（微电子学与固体电子学专业论文）ltcc无源元件建模技术研究.pdf

摘要 摘要 本文介绍了l t c c 无源元件的建模流程 针对内埋式平面螺旋电感和内埋式 多层交错电容 通过参数提取 采用三维电磁场仿真软件h f s s 设计出了2 3 4 不同圈数的电感模型和4 5 6 不同层数的电容模型 利用已经获得的电容和电 感模型 建立了n 型电容耦合和t 型电感耦合两个典型的带通滤波器模型 设计 时 为了使n 型电容耦合带通滤波器在其通带范围内能具有更好的滤波性能 利 用电感耦合效应 在阻带频率处引入了传输零点 在三维电磁场仿真软件脏s s 平台下 对建立的两个带通滤波器进行了仿真分析 仿真结果表明 设计的 型 电容耦合带通滤波器的通带范围在3 4 5 g i i z 3 6 5 g h z 带宽为2 0 0 m h z 中心频率 3 5 5 g h z 设计的t 型电感耦合带通滤波器的通带范围为2 2 2 6 g h z 带宽为 4 0 0 m h z 左右 中心频率为2 4 g h z 关键词 低温共烧陶瓷无源元件带通滤波器传输零点 a b s t r a c t a bs t r a c t t h em o d e l i n gp r o c e s so ft h el t c cp a s s i v ec o m p o n e n t si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b yt h ep a r a m e t e re x t r a c t i o na n dt h e u s eo ft h r e e d i m e n s i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o ns o f t w a r eh f s s d i f f e r e n ti n d u c t a n c em o d e l si n c l u d i n gt w o t h r e ea n df o u r c i r c l e sf o rp l a n es p i r a li n d u c t o ra n dd i f f e r e n tc a p a c i t a n c em o d e l si n c l u d i n gf 0 瓯f i v e a n ds i xl a y e r sf o rs t a g g e r e dm u l t i l a y e rc a p a c i t o r sa l ee s t a b l i s h e d b a s e do nc a p a c i t a n c e a n di n d u c t a n c em o d e l sa b o v e t h em o d e l so fht y p ec a p a c i t a n c ec o u p l e da n dt t y p e i n d u c t a n c ec o u p l e dp a s s b a n df i l t e ra r eo b t a i n e d i no r d e rt om a k et h e1 7 t y p e c a p a c i t a n c ec o u p l e dp a s s b a n df i l t e rh a v eb e t t e rf i l t e r i n gp e r f o r m a n c e t h et r a n s m i s s i o n z e r oi si n t r o d u c e da tt h es t o p b a n df r e q u e n c yi nt h em o d e lw i t ht h eh e i po ft h e i n d u c t a n c ec o u p l i n gm e t h o d t h et w ot y p e so fp a s s b a n df i l t e r sa r es i m u l a t e db y t h r e e d i m e n s i o n a le l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r eh f s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep a s sb a n dr a n g e b a n d w i d t ha n dt h ec e n t e r f r e q u e n c yo f1 7t y p e c a p a c i t a n c ec o u p l e dp a s s b a n df i l t e r a r e3 4 5 g h z 一3 6 5 g h z 2 0 0 m h za n d3 5 5 g h z r e s p e c t i v e l y a n dt h ep a s sb a n dr a n g e b a n d w i d t ha n dt h ec e n t e rf r e q u e n c yo ftt y p e i n d u c t a n c ec o u p l e dp a s s b a n df i l t e ra r e2 2 2 6 g h z 4 0 0 m h za n d2 4 g h z r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s l t c cp a s s i v ec o m p o n e n tb a n d p a s sf i l t e rt r a n s m i s s i o nz e r o 西安电子科技大学 学位论文独创性 或创新性 声明 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 本人承担一切相关责任 本人签名 西安电子科技大学 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 本人保证毕 业离校后 发表论文或使用论文 与学位论文相关 工作成果时署名单位仍然为 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 本入签名一鏊鳘 导师签名 扭 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 微波是指波长在l m 1 m m 即频率在3 0 0 m h z 3 0 0 g h 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 l 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 这对微波元器也提出更高的要求 2 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要微型化 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 l t c c 技术正 是实现这一目的的有效途径 3 j l t c 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 l t c c 与其它多层基 板技术相比较 具有以下优点 1 易于实现更多布线层数 提高组装密度 2 易于埋置元器件 提高组装密度 实现多功能 3 便于基板烧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 4 具有良好的高频特性和高速传输特性 5 易于形成多种结构的空腔 从而可实现性能优良的多功能微波m c m 6 与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性 二者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 m c m c d 所以我们利用l t c c 技术来实现射频模块中的无源器件 既可以将无源器件 集成在基板中也可以做成独立的模块 是目前无源器件比较主流的集成技术 这 种无源器件可以很好的满足小型化的要求 同时具有很好的高频特性 可以在很 2 l t c c 无源元件建模技术研究 大程度上替代分离器件 使用l t c c 掩埋型无源器件的射频模块可以很轻易的达 到低成本 高性能 体积小的设计要求 并且可以提高整个模块的设计周期 但 目前利用低温共烧陶瓷 l t c c 技术设计 制作器件和组件的面临的问题是由于 没有一套完整的设计流程和设计方法 对基本元器件没有建模 建库 需要对实 际制造工艺建立一套标准的设计规则 本文的工作就是在这个大前提下展开的 1 2l t c c 技术国内外研究现状及发展趋势 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 可以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 t 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f 4 7 目前 l t c c 己经进入产业化阶段 日美欧等各家公司纷纷推出了各种性能的 l t c c 产品 l t c c 在我国台湾省发展也很快 世界上能提供l t c c 相关产品的有 m m o t o l o r a m u r a t a t d k r o c k w e l l k y o l e r a 等国际公司 据报道美国 m 公司己研制出8 0 多层l t c c 基板的多芯片组件 另外 中创信息网 三星公司 目前即将开发完成的支持卫星广播d b m 方式的调谐器 计划2 0 0 4 年下半年量产 该调谐器的芯片组均为手机专用 芯片采用l t c c 基板内置无源元件 据说采用 了2 0 层的l t c c 基板 目标规格方面尺寸为1 0 1 0 x1 4 m m 3 l t c c 也为蓝牙 模块的发展提供了条件 蓝牙模块除了要求低成本外 对于面积的要求也是相当 苛刻 利用l t c c 技术 将晶片组及各种分离式元件封装在多层陶瓷基板上 将 可使模块体积微型化 目前利用l t c c 可做出全球最小的蓝牙模块 大小为7 7 1 8 m m 3 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 1 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 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l o 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 d 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 m m 9 m 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 第一章绪论 心和国家半导体公司制造 2 0 0 5 年韩国s u n 然y u n k w a n 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 8 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 m m 1 0 m m 1 4 r n r n 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 9 在5 5 4 0 x o 9 m m 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 i z 时插损为 0 6 d b 在4 9 5 9 g 舷时为 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 1 2 d b 和 3 0 d b 对于l t c c 微波无源元件建模研究工作 国外主要集中研究嵌入式无源器件 的建模 特别是高q 值螺旋电感的设计和建模研究工作 美国m i t 的研究人员在 2 0 0 4 年基于m c m d 技术开展了应用的高q 值螺旋电感设计及建模研究工作 并 提取了基于a d s 软件平台的模型 参考作者所提出的设计方法 可以实现集成所 需要的电感值 可以在l m m 2 面积内实现7 5 n i l 电感 2 5 g h z 下的q 值可达8 0 瑞典e t h 研究小组从2 0 0 2 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 并比较研究l t c c m c m d 和m c m l 技术实现集成r f 无源 元件的特点 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 弘1 2 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 l3 1 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 14 1 电子科技大学对k a 波段的接收前端多芯片组件进行了初步的研究 1 5 1 7 取得了不错的成绩 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 1 8 1 9 近年来各国开始对毫米波l t c c 微波组件展开了研究 主要集中在以下三个 方面 1 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 2 0 2 1 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 组件可行 性并体现了毫米波l t c c 组件的优点 4 l t c c 无源元件建模技术研究 2 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f 2 2 彩 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 w 的中等功 率放大器m m i c 和2 0 一3 2 g h z 的低噪放m m i c 的集成 26 1 3 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 由于l t c c 产品刚刚进入市场 因而对它的统计数据不多 日本市场调研公 司n a v i a n 发布的数据表明 l t c c 技术在2 0 0 3 年后快速发展 平均增长速度达到 1 7 7 从目前来看 近几年的发展速度已超过1 7 7 这一数值 这些数据说明了 l t c c 产业的目前概况和发展前景 尽管这些统计数据是不完整的 一些国家和地 区的公司未被统计进去 但这些数据所反映的基本发展趋势还是具有重要参考价 值的 目前国内有关毫米波l t c c 电路设计的研究处于起步阶段 电子科技大学对 毫米波段的l t c c 多芯片组件进行了初步的研究 8 2 6 总的来说对毫米波l t c c 组 件的研究处于起步阶段 从国内外对l t c c 技术的研究可以看到 l t c c 组件技术 是实现毫米波电路集成或系统组件的一种很有发展潜力的高级组装技术 在毫米 波频段将会得到越来越广泛的应用 随着工艺和材料的不断发展 毫米波l t c c 组件将会朝着高集成度 高封装效率 多功能 高散热率 低成本 微型化方向 发展 国外的m c m 借鉴了单片微波集成电路的设计经验 自动化设计水平也比 较高 针对微波m c m 工艺线建立了微波元件的模型和结构库 但国内的微波无 源元件的设计水平还比较低 没有建立无源元件的模型和基本结构 主要靠人为 的经验设计 1 3 本文研究内容与安排 本文在分析国内外l t c c 技术的相关研究和成果的基础上 对微波无源元件 建模技术进行了研究 通过参数提取 在三维电磁场仿真软件h f s s 平台下 建立 了内埋式平面螺旋电感 内埋式多层交错电容模型和兀型电容耦合 t 型电感耦 合带通滤波器模型 并完成了无源元件和滤波器的仿真分析 论文的结构安排如下 第一章 简单的介绍了研究背景 阐述了l t c c 技术的国内外现状及发展趋 势 第二章 重点介绍了无源元件的建模方法 h f s s 进行建模的流程 第三章 由于电容电感是无源元件的基础 给出了采用三维电磁场仿真软件 所以本章先从电感论述 先是介 第一章绪论 绍电感的三个性能指标 接着针对采用螺旋电感n 模型电路进行参数提取 考虑 到系统仿真和实际应用 文中对各种圈数的平面螺旋电感建立了三维仿真模型并 分析了结果 同样也对多层交错电容n 模型电路进行了参数提取 并对不同层数 的电容模型进行了仿真分析 第四章 利用已建立的电容电感模型设计了无源带通滤波器 l t c c 三维多层 结构的微波带通滤波器是将电感 电容等在多层中实现 所以建立无源带通滤波 器是一项很有意义的工作 本章主要介绍了两款带通滤波器的设计过程及最终的 仿真分析结果 第五章为结束语 对全文进行总结 并指出了论文的不足 第二章l t c c 无源元件建模方法 7 第二章l t c c 无源元件建模方法 2 1 无源元件的重要性 随着无源器件集成度不断提高 越来越多的功能被集成到单片上 这对集成 无源元件形成很大的压力 无线产品的射频部分尤其是这样 各种电子系统所用 无源元件与所用有源器件的比例 典型值为1 0 比1 某些无线电通信系统中的比 例可高达5 0 比1 特别是当今的手机 数码相机 寻呼机和计算机等一类的数字 化产品中 无源元件所占比例更大 比如 一个典型的移动电话产品可以包含4 0 0 个元器件 而有源器件数不到2 0 个 其余3 8 0 个无源元件占电话电路板8 0 左右 的面积和7 0 的产品组装成本 模拟及数字化系统的高速增长对无源元件的消耗 十分巨大 而这些单独的无源元件将占用p c b4 0 的面积 不论b g a 的 o 数增 至多高 其3 0 5 0 的焊点均是属于无源元件的 除无源元件面临如上的困难外 它所面临的技术问题也很多 主要表现为 a 使电子封装效率 元器件所有s i 面 积 p c b 面积 限制在2 0 以下 b 使电路性能难以提高 c 必须使每块电路单独 封装 d 必须安装在电路基板上 e 焊点众多 是造成焊点失效乃至电子部件失效 的根源 由于技术上存在的这些问题 使它在使用时也有一定的局限性 尺寸极限 在电子产品轻 小 薄及多功能化的要求下 片式元件的封装 尺寸越来越小 主流封装尺寸从1 6 m m x 0 8 m m 过渡到目前的1 0 m i n x0 8 m m 仅用 了4 年时间 而且将很快过渡到0 6 m i n x 0 3 m m 去年 日本村田公司又推出了更 小的0 4 r a m 0 2 m mm l c c 多层陶瓷电容 封装尺寸的不断缩小 对片式元件 的生产制造和表面贴装技术都提出了严峻的挑战 表面组装技术 s m t 模板的 厚度最薄0 1 m m 孔径最小0 2 5 r a m 最小可以贴装0 6 m i n x 0 3 r a m 元件 而贴装 0 4 r a m x0 2 r a m 元件是非常困难的 业界人士普遍认为 片式元件的封装尺寸己经 达到了极限 若要进一步提高组装密度 必须从当前的二维平面组装向三维立体 组装发展 这就要求无源元件向集成化发展 安装成本 随着电子产品向多功能化发展 每个电子产品中包含的电子元 器件数量不断增加 以致将这么多的元器件安置在一起所花费的组装成本问题就 突显出来 著名的i s u p p l i 公司经过统计调研后提出了一组令人感兴趣的数据 在 电子产品中 i c 无源元件在全部电子元器件及零部件的生产总成本中分别占据 4 6 1 和9 3 而在总安装成本中却分别占据1 2 7 和5 5 1 甚至某些片式元件 的管理和安装成本已超过其价格 解决这一问题的有效方法之一就是无源集成 高频 高速要求 虽然无引线片式元件的寄生参量很小 但由于电子产品向 8 l t c c 无源元件建模技术研究 高频和高速的发展势头非常强劲 一些电子产品的频率己经提高到几g h z 甚至几 十g h z 的范围 以致片式元件的端电极和焊点 焊盘 连线所带来的寄生参量也 成了不可忽视的问题 显然无源集成是避开这些麻烦的途径之一 高可靠要求 在经济全球化的大环境下 市场竞争激烈 元件的零故障率 成为市场竞争的重要手段 无源集成可以减少焊点 能提高对潮湿 氧化 腐蚀 冲击 振动的抵抗能力 追求电子产品缩短连线 并能提高对潮湿 氧化 腐蚀 冲击 振动的抵抗能力 经济效益 片式元件发展到今天 己经相当成熟 现在无源片式元件生产 规模很大 竞争非常残酷 多数生产企业已经处于微利润甚至零利润的被动状况 提高技术含量 走向集成化 增加产品附加值 才能扭转被动局面 取得较好的 经济效益 在这种情况下 无源元件走向集成化就成为必然的发展趋势 无论是减小整 个产品的尺寸与重量 还是在现有的产品体积内增加功能 集成无源元件技术都 能发挥很大的作用 使用集成无源元件技术能得到的其它好处是增加生产能力 减少库存 提高产品可靠性和降低功能块乃至系统级成本 集成无源元件技术还 能够提供紧凑的集成无源器件网络产品 或作为一个功能密集的平台 以集成射 频功能所需要的最佳有源器件组合 集成无源技术目前正被用于许多频率在 9 0 0 m h z 和5 8 g h z 之间的无线通信产品里的无源器件和模块的制作 集成无源元 件技术为射频无源网络 单功能模块和收发器提供了一种成本效益高的功能密集 的集成手段 多种多样的电阻 电容和电感元件材料和设计方法为射频子系统的 模块化和封装内系统集成提供了实现的途径 无源元件的集成方式主要有分离式 集成式和内埋式三种 分离式是将封好 的元件安装到系统中 集成度最低 但目前的工艺比较成熟 集成式是将制好的 未经封装的无源元件或者无源元件阵列用一定的互连方式集成到系统中 内埋式 则是直接在基板上制作无源元件 在基板内部进行连接 实现了最短的连接和最 高的封装效率 内埋式的无源元件集成技术对进一步实现系统级封装很意义 l t c c 技术内埋无源元件即将需埋置的无源元件先用厚膜浆料印制法与布线 导体一起制作在各层生坯陶瓷基板上 每层都开出互连通孔并金属化 再将各层 叠层加压进行烧结 就成为无源元件内埋型的l t c c 多层基板了 由于它将无源 元件内埋在不同的层上 然后用通孔将彼此相连 基板表面即留出了更大的空间 用来组装有源元件及特殊元件 所以很好地利用了三维空间提高了集成度 内埋 无源元件示意图如图2 1 所示 移动通信中采用l t cc 技术制作的s m d 型v c o 压控振荡器 l c 滤波器 频率合成组件 g s m d c s 开关共用器 d c d c 变 换器等 均已获得越来越广泛的应用 在集成无源元件方面采用l t c c 技术的目 的旨在提高组装密度 缩小体积 减轻重量 增加功能 提高可靠性和性能 缩 第二章l t c c 无源元件建模方法 9 短了组装周期 l t c c 是一种新型的陶瓷多层基板技术 它与其它多层基板技术相 比较 具有很多优点 1 内埋式无源元件不占用基板表面的空间 2 可以 降低成本 3 可减少焊盘 通孔等的数目 从而有利于提高可靠性 4 可 以提高封装效率和更好的电性能 但是 内埋式无源元件的频率响应却受到寄生 效应 损耗和电磁干扰的影响 正是由于l t c c 技术自身具有的独特优点 使得 它在制作新一代移动通信中的无源元件方面显现出了巨大的优越性 内埋电阻层叠孔 图2 1内埋无源元件示意图 2 2l t c c 无源元件建模方法 通孔 介质层 随着微波陶瓷材料发展日趋成熟 低温共烧陶瓷技术作为一种电路基板技术 与以往印制电路板技术比较 最大的特点在于可以将电路中应用的各种无源器件 如电容 电感 电阻 天线 滤波器 平衡非平衡器 双工器 天线开关和传输 线等完全掩埋在介质中 以多层电路结构的形式实现 并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 如射频收发 t 瓜 组 件 压控振荡器 v c o 模块等等 减小了系统模块的体积 重量 提高了系统 的可靠性 2 3 捌 尽管在l t c c 工艺上实现集成电阻 电容和电感的技术比较成熟 但目前还没有 套完整的设计软件 来实现复杂的模块或系统仿真和设计 提高 一次模块设计的成功率 要通过c a d 软件来实现模块或系统的仿真 优化和设计 提高一次成功率 就必须根据实际制造工艺建立一套标准的设计规则 对基本元 件进行建模f 4 1 元件的建模主要是对传输线 电阻 电感 电容等无源器件和常用 1 0 l t c c 无源元件建模技术研究 低噪声放大器 功率放大器等单片有源器件进行建模 模型即器件的数学表征 建模就是根据器件的物理结构 工作机理和不同的 工作状态 采用相应的电磁场分析方法或参数测试提取分析方法建立其数学表达 式 利用微波在片测试与模型参数提取软件相结合的方法可以精确的提取器件模 型 将其与标准工艺线相结合 即可建立标准器件的模型库 通过模型精度的提 高可以大大提高一次投片成功率 从而降低电路的设计和制造成本 为产品的开 发奠定了基础 一般的的器件模型研究包括物理分析模型和工程应用模型两部分内容 本文 所建的模型属于物理模型 物理模型适合于分析没有成熟模型定义的新结构器件 只需知道物理结构即可模拟器件特征 物理建模即根据器件的几何尺寸 材料参 数等采用电磁场分析的方法如时域差分法 矩量法 有限元法 谱域法等进行二 维 三维电磁场模拟 可对l c r 微带线进行仿真 还包括各种波导 天线以及 特殊器件和非规则的三维电路等 并可以获得精确的s 参数及等效电路参数 在 器件制作完成后 与参数提取的模型进行比较验证 l t c c 内埋式无源元件可以结合利用3 d 或者2 5 d 电磁仿真软件和微波电路仿 真软件进行设计 首先根据目前内埋式无源元件的设计趋势和优缺点以及实际电 路的需要 选择适当的元件结构 选择三维电磁仿真软件腼s s c s t 将无源元件 的物理尺寸输入软件中 接着设定结构材料 边界条件端口以及频率等 然后求 出s 散射参数并借助微波网络原理和微波电路仿真软件 a d s 萃取出等效电路参 数以便模型化 再由散射参数找出较佳的模拟值 接着实际制作模拟的结构 然 后测量出实际的电路散射参数 对二者进行比较调试 利用电磁仿真软件的设计 方式可以缩短内埋式无源元件的设计过程 还可以减少调试的次数 图2 2 给出了元件建模的具体过程 根据实际需要选定元件的结构以后 就要 确定内埋式无源元件的等效电路 现在有两种方法可以得到内埋式无源元件建模 所需要的数据 第一种方法是实际测量得到相关数据 被测试的元件中包含一系 列的设计参数 测量可以得到相关的信息 另一种方法是电磁仿真 可以把元件 实际的物理结构输入到电磁仿真软件中 利用电磁仿真软件可以定义各部分的材 料性质和端口特性 然后模拟出元件在我们感兴趣的频率段上的性能 第二章l t c c 无源元件建模方法 2 3 1 引言 图2 2l t c c 电路建模流程图 2 3l t c c 元件的仿真设计工具 对于传统的射频元件而言 可以利用向量网络分析仪和测量校正技术就能轻 易获得其特性参数 而内埋式无源元件 如电感 电容等 则不能如此 如果其 中包含复杂的互连线结构和其他嵌入式的元件 则必须要通过一个可以预估的方 法去实现 而电磁场仿真软件 如h f s s c s t e n s e m b l e s p i c e l l r t k s o n n e t 以 1 2l t c c 无源元件建模技术研究 及i e 3 d 等 具有预估测量结果的功能 这使得设计者可以在实际样品测量验证前 即可预知所设计元件的各项特性 如s 散射参数 低频段电感及电容值等 这种 方法有以下两个优点 1 比通过实际测量来调整元件尺寸更为有效 减少了大量设计时间 2 有些元件结构极为复杂且不易采用测量的方式解决 则可以利用此类仿 真软件来设计 但是这些仿真软件毕竟无法实现完全真实的测量环境 因而限制了仿真结果 的准确性 所以如果能够进行具有限制条件 即边界条件 的有效仿真 则得到 的仿真结果将更具有参考性 电磁场仿真软件主要有3 d 及2 5 d 两类 3 d 为三维结构全波电磁场分析软件 如a n s o f th f s s 等 但是此类软件存在以下问题 1 运算时间过长 2 对计算机配置要求很高 2 5 d 包括e n s e m b l e s o n n e t i e 3 d 等 这类软件具有快速运算的优点 但是 其缺陷在于要设定无穷大面积的介质 除了利用电磁场仿真软件对l t c c 元件的 物理结构进行模拟和设计外 还得利用相关微波电路软件 如a g i l e n ta d s 等 对 l t c c 元件的原理电路进行仿真 并通过现有的数学理论方程式萃取等效电路参 数 通过上述方法 我们可以建立l t c c 元件完整的资料库 下面重点介绍本论文采用的设计软件a n s o f th f s s 2 3 2h f s s 软件的介绍 a n s o f t i i f s s 是a n s o t l 公司推出的三维电磁仿真软件 适用于射频 无线通信 封装及光电子设计的任意形状三维全波分析电磁场仿真软件 是业界公认的三维 电磁场标准仿真软件包 它必将为射频 无线通信 封装及光电子产品新功能的 开发提供崭新高效的研究手段 它使用有限元法 f e m f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 做相关的电磁数值计算 用来求出所设计元件的散射参数及其相对应的电磁场的 变化 此软件的数值方法运算方式是将元件切割成许多小单位元件 而这些小单 位元件被称为有限元素网格 网格的密集成度代表在解方程式的过程中是否能有 效的收敛至预期设定值 通常越密 其运算时间耗费越久 但并不代表结果是正 确的 所以最新的版本对预设起始网格做了修正 设计者不需要手动去切割网格 就能得到不错的结果 另外用h f s s 进行模拟时 激励的设置十分重要 h f s s 在 应用于l t c c 元件设计时 主要有两种不同的激励方式 w a v ep o r t 和l u m p e dg a p s o u r c e 前者主要是以一个波导结构当作传输线的输入 如图2 3 所示 设定一个 四面都是电面的矩形横截面 图2 3 的实线框部分 并当作一个以半无穷方式延伸 第二章l t c c 无源元件建模方法 的波导 在其横截面上计算其传播的模式特征 然后利用模匹配法 m o d e m a t c h i n g 来求出波导传播模式的反射系数 再转换成5 0 欧姆特征阻抗下的散射系数 图2 4 给出了l u m p e d g a ps o u r c e 的示意图 实线框部分 与w a v e p o r t 不同的是横截面 上下的水平面都是电面 e w a l l 且与负责传导信号的带线 s t r i p 的宽度相同 而左右两个垂直面则都是磁面 h w a l l 其主要的传播模式为t e m 模 e w 枷 e w a u 图2 3w a v e p o r t 输入方式 e w a l l e w h u 图2 4l u m p e d g a ps o u r c e 输入方式 总之 h f s s 在电磁场模拟中应用广泛 功能强大 只需要将具体的仿真结构 在3 d 编辑器中输入 并对每一部分设置材料参数 再针对整个模型设置合适的边 界条件 最后按需求设定隶解条件 如求解范围 精度要求等 然后就可以进行 计算了 模型的建立和计算的时间关系很大 诸如网格的划分 合理的近似 边 界条件的设定都对计算量有较大影响 建立模型的时候应在保证仿真实现的前提 下 尽可能减小计算量 以便在配置较差的p c 机上进行计算 h f s s 的计算结果 通过后处理器可以以多角度对模型的各方面进行评估 可以清晰地看出仿真结果 和预期设计的差距 从众多的使用反馈看来 只要模型近似合理 材料设定和边 界条件尽可能模拟现实 h f s s 的计算结果与制造出来的样品实测参数与设计参数 是非常接近的 a n s o f l 公司的q 3 d e x t r a c t o r 是以准静态场 q u a s i s t a t i c f i e l d s 理论为基础 1 4 l t c c 无源元件建模技术研究 应用能量以及功率的观点来解关于电容 电感和电阻矩阵并生成等效s p i c e 模型的 软件 12 1 在元件尺寸小于十分之一波长的情况下 使用q 3 de x t r a c t o r 能得到非常 好的结果 而所花费时间比全波模拟要少很多 如果元件尺寸大于十分之一波长 时 就必须选择全波软件软件 比如m s s 通常欲设计的元件包含许多导体 每 一个连通的导体都可以被指定一个电流流进端口和一个电流流出端口 分别称为 源 s o u r c e 和漏 l i n k 例如在具体模型中 接地导体板上的两个面分别被指 定为了源和漏 没有被指定源和漏的导体视为接地 每一个连通的导体组成一个 所谓的网 n e t 不连通的导体不能组成一个网 n e t 许多导体之间则构成交错 且互相影响的网 q 3 de x t r a c t o r 以l c r 矩阵的形式来特征化由这些网组成的电路 就设计l t c c 埋层电感与电容而言 q 3 de x t r a c t o r 可以快速的求得在低频时的元 件值 如对于一个平面螺旋电感 已经有了一些比较近似的表达式 但是在l t c c 立体工艺下 电感可能呈现出的性状和结构十分丰富 出现了复杂的电磁耦合现 象 因此求出各种性状的电感的值变得十分困难 而采用q 3 de x t r a c t o r 可以很方 面的求出电感的值 图2 5 为h f s s 软件的设计功能 图2 6 为利用a n s o f ih f s s 进行仿真设计的 完整的流程图 27 1 在仿真的过程中除了最基本的三维元件模型及其金属和介质材 料参数的设定之外 能否灵活的设定各项参数又不至于造成太大的误差 是能否 进行有效仿真的关键 a r 一 二一 n s o r tl j e s l g n s y s t e ms o l v e r d e s i g n a r c h i t e c t u r e 么 弋夕 c i r c u i t l a y o u t e q u i v a l e n tc i r c u i t 3 dp l a n a rs o l v e r 1 j c i r c u i td e s i g n 1 卜 e x t r a c t i o n p a t t e r nl a y o u ta n a l y s i s 几 r e q u i r e dc o m p o n e n t 几 c o m p o n e n te x t r a c t i o na n d p a r a m e t e r sf i t t i n gl i b r a r yc o n s t r u c t i o n 广 弋夕 3 df i e l ds o l v e t p u l lm o d u l ef i e l ea n a l y s i s a n s o f o th f s s b e f o r em a n u f a c t u r i n g 图2 5h f s s 软件的设计功能 第二章l t c c 无源元件建模方法 选择处理模型 上 绘制几何模型 上 定义材料 j 设置端口和边界条件 上 设置解和网格 上 生成解 上 分析s 参数和场图 图2 6a n s o f th f s s 仿真流程图 由于h f s s 功能强大 以下各章的建模及仿真分析均采用该软件进行 第三章l t c c 无源元件建模 第三章l t c c 无源元件建模 l t c c 多层技术通过使用厚膜和共烧陶瓷技术来生产低成本的三维电路 这种 电路适合设计 生产内埋置无源器件 特别是电感和电容 最大的特点就是可集 成在电路的基板中 这种l t c c 无源器件可以在很大程度上替代分离元件 使用 l t c c 内埋无源器件的微波 射频模块可以很容易的达到低成本 高性能 体积小 的设计要求 并且可以缩短整个模块的设计周期 由于电感 电容是组成无源滤 波器的基本元件 因此对它们的分析是设计滤波器的基础 3 1 1 简介 3 1l t c c 电感元件 电感是射氟馓波无线系统前端中不可缺少的元件之一 其用途相当广泛 例 如 在电路中作匹配网络 构成l c 振荡回路 作r f 扼流块 r fe h o e k e s 滤波 器 集总参数耦合器等 电路中电感性能的好坏常常是决定整个电路系统性能优 劣 甚至是能否正常工作的关键 高q 值的电感用作低噪声放大器 l n a 的输 八匹配网络时可减小l n a 的噪声系数 用作压控振荡嚣 v c o 的l c 振荡回路 时可改善v c o 的相位噪声 而常用的c m o s 由于工艺和s i 材料特性的限制很难 实现高q 电感 q 值一般在1 0 3 0 之间 并且所占面积大 成本高 在电阻 电 感和电容基本无源元件中 一般来说电感所占面积是最大的 电感己成为系统小 型化发展的一个障碍 因此 如何提高电感的q 值 减小其面积 降低成本是无 源器件集成中的一个重点 图31 为几种比较成熟的l t c c 电感结构 回q l l r 回 a 矩形平面螺旋电感 b 折线电感 c 位移式电感 l t c c 无柱元件建模技术研究 固荔 d 圆形平面螺旋电感 e 三维h e l i c a l d i 感 f 叠层式电感 图31 l t c c 电感的结构图 l t c c 技术采用低介电常数 低损耗介质材料和高导电率金属材料 通过埋置 及多层结构形式能有效的减小电感所占面积和提高电感0 值 电感的埋置对于电 路特性的影响较为明显 利用l t c c 技术埋置电感可以得到较为理想的特性 在 多种形状的电感中 螺旋电感具有较高的感值和旦值 同时可以方便的利用其边 来实现电磁耦台 本节将对平面螺旋电感模型进行建立并分析 3 12 电感的性能指标 表征电感性能的指标主要有三个 品质因数 q 值 有效电感量 l e f t 自 谐振频率 s r f q 值主要是表征电感的储能和耗能情况 集成螺旋电感的损耗大致来源于三 个方面 一是金属线的电阻 线本身很细 再加上高频时产生的趋肤效应 加大 了电感值 二是电感面和衬底间的寄生将电感中的一部分能量耦合到电感的村底 消耗了 三足电感中的电流所产生的磁场将一部分能量耦合到衬底中形成电流消 耗了 由于损耗太大 因此集成电感的q 值都很低 常用的q 值定义有三种 一 是从相对带宽来定义0 值 二是从阻抗来定义 三是从相位来定义 在设计l t c c 埋置电感主要是从阻抗来定义 q 值可由单端口网络输入阻抗的虚部与实部之比 得到 q 值的计算公式如下 q m a g 1 m z r e z h 3 1 其中 乙 z o 蔑卺糕 电感的0 值跟电感的长度 匝数 形状 寄生电容 金属厚度和导电率 基 板的介电常数和导电率等有直接关系 有效电感量 l e f t 是从电感的输入端口看进去总的电感量 那么电感值具体 是多少昵 下面是它的具体讨论 堆简单的电感结构是一条足够长的金属线 常 第三章l t c c 无源元件建模 1 9 见的如微带线 此种情况下 高频单位长度的电感值为 三 垒 3 3 c 其中 乙为传输线的特性阻抗 c 为介质中电磁波的速度 2 9 但是在具体的电感设计中并不能完全使用该式 因为设计的电感不可能都是 直