第五章微波混合集成技术电子科大-53MCM

1、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.1 概述概述5.3.2 LTCC工艺和技术工艺和技术5.3.3 微波微波LTCC电路设计电路设计5.3.4 微波毫米波微波毫米波LTCC系统应用系统应用第五章第五章 微波混合集成电路微波混合集成电路5.3 5.3 微波多芯片组件微波多芯片组件MCMMCM电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.1 概述概述p 多芯片组件（多芯片组件（Multichip Module）技术）技术多芯片组件（多芯片组件（MCMMCM）：）：将将多个多个裸裸芯片、芯片、微型微型封装封装元器件元器件、贴片、贴片元元器件器件集成在集成在同一块同一块多层多层高密度互连

2、基板上高密度互连基板上, ,并封装在同一外并封装在同一外壳内壳内，构成具有一定部件或系统功能构成具有一定部件或系统功能的的高密度微电子组件。高密度微电子组件。电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.1 概述概述p MCMMCM基本构成：基本构成：(1) 电路电路/系统小型化，轻重量：系统小型化，轻重量：p MCMMCM特点特点：MCM中，无源电路制作在多层互连基板中，形成中，无源电路制作在多层互连基板中，形成3-D多层高密度集成无多层高密度集成无源电路结构；源电路结构；将多个将多个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，裸芯片、片式或微型封装元器件集成在同一多层互连基

3、板上，封装在同一外壳内的电路封装在同一外壳内的电路/系统结构；系统结构；元器件组装密度高，元器件组装密度高，芯片面积与基板面积之比可在芯片面积与基板面积之比可在20%以上，同一功能以上，同一功能的部件，重量可减轻的部件，重量可减轻80%90%电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.1 概述概述(2) 电路电路/系统性能系统性能在同一封装内可集成在同一封装内可集成模拟、数字模拟、数字电路，电路，功率、光电、微波器件及各类片式功率、光电、微波器件及各类片式元器件元器件，可实现，可实现部件、子系统或系统部件、子系统或系统功能功能; ;各种无源电路一体化设计，减小了系统连接接口，具有各种无源电

4、路一体化设计，减小了系统连接接口，具有综合性能更优良；综合性能更优良；各功能电路单元各功能电路单元互连线长度短，信号传输延时互连线长度短，信号传输延时小小，传输速度传输速度可可大幅提升，大幅提升，可满足高速电路需求；可满足高速电路需求；微系统微系统p MCMMCM特点特点：(3)可靠性提升可靠性提升MCM避免了单块避免了单块IC封装的热阻、引线及焊接等一系列问题；封装的热阻、引线及焊接等一系列问题；MCM为一体封装结构，电路为一体封装结构，电路组装层次组装层次，可靠性可靠性高高电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.1 概述概述p MCM分类分类uMCM-L（Laminate）：叠层）

5、：叠层MCM，使用传统，使用传统PCB 工艺工艺和材料制造高密度叠层基板的和材料制造高密度叠层基板的MCM 与与PCB 技术的根本区别在于技术的根本区别在于: (1)安装裸芯片、微封装安装裸芯片、微封装/片式元件片式元件;(2)无源功能电路埋置于多层无源功能电路埋置于多层 特点：特点：（1） 成本低、工艺基础好、工艺灵活性高；成本低、工艺基础好、工艺灵活性高；（2）一般用于）一般用于30MHz系统系统MCM-LMCM-L、MCM-CMCM-C、MCM-DMCM-D电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.1 概述概述uMCM-C（Ceramic）：厚膜陶瓷型）：厚膜陶瓷型MCM，采用丝网

6、印刷成，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。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）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。靠性、电性能与热性能。（3）成本适中）成本适中 特点特点（1）有两种类型：）有两种类型：高温共烧陶瓷（高温共烧陶瓷（HTCC）工艺（烧结温度）工艺（烧结温度1500C）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（低温共烧陶瓷（LTCC）工艺（烧结温度）工艺（烧结温度850900C）

7、Ag-Pd，Au-Pd-Cu，低电阻率材料布线，可用于微波毫米波电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.1 概述概述uMCM-D（Deposited）：淀积薄膜型）：淀积薄膜型MCM，是在，是在Si、陶瓷或、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。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）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。频高性能系统。 特点特点（1）薄

8、膜工艺，电路性能最佳）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，涂覆聚酰亚胺采用真空蒸发、溅射、电镀等成膜工艺，涂覆聚酰亚胺PI（ r =3.4）或苯并环丁烯或苯并环丁烯BCB（ r =2.7）介质，采用光刻、反应离子刻蚀等技术介质，采用光刻、反应离子刻蚀等技术制作电路图形。制作电路图形。（3）成本高）成本高电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.2 LTCCu近些年发展起来的多层集成电路技术，即近些年发展起来的多层集成电路技术，即LTCCLTCC技术，技术，具有优具有优异的高频性能，已成为异的高频性能，已成为微波毫米波高密度集成技术研究发展微波毫米波高密度集成技术研究

9、发展的热点的热点微系统，微系统，SOPu低温共烧陶瓷（低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired CeramicLow Temperature Co-fired Ceramic：LTCCLTCC） 技术技术：以厚膜技术和陶瓷多层技术为基础，在生瓷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，在后叠压在一起，在850850左右烧结，制成三维电路网络的无左右烧结，制成三维电路

10、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，在其表面贴装其表面贴装ICIC和有源器件，制成无源和有源器件，制成无源/ /有源集成的功能模块。有源集成的功能模块。u应用领域包括应用领域包括：雷达雷达T/RT/R组件、移动通信前端设备、无组件、移动通信前端设备、无线互连网络设备、医疗电子设备等线互连网络设备、医疗电子设备等电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.2 LTCCuLTCCLTCC工艺流程工艺流程生瓷带生瓷带制备制备常见的生瓷带制造商如下：常见的生瓷带制造商如下：Dupont, Dupont, Ferro, Herae

11、us, IKTS, CERAMTEC, Ferro, Heraeus, IKTS, CERAMTEC, NAMICS, NAMICS, DupontHERAEUSDP951PXCT2000DP951A2/P2HL2000DP951AT/PTCT700DP951 C2CT701DP951 C1CT702DP943 P5CT703DP9K7VAHT 03-003DP951 RTCT 707 Pb-frei电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义5.3.2 LTCCp应用举例应用举例波导到微带 过渡隔离开关 低噪声放大器混频器低通滤波器放大器中频放大器本振功分器波导到微带 过渡射频波导到微带 过渡隔

12、离开关 低噪声放大器混频器低通滤波器中频放大器射频放大器开关控制器中频中频接收机输入信号频率为35GHz500MHz,中频输出信号为60MHz 接收前端原理框图 pLTCC应用应用指标分配指标分配参量过渡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 5.87过渡开关低噪声放大器混频器放大器功分器放大器混频器本振滤波器滤波器中放中放低噪声放大器过渡开关RFRFpLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成

13、电路讲义13工艺及布局LTCC基板采用FERRO A6 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。接地通孔接地通孔接地通孔第九层第八层第七层第六层第五层第四层第三层第二层第一层中频电路焊盘接地通孔芯片电容MMICLTCC接收前端横截面示意图pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义14LTCC基板形状为规则的矩形表面电路 背面电路pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义15LTCC接收前端第二次加工装配图加工样品pLTCC应

14、用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义16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60mm50mm10mm，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。pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义18l Designer-电路图的设计L1Q=Q1C1Q=Q2L2Q=Q1C2Q=Q2L1Q=Q1C1Q=Q2滤波器电路原理图滤波器电路仿真结果pLTCC应用应用电子科技大

15、学电子工程学院微波集成电路讲义19l Designer-LTCC原理图设计Port1Port2AN04_LC1_TRLn1n2AN04_LC1_AN05_LC2_Ind_100umXdim=1.3172mmYdim=1.3172mmLine_Width=100umModel=LC1_LC2AN05_LC2_TRLAN05_LC2_CrossAN05_LC2_TRLAN05_LC2_CrossAN05_LC2_TRLn1Un1LAN03_LC0_AN05_LC2_ViaU1M1AN02_C0_AN03_LC0AN03_LC0_TRLAN02_C0_TRLAN04_LC1_TRLn1Un1LAN0

16、2_C0_AN09_C2_ViaAN02_C0_TRLU1M1AN02_C0_AN03_LC0AN03_LC0_TRLn1Un1LAN03_LC0_AN05_LC2_ViaAN04_LC1_TRLAN04_LC1_CrossAN04_LC1_TRLAN04_LC1_TRLn1n2AN04_LC1_AN05_LC2_Ind_100umXdim=1.3172mmYdim=1.3172mmLine_Width=100umModel=LC1_LC2AN05_LC2_TRLn1n2AN04_LC1_AN05_LC2_Ind_100umXdim=0.5704mmYdim=0.5704mmLine_Widt

17、h=100umModel=LC1_LC2n1UAN05_LC2_AN12_G1_ViaU1AN09_C2_AN10_G0AN09_C2_TRLLTCC滤波器原理图pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义20l Designer-拓扑结构的导出物理拓扑图滤波器三维结构pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义21l 导入Hfss验证 在Designer主菜单layout项选择export to HFSS, 出现export to HFSS对话框，显示VBScript Script 脚本文件。在存储位置双击文件类型为VBScript Script File图标，A

18、nsoft Hfss自动生成相应的LTCC滤波器模型。VBScript Script 脚本文件pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义22设定变量进行仿真优化l Hfss-三维调谐和优化pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义23l Hfss-三维EM验证滤波器立体模型LTCC滤波器S11和S21参数图pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义24带通滤波器设计3的S21实测数据和滤波器外形图 pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 X波段LTCC接收前端pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 根据系统

19、设计需要，选取器件如下： 前两级低噪声放大器均选用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采用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一种新型的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）。pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 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44d

20、B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。pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 接收前端中关键部件设计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：设计目标：中心频率中心频率9.5GHz9.5GHz，带宽带宽1GHz1GHz，带内回波损耗优于带内回波损耗优于20dB20dB，对对6.76-7.76GHz6.76-7.76GHz抑制优于抑制优于25dB25dB。 该滤波器的介质基板有二十层介质，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，带通滤波器被埋置在上面的四层

21、介质内，微带地在第五层金属层，剩余的十六层介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。质可以埋置其它电路结构和走线。pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Frequency(GHz)24681012141618S-Parameter(dB)-80-60-40-200Simulated (S11)Simulated (S21)Measured (S11)Measured (S21)测试样品仿真结果与测试结果整个滤波器的面积是整个滤波器的面积是8.17.4 mm2。测试结果波形与仿真结果吻合的非常好。测试结果波形与仿真结果吻合的非常好。实测结果显示，在实

22、测结果显示，在9-10GHz的频率范围内，插入损耗小于的频率范围内，插入损耗小于2.9dB（包括两个（包括两个SMA接头），回波损耗优于接头），回波损耗优于11dB，对，对6.76-7.76GHz抑制优于抑制优于35dB，达到了设计要求。，达到了设计要求。pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义新型的准椭圆函数带通滤波器立体结构图新型的准椭圆函数带通滤波器立体结构图设计目标：设计目标：中心频率中心频率1.14GHz1.14GHz，带宽带宽0.08GHz0.08GHz，带内回波损耗优于带内回波损耗优于15dB15dB，对对1GHz1GHz的抑制优于的抑制优于25dB25dB，对

23、对7.88-8.88GHz7.88-8.88GHz的抑制优于的抑制优于20dB20dB。pLTCC应用应用电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Frequency (GHz)246810Magnitude (dB)-80-60-40-200S21 SimulatedS11 Simulated 仿真结果显示，通带插入损耗小于仿真结果显示，通带插入损耗小于4.5dB4.5dB，回波损耗优于，回波损耗优于16.2dB16.2dB，在阻带内，在阻带内，对对1GHz1GHz的抑制优于的抑制优于53dB53dB，对，对7.88-8.88GHz7.88-8.88GHz的抑制优于的抑制优于21dB21dB。另外，在滤波器的。另外，在滤波器的阻带内有四个传输零点，分别是：阻带内有四个传输零点，分别是：0.85GHz0.85GHz，1GHz1GHz，1.28GHz1.28GHz和和2.48GHz2.48GHz，其中，其中，传输零点传输零点1GHz1GHz和和1.28GHz1.28GHz是由于谐振器是由于谐振器1 1和和4 4之间的跨偶产生的，而传输零点之间的跨偶产生的，而传输零点0.85GHz0.85GHz和和2.48GHz2.48GHz是由于输入输出结构引入的。显然，本文设计的是由于输入输出结构引入的。显然，本文设计的L L波段带通