 1 所示的三个基本类型：m c m - l ( 叠层多芯片组件) 、m c m c ( 共烧陶瓷多芯片组件) 、 m c m - d ( 淀积多芯片组件) 。根据多层互连基板的结构与制作技术，可把m c m 分 为如表2 2 所示的几类。 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 1m c m 的类型( 按基板材料与基板制作工艺来分类) m c m - l 内外层开口型多层基板 内埋置导通孔多层基板 叠层型 厚膜多层基板( 1 1 f m ) m c m c 高温共烧陶瓷多层基板( h t c c ) 陶瓷厚膜型 低温共烧陶瓷多层基板( l t c c ) m c m d c ( 陶瓷基板) m c m - d d s i ( 硅基板) d m ( 金属基板) 淀积薄膜型 d s ( 蓝宝石基板) 表2 - 2m c m 的分类( 按多层互连基板的结构与制作技术分类) m c m 厚膜技术 m c m l m c m 薄膜技术 m c m d m c m ，d 厚薄膜技术 m c m u d 2 1 3 多芯片组件的主要优点 m c m 之所以得到迅速地发展主要在于它有一系列的优点，即提高了封装密 度，又缩短了芯片的互连间距，致使电路特性得以提高。其有以下主要优点： 1 ) m c m 有利于实现组件或系统的高性能化、高速化。由于m c m 采用的是 高密度互连布线基板和裸芯片组装，可使芯片之间互连度( 或距离) 大大缩短， 也降低了连线电感和阻抗，因而能在提高组装密度的同时，使信号的传输延迟时 间明显减小，信号传输速度大大提高，这有利于实现电子整机向功能化集成方向 发展。 2 ) m c m 有利于实现电子组装的高密度化、小型化和轻量化。由于m c m 是 采用多层布线基板，将多个未封装的i c 芯片高密度安装在同一基板上构成的部件， 从而省去了单个i c 芯片的封装材料和工艺，而且组装电路的体积尺寸、焊点数量、 i ，o 数等均可大为减小，不仅节约了原材料，简化了制造工艺，而且极大地缩小了 体积，减小了重量。实现电路的高密度组装是m c m 的一个突出优点。 3 ) m c m 有利于提高电子样品的可靠性。电子样品的失效绝大部分是由封装 和电路板互连引起的。组装层次越少，样品的可靠性也就越高。由于m c m 集l s i 、 v l s i 、电容、电阻等元器件于一体，避免了元件级组装，简化了系统级的组装层 6 第二章l t c c 基本概念 次，不仅大大降低了最终样品的成本，而且提高了电子整机的可靠性。 4 ) m c m 有利于实现高散热的封装。由于m c m 避免了单块i c 封装( s i n g l ec h i p p a c k a g e ：s c p ) 带来的热阻、引线及焊接等一系列问题，不仅使样品的可靠性获 得极大提高，而且有利于实现高效散热的封装设计。 2 2 l t c c ( 低温共烧陶瓷) 技术简介 l t c c ( 低温共烧陶瓷，l o wt e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c ) 技术是m c m - c ( 共烧 陶瓷多芯片组件) 中的一种多层布线基板技术。它是一种将未烧结的流延陶瓷材料 叠层在一起而制成的多层电路，内有印制互连导体、元件和电路，并将该绪构烧 成一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面安装i c 、l s i 裸芯片等构成具有一定部 件或系统功能的高密度微电子组件技术。随着v l s i ( 超大规模集成) 电路传输速 度的提高及电子整机与系统进一步向小型化、多功能化、高可靠性方向发展，从 而要求发展更高密度、高可靠性的电子封装技术。l t c c 技术因其封装密度高、射 频特性好、可靠性高等优点而得到迅速发展。 2 2 1 l t c c 多层基板的关键制造技术 l t c c 多层基板的主要工艺步骤包括配料、流延、打孔、填充通孔、印刷导体 浆料、叠层热压、切片和共烧等工序。其工艺流程如图2 1 所示。其中的关键制造 技术如下： 1 、生瓷带流延技术流延的目的是把陶瓷粉料转变为易加工的生瓷带，对生 瓷带的要求是：致密、厚度均匀和具有一定的机械强度。流延工艺包括配料、真 空除气和流延等三道工序。 2 、生瓷片打孔技术生瓷片上打孔是l t c c 多层基板制造中极为关键的工艺 技术。孔径大小、位置精度均将直接影响布线密度与基板质量。生瓷片打孔的方 法有三个： ( 1 )数控钻床钻孔该方法打孔位置正确与精度比较高，但是打孔效率不 高，此外机械钻孔对孔的边缘会产生一定的影响。 ( 2 )数控冲床冲孔该方法打孔效率高适合于批量生产，但是由于孔的数 量和排列不同，不同生瓷片上打孔所需的模具不同，因而成本较高。 ( 3 )激光打孔该方法是生瓷片的理想打孔方法。 3 、生瓷片金属化技术生瓷片金属化技术的内容可分为两部分：通孔填充和 7 电子科技大学硕士学位论文 导电带图形的形成。 ( 1 )通孔填充 通孔填充的方法一般有两种：丝网印刷和导体生片填孔。 目前使用最多的是丝网印刷法。丝网印刷是采用负压抽吸的方法，可 使孔的周围均匀印有导体浆料。导体生片填孔法是将比生瓷片略厚的 导体生片冲进通孔内，以达到通孔金属化的目的，此法有利于提高多 层基板的可靠性。 ( 2 )导电带形成导电带形成的方法有两种：传统的厚膜丝网印刷工艺和 计算机直接描绘法。 4 、叠片与热压技术烧结前应把印刷好金属化图形和形成互连通孔的生瓷 片，按照预先设计的层数和次序叠到一起，在一定的温度和压力下，使使它们紧 密粘接，形成一个完整的多层基板坯体。该过程包括叠片和热压两道工序。 5 、排胶与共烧技术将叠片热压后的陶瓷生坯放入炉中排胶。排胶是有机粘 合剂气化和烧除的过程。排胶工艺对l t c c 多层基板的质量有着严重的影响。排 胶不充分，烧结后基板会起泡、变形或分层；排胶过量，又可能使金属化图形脱 落或基板碎裂。低温共烧技术的关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性。烧结时升 温速度过快，会导致基板的平整度差和收缩率大。炉膛温度的均匀性差，烧结后 基板收缩率的一致性也差。l t c c 多层基板的烧结温度一般在8 0 0 9 5 0 i c 。 第二章l t c c 基本概念 蜘邕体 厂寺 第1 层掌瓷片第2 层生瓷片第l 塌生瓷片 力乡 办乡茹 印三壹茎料印受凳料印竺壹凳料通礼k 充通孔充通孔：i 填充 i 叠层、对岛和热压_ j 检k 2 2 2l t c c 多层基板的基本材料 l t c c 多层基板的基本材料包括介质材料、导体材料和电阻材料。 ( 1 )介质材料主要包括构成电路基材的介质陶瓷材料，具有较高介电 常数的介质陶瓷材料，内埋置电容器材料。目前l t c c 技术中使用 的主要的介质材料是玻璃陶瓷和结晶玻璃，以及非玻璃系。玻璃陶 瓷是在玻璃中掺入某些陶瓷填料( 如氧化铝粉末) 。结晶玻璃( 如硅 镁酸铝) 具有比玻璃陶瓷更为优良的特性。 ( 2 )导体材料l t c c 组件中的导体材料采用金、银、铜等高导电率金 属导体。 ( 3 )电阻材料l t c c 多层基板的埋置电阻材料由r u o ：、r u 2 m 2 0 2 ( m = p b 、b i 等) 及玻璃、添加剂等组成。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3l 1 c c 技术特点及其发展趋势 l t c c 技术由于其本身所具备的一系列优点使得其在通讯、宇航与军事、 m e m s ( 微机电系统) 与传感技术、汽车电子等领域得到广泛应用。l t c c 技术的主 要优越性在于： ( 1 ) 可将无源元件埋入多层基板中，有利于提高电路的组装密度。埋置电阻、 表面电阻和埋置电容器、电感器均可设计为l t c c 电路的组成部分；埋置阻容元 件可以印刷在生瓷片上，并和组件的其他部分共同烧结。此特点使设计人员可以 把更多的表面区域留给有源器件，而不是无源器件。因而设计灵活性大，组装密 度高。 ( 2 ) 烧结温度低( 8 5 0 度左右) ，可和传统的厚膜技术兼容，可使用一些高导 电率的厚膜导体材料，如a u 、a g 、p d - a g 、c u 等，采用a u 和a g 时由于a u 和 a g 不会氧化，所以不需要电镀保护，可在空气中烧结。使用电导率高的金属材科 作为导体材料有利于提高电路系统的品质因数和高频性能。为标准厚膜电路开发 的厚膜电阻器和厚膜电容器材料均可适用于l t c c 电路。 ( 3 ) 陶瓷基片的组成可以变化，以提供一系列具有不同电气和其他物理性质 的介质材料的组合。瓷料的介电常数低，介质损耗角正切小，信号传输快，可提 高布线系统性能。陶瓷材料具有优良的高频高o 的特性。 ( 4 ) l t c c 多层基板具有较好的温度特性( 如较小的热膨胀系数( c t e ) 、较小 的共振频率温度系数) ，并且其热膨胀系数可设计成与硅、砷化钾或铝相匹配，有利 于棵芯片组装。 ( 5 ) l t c c 多层基板可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通p c b 电 路基板优良的热传导性。 ( 6 ) 属平行式制造工艺技术，而非连续式工艺。前者具有较佳的弹性制造方 式，可针对多层基板的生坯基板进行烧结前的检查，有利于生产效率的提高，然 后再堆叠一次烧结，从而可避免多次高温烧结，以及制造过程中因中间某步工艺 错误而带来样品性能降低与废品率增大。 ( 7 ) l t c c 多层基板气密性良好，也可兼做为气密式密封基板，有助于提高 设计灵活性、减小尺寸、降低成本、提高可靠性。 与其他封装技术比较尽管l t c c 技术有不可取代的优越性，但是l t c c 技术仍 然存在收缩率控制、基板散热问题和成本问题，有待进一步改善。 ( 1 ) 收缩率控制问题l t c c 基板应用于高性能系统时，金属布线间距小， 1 0 第二章l t c c 基本概念 烧结的微小形变都会严重影响系统的性能，而且基板的收缩对信号孔和散热孔的 对准也将产生影响。因此l t c c 共烧体的收缩应严格控制。在l t c c 共烧层的顶部 及底部放置干压生片作为收缩控制层，以控制层与多层之间的粘结作用及收缩率， 限制l t c c 多层结构在二维方向的收缩行为。这种方法能使l t c c 基板二维方向尺 寸收缩控制在约1 ，而零收缩率的实现有待进一步研究。目前限制l t c c 收缩率 的方法主要是通过烧结工艺进行控制 2 7 2 8 1 ，国外h e r a e u s 公司【2 9 j 推出了h e r a l o c k t a p e 系统，这种l t c c 材料在) 【y 方向上有小于0 2 的收缩率，变化量小于 0 0 1 4 。国内清华大学也在开展相关研究【划。 ( 2 ) 基板散热问题虽然l t c c 基板比传统的p c b 板在散热方面已经有了 很大的改进，但由于集成度高、层数多、器件工作功率密度高，l t c c 基板的散热 仍是一个关键问题，成为影响系统工作稳定性的决定因素之一。目前解决散热的 方法主要是采用热通孔。在l t c c 基板上打孔，向孔中加入a g 、a u 、c u 等高导热 的金属材料，这样可有效改善基板在叠层方向的散热性，但层面散热仍未解决。 为了使层面层的散热也得到改善，最常用的方法是在基板的背面镀以良导热性金 属薄片，增大二维方向散热率。较为复杂的方法还有在l t c c 基板材料中引人少量 高导热率材料形成复合基板材料。但引人高导热材料易使l t c c 材料烧结温度提 高，故此方法不常使用。 ( 3 ) 基板损耗问题由于采用厚膜印刷工艺，所以导体材料就必然会带来 一定的损耗，虽然在微波频段不是很明显，但是当到了毫米波频段的时候问题就 比较突出。这个问题如果不很好的解决，就会严重影响组件所构成的系统的电磁 波特性，这个问题除了在工艺方面改进以外，还应该特别注意在设计电路拓扑的 时候采用合适的方案。 ( 4 ) 成本问题主要是制造成本较p c b 电路基板要高。若产业规模逐渐扩大， 更多的材料制造商进入这个领域开发，l t c c 的成本必将大幅度下降。 随着电子样品朝短、小、轻、薄和多功能方向发展，因而要求l t c c 组件技术 朝高集成度、高封装效率、多功能、高散热率、低成本、微型化、高可靠性方向 发展。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 开发具有更加良好的电气性能、机械性能、热性能和化学性能l t c c 材 料。包括基板材料、介质材料、布线导体材料、电阻材料等。 ( 2 ) 进一步完善和发展l t c c 制造工艺。随着l t c c 的应用领域向高频方向 发展，需要更细的线宽与线间距，是传统的厚膜印刷工艺无法满足的，因此需要 进一步发展和开发l t c c 制造技术和材料。 屯子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 建立完整的l t c c 设计数据库。包括材料和元器件的建模、建库及开发 专用c a d 设计软件。建立具有良好互通性的完整l t c c 设计数据库，将会大大地 缩短l t c c 组件的设计与制备时间，对加快新样品的开发及降低成本，提高l t c c 技术的竞争能力都有极大的好处。 1 2 第三章l t c c 电路中网孔接地和层间垂直互连的分析研究 第三章l t c c 电路中网孔接地和层问垂直互连的分析研究 3 1l t c c 多层布线基板层间隔离分析 由于工作频率的提高和高密度的多层布线，在l t c c 组件中同层( 同平面内) 传输线之间的耦合和不同层间( 不在同一平面内) 传输线间的信号串扰现象十分 严重。为了减小和避免传输线之间信号串扰，在组件布线设计中除了选择适当的 同层中传输线的线间距和不同层间传输线间的层间距，避免层间传输线重叠平行 走线外“，还采用在传输线间加隔离层或屏蔽层进一步减小和避免线间和层间的 信号串扰。层间隔离常采用埋置金属接地面来隔离，线间隔离常采用金属填充通 孔阵列来隔离。如图3 - 1 所示 传输线1 传输线2 信号隔离层1 埋置传输线 信号隔离层2 传输线3传输线4 图3 - 1 层问和线间采用埋置接地面和通孔阵列进行信号隔离 3 2 网格金属面对l t c c 组件性能影响 根据l t c c 加工工艺规则，每层生瓷片上金属化面积不得超过总面积的7 0 【3 n 。这主要是由于第一方面l t c c 瓷片的收缩率和金属浆料( a g ) 的收缩率不同， 在烧结时大面积的金属会使基板出现翘起情况，使得基板表面不平整；另一方面 大面积的金属使得在叠层时生瓷片与生瓷片结合不是很好；其三网格金属面还有 利于降低烧结应力，减少浆料消耗，提高样品尺寸精度。因此，在l t c c 组件中中 的接地或电源金属层一般采用网格金属面，如果有特殊要求的可以在组件厚度大 于l m m 的时候采用全金属接地面。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 3 2 1 网格接地面对传输线特性阻抗的影响 在l t c c 组件中常用的平面传输线有微带线、共面波导、带状线等。在文献洲 中，已经对网格金属接地面的分析做了介绍。标准微带线的结构及其场分布如图 3 - 2 ( a ) 所示。当微带线的接地面由整块金属面改为网状接地面时电场的分布发生变 化如图3 2 ( b ) 、( c ) 所示。采用网状接地面替换全金属接地面一方面会加大接地面上 电流的阻性损耗，从而导致传输线的损耗增大；另一方面在接地面上形成周期性 网状结构容易构成光予带系结构( p h o t o n i cb a n d g a ps t r u o m e s ) 或d e f e c t e dg r o u n d s l r u c l m r e s ( d g s ) 3 2 h 3 8 】，从而产生滤波特性影响微带的传输特性。 上 h t b f a l w 一1 广一 一1 厂。一 ( a ) 标准禳带线的截面绪构( b ) 同杭爱地面徽带线的( c ) 网状接地面徽带缱的 和电场分布示意函电场分布示意圈( - - )电场分布示意图( 二) 图3 - 2 全金属和网格接地面的微带线电场分布 微带线的接地面采用网格接地面时，微带表面导带和网格的相对位置有两种 情况如图3 2 ( b ) 、( c ) 所示。其它形状的网孔接地面都可等效成图3 - 2 所示的两种情 况来分析。其中a 为网格的大小，b 为网格的线宽。选用f m o a 6 m 生瓷片作为微 带线介质基片，每层基片厚度为0 0 9 4 m m ，相对介电常数为占，- - - - 5 7 。根据设计规 则，最好能达到的接地效果为a = b = o 4 m m ，因此我们选取这一数据作为仿真的尺 寸。图3 - 3 ( a ) 和图3 3 ( b ) 分别是在h f s s 中所做的网格接地和全金属接地的模型。 该模型均为5 层f e r r o a 6 m 基片，全金属接地表面的微带线通过计算已作到匹配 5 0q ，网格模型的表面微带尺寸按照全金属微带规格，网格大小为o 4 m m x o 4 m m 布置。 1 4 第三章l t c c 电路中网孔接地和层问垂直互连的分析研究 图3 - 3 ( a ) 网格接地模型 图3 - 3 ( b ) 全金属接地模型 图3 - 4 表示的是2 种模型s 参数比较，从图上可以看出网格接地模型的插损 比全金属接地模型大的多。从仿真结果可以求出两个模型的特征阻抗：网格接地 模型为5 1 2 5q ，全金属接地为4 9 9 5o 。在这里还要注意的是通过计算得到的网 格微带的宽度并不能完全精确地得到5 0 0 ，是比5 0 q 略大，如果需要精确的数值 的话是必须要经过修正才能得到匹配的欧姆数值，这是因为网格接地会影响微带 的阻抗数值。 w 。：杀 ! i h o - 口嘻 一h 丰毒- 0 二 卜卜 一一卜 。：i 赢i ； i - 7 一h 二1 0 一 一j “# # lff 目 檀镀曩s 1 1 圭硅整鞋彗撵 4 一表棼 。：j 高南 = 三萎# 姿霹赢纛； 军! 一 = 睁饕# _ f 群葺车# 篙群= # 茅# 融毒车+ r ” 一jl ii 三；蕞舞= # 一i 、 = 7 l 。 。：= 嚣。 ” 图3 4 两种接地模型的s 参数比较 3 2 2 网格接地的理论分析 下面将通过传输线理论对网格接地进行简单的理论分析。微带线的主模为准 t j e m 模，将微带线等效为一段长为l 的均匀传输线，因传输线是均匀的，故可在 线上任意点z 处取线元d z 来研究。d z 足够短即d z a ，d z 上的分布参数效应可用 串联阻抗z d z 和并联导纳y d z 的集总参数电路来等效，如图3 - 5 所示。 电子科技大学硕士学位论文 - - - - - - - - - - - - - - - _ i 一d z 一 圈3 - 5 微带等效电路 图中z = r + j o j ly = c _ r + j c o c ，由图可得( 省去时间因子e 埘) 均匀传输线的 方程： d u ( z ) = i ( z ) z d zd i ( z ) = u ( z ) y d z 由电报方程可得： m ) = 而( 一e - 7 z _ 附) = i + e - f - 。”其中y 2 厉 即。南瓦_ 一2 而瓦e 自特恤翩舣可得z 。= 专= 悟等 厅 为了便于分析假设微带线无耗即r 删，则z c2 、昙当微带线的接地面采 用网状接地面时使得导带与接地面形成电容的有效面积减小从而使单位长度上的 线电容降低，而对单位长度上的线电感影响不大。因此同等的尺寸条件下网格的 阻抗大于全金属接地，造成的结果就是网格的插损更大。 3 3 层间垂直互连结构分析 3 3 1 层间垂直互连结构仿真 l t c c 组件的一个主要优点就是可以有效减小组件体积，这是由于很多无源的 器件都可以做在层间的，因此在不同层的层间垂直互连就显得十分重要。良好的 垂直互连结构对于实现微带线和带状线之间的平稳转换，保证微波信号的有效传 输是至关重要的。已经有多篇文献对这一方向做过研列删【4 1 】【4 2 1 【4 3 】【“l 【4 5 】m 【4 7 1 ，对其 1 6 第三章l t c c 电路中同孔接地和层问垂直互连的分析研究 中的电磁特性进行了大量分析。 下面将采用三维电磁场仿真软件i - i p 公司的的高频结构模拟器( h f s s ) 对层 间垂直互连结构进行分析。在l t c c 电路能够用到的互连结构主要有以下4 种情 况，分别是图3 - 6 的四种示意图a ，b ，c ，d 。 a 互连类型1 c 互连类型3 b 互连类型2 d 互连类型4 图3 6 四种互连类型的结构示意图 在h f s s 中这四种垂直互连类型的模型均采用f e r r o a 6 m 材料，基片厚度为 o 0 9 4 m m ，一共有4 层，中间红色部分材料为高导电率金属，两边的引线宽度均为 0 4 m m ，中间的通孔直径为0 4 m m ，高度为一层基片厚度0 0 9 4 r a m ，所不同的地方 在于其中间的通孔所在位置的大小和形状。这里需要说明的是根据l t c c 工艺规 范，中间的通孔半径有多种尺寸，分别是o 1 m m 、o 1 5 m m 、o 2 m m 、0 3 m m 等几 种情况，这里主要考虑的是在通孔尺寸和引线宽度相差不大的情况下的传输特性。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 时t 一 一 车添拓瞎鞲蒋一 i ：li l 一+ 4 千+ i ”鼍 一h + 丰- + + 一 jl t ，j 。ll 啊 t 十 一辑t 1i ：，j 一1 。l ， 斗t + 音 邢一l 卜卜 碱+ 攮。古 睾一 j # 一 兰冀产f 牡 h 二i ? ! 譬f f ： l + 一十r 一r i 一十一r 图3 7 四种垂直互连类型的s 参数( a ) s 2 1 ( b ) s l l 图3 7 是四种垂直互连结构的s 参数h f s s 仿真曲线图，其传输系数( s 2 1 ) 和反射系数( s 1 1 ) 分别如图3 - 6 ( a ) 和图3 - 6 ( b ) 所示。从图中曲线可以看出类型2 的传输效果最好，它的插损最小驻波最大，类型1 的插损最大驻波最小，因此类 型1 的传输效果最差。类型3 和类型4 的性能介于两者之间。从仿真结果可以看 出。垂直互连类型2 通过在垂直通孔与微波传输线的连接处适当扩展微波传输线 ( 圆盘形) ，这样有助于把电磁场信号导入垂直通孔和下面的带状线，改善了传输 性能，对于组件性能的贡献也有很大的好处。另外，由于这种连接方式对于垂直 通孔形成工艺过程中产生的加工误差( 如加工的时候由于定位精度引起钻孔误差 和填孔误差) 具有更好的兼容性，因此在工程中具有很高的应用价值。 3 3 2 层间垂直互连结构参数提取 对于垂直互连类型2 ，为了更好地掌握其的高频性能，采用a d s 对其等效电 路模型进行参数提取。为了减少工作量，仅选取其中的x 波段( 8 g i - i p l 2 g h z ) 进行分析。拟采用如下图3 8 的等效电路模型进行研究，将h f s s 软件配合a g i l c n t 公司的a d s 2 0 0 3 c 进行分析： 第三章l t c c 电路中网孔接地和层间垂直互连的分析研究 ：。 c 砷0 2 z 葛p f 州0 咖矗：t 三，p f 目兽 ： 一 邑 “”“”2 吵7 啦”“。嚣u ：c - o p f “0 0 0 1p f t o tp f i；：c l o 8 p f 司 图3 8 垂直互连结构类型模型的s 参数模型分析 模型中的c l ，r l ，l 1 代表主要起作用的元件，c 2 ，c 3 代表对地电容，由于 模型的两端输入输出的引线对地高度不一致，所以两边的对地电容大小有一些差 异。通过拟合i - i f s s 中的s 参数和a d s 2 0 0 3 c 的结果，并设置优化目标，以得到 最合适的电路元件值。其中类型2 的结果比较如下图3