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采用传统LC谐振单元结构实现小型化LTCC低通滤波

发布日期:2021-01-06 02:48 作者:3分赛车

  低温共烧陶瓷技术(LTCC)技术是20世纪80年代中期发展起来的一种新型电子工艺技术,最初用于航空航天工业和大型中高密度多层陶瓷的加工与制造,随着现代通信技术的发展,各类通信设备和终端对小型化的要求越来越高。

  LTCC技术能够充分利用三维空间,在基板内埋植电容电感、天线、滤波器功分器等无源器件,集成度高,尺寸小,射频性能优良,利用LTCC这种可以多层结构埋植器件技术,可以很好地满足设备小型化的要求。

  LTCC一个重要应用就是制作各种小型化滤波器等无源器件,目前,商用LTCC低通滤波器的典型尺寸主要有1812(4.5 mm×3.2 mm)、1210(3.2 mm×2.5 mm)、1206(3.2 mm×1.6 mm)等规格。本文中提出的滤波器利用LTCC多层布线三维立体结构的特点,大大减小了器件的面积尺寸,平面尺寸只有3.2 mm×1.6 mm,达到了小型化的目的。

  LTCC滤波器的设计通常是基于经典滤波器设计理论,从结构上讲,主要有两种结构,一种是采用传统的LC谐振单元结构,谐振单元由集总参数的电容电感组成,另一种是采用多层耦合带状线结构。本文所设计的低通滤波器采用第一种集总参数形式,理想化低通滤波器电路原理图如图1所示。

  首先根据低通滤波器理想电路原理图选定实际需要的元件值,通过ADS仿真软件对电路模型进行优化,使电路仿真结果满足需要。低通滤波器原理图仿线所示。根据公式计算得到其基本物理结构图,然后在HFSS软件里画出物理结构,设定基板的介电常数、划分网格、设置扫描频率,仿真后得到S参数。 低通滤波器的截止频率为900 MHz;通带插损小于1 dB;通带内端口驻波小于1.5;带外抑制大于35 dB,@1.5 G.

  本文设计的LTCC滤波器中的集总参数的电容和电感通过LTCC多层陶瓷集成在陶瓷基板内部。LTCC内埋植电容的设计一般采用两种方式:垂直交指 型(VIC)电容和金属-介质-金属(MIM)电容。本文设计的滤波器的内埋置电容元件采用垂直交指型(VIC)电容,在相同电容量的情况下,VIC 结构电容相比MIM结构电容能够大大减小端电极面积,从而有效减小滤波器尺寸。

  LTCC内埋电感有平面螺旋电感、堆栈螺旋电感、多层螺旋电感等方式,如图3所示,本文设计的低通滤波器内埋植电感元件采用多层螺旋结构的电感,在相同的有效电感值下此结构比平面螺旋式、堆栈螺旋式等结构具有更高的自谐振频率和品质因子。

  滤波器的制作采用杜邦951生瓷片,电容和电感采用配套的印刷浆料,基板介质材料相对介电常数为7.8,介质损耗为0.006,共用到14层生瓷 片,其中第3层到第8层为多层螺旋结构的电感,第9层到第12层为垂直交指型(VIC)电容,第13层为电路的地层,烧结后的器件尺寸为3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm,滤波器的LTCC三维物理模型如图4所示。使用HFSS软件对低通滤波器模型进行三维电磁场仿真,该模型的三维电磁场仿线所示。

  LTCC工艺最大的难点在于工艺参数的敏感性、加工结果的非直观性和烧结后基板的不可返工性。对于具体的产品基板,因材料、尺寸、层数、结构、图形分布、后烧状态等的不同,往往需要通过多轮次的实际产品加工参数调整与渐进优化,才能得到很满意的LTCC基板,尤其是烧结、层压的工艺参数,对基板的质 量影响很大。期望获得合格、高质量、高性能的LTCC基板,除了严格控制各个加工工序的材料、环境、参数、过程外,还必须在叠片前检验剔除不合格的生瓷片 层,在烧结后监控基板的收缩率、密度、强度、平整度、通断状态等关键指标。

  在LTCC工艺中,通孔填充主要是为了层间电路连接,在生瓷片上形成的通孔中填满导电浆料。此外,在某些高频的电路设计中,还需要屏蔽孔,起到电磁 屏蔽的作用。LTCC设计中通常使用0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm三种规格的通孔作为信号通孔。由于在工艺流程中会产生一定的误差,使用过小的通孔会导致层间互联通孔的连接变差,如果通孔直径大于0.3 mm或者小于0.15 mm,金属化时都很难形成盲孔或者埋孔,从而降低了基板的成品率和可靠性,所以通常设计中尽量避免使用小于0.1 mm的通孔作为层间电气连接的信号通孔。本文中设计的滤波器中都采用0.2 mm的通孔。填充工艺中出现的问题主要有两种,一是填充浆料过多,浆料溢出漫延会对产品的性能和可靠性造成影响,甚至造成电路短路,导致产品失效;另一种 是填充不饱满,造成层间连接失效。在微孔填充工艺中,根据生瓷片厚度以及填充浆料的特性,通过反复的实验,选择合适的填充压力和加压时间,最终取得良好的 填充效果,如图7所示。

  印刷是将设计好的电路图形转移到生瓷片的过程,在LTCC工艺中一般采用丝网印刷的方式将导体浆料印刷在生瓷片上。印刷是LTCC工艺中重要的一个 环节,印刷质量直接关系到最终电路的电性能,同时印刷也是LTCC工艺中最难控制的工艺环节,因为印刷质量和很多因素有关,主要包括:

  好的印刷质量主要是指印刷图形位置准确、浆料量适中、形状正确、印刷稳定等。在滤波器电路图形的印刷过程中,开始容易出现印刷效果差的情况,通过不 断的改进,在丝网印刷过程中优化控制好刮板压力、印刷速度、折距等工艺参数,得到较好质量的印刷图形。丝网印刷的印刷质量如图8所示。

  叠片是将印刷和填孔后的单个生瓷片通过校位叠片后进行热压,使多张生瓷片结合成为一体,叠片的精度是保证三维电路连接准确不可或缺的工序,叠片精度 差会造成层间电路的互连错位,从而影响电路的性能,甚至使得电路失效,如图9所示。在早期的LTCC工艺中较多使用手工叠片的方式,随着LTCC电路印刷 线路和通孔尺寸的缩小,手工叠片对位的精度逐渐满足不了工艺要求,现在普遍采用自动化的叠片设备,主要由CCD摄像头、一个XY-θ平台和一个固定平台组 成,通过校准生瓷片上的对位孔和摄像头的中心轴,作为对位的标准光轴,将生瓷片放在XY-θ平台上并调整位移和角度,使对位孔中心和标准光轴重合,从而达 到精确对位的效果,目前自动化叠片设备的层间对位精度可以达到10 μm以下。

  层压是将叠片完成的生瓷片通过单轴压或者等静压,使其成为致密的整体,本文中滤波器制作工艺中采用等静压的方式,先将叠片完成的生瓷片真空包封在防 水的袋中,然后放入等静压层压机的压力水腔进行层压。层压的基本参数是压力和温度,本文中使用的工艺条件为压力21 MPa,层压温度70 ℃,先预热5 min,然后升压至层压压力,层压时间13 min.层压过程中最大的问题是分层,分层会导致基板烧结后产生分层断裂和缺陷变形。为了防止分层现象,需要根据产品的特性优化层压的条件,包括压力、温 度、时间等参数。

  本文设计了一种小型化的LTCC低通滤波器,通过对滤波器原理图的分析和仿真,建立了低通滤波器三维电路物理模型并完成三维电磁场仿真,滤波器采用 集总参数形式的多层螺旋结构电感和VIC电容设计,采用14层生瓷片结构,尺寸面积为3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm.重点分析了LTCC低通滤波器电路版图设计和工艺流程中的一些关键问题,并在LTCC工艺线上完成滤波器的加工,滤波器电路的实物图如图10所示。 900M小型化LTCC低通滤波器可广泛应用于无线移动通信系统中。

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