【正文】 ..................................................... 23 本章小結 ........................................................................................................ 26 第三章 基于 LTCC 技術內埋電感電容的設計與分析 .................... 27 簡介 ................................................................................................................ 27 LTCC 內埋置電感設計與分析 ..................................................................... 28 目前 LTCC 內埋置電感基本類型 ........................................................ 28 LTCC 埋置電感設計流程 ..................................................................... 32 三種 LTCC 電感建模及分析比較 ........................................................ 33 LTCC helical三維電感影響因素分析 .................................................. 36 電感等效電路模型理論 ........................................................................ 47 電容設計與分析 ............................................................................................ 51 LTCC 內埋置電容性能指標及其計算 ................................................. 52 本章結論 ........................................................................................................ 56 第四章 基于 LTCC 技術的無源濾波器設計 ........................... 57 引言 ................................................................................................................ 57 濾波器設計基礎 ............................................................................................ 57 濾波器技術指標 ...................................................................................... 58 濾波器分類 .............................................................................................. 59 頻率變換 .................................................................................................. 62 階躍阻抗諧 振器 (SIR) ................................................................................... 64 SIR 的基本結構 ..................................................................................... 64 目 錄 VI SIR 諧振條件和諧振器的電學長度 ..................................................... 65 LTCC 濾波器設計實例 ................................................................................. 68 實例設計目標指標 ................................................................................ 68 LTCC 濾波器設計流程 ......................................................................... 68 實例設 計方案及實施 ............................................................................ 69 本章結論 ........................................................................................................ 80 第五章 結 論 ................................................ 82 致 謝 ........................................................ 83 參考文獻 ..................................................... 84 個人簡歷 ..................................................... 87 第一章 緒論 1 第一章 緒 論 研究背景 近年來隨著軍用電子整機、通訊類電子產品及消費類電子產品迅速向短、小、輕、薄方向發(fā)展，手機、 PDA、 MP筆記本電腦等終端系統(tǒng)的功能愈來愈多，體積愈來愈小， 電路組裝密度愈來愈高。若能將部分無源元件集成到基板中，則不僅有利于系統(tǒng)的小型化，提高電路的組裝密度，還有利于提高系統(tǒng)的可靠性。 目前的封裝集成技術主要有 薄膜技術、硅片半導體技術、多層電路板技術 [13]以及 低溫共燒陶瓷 (LTCC)技術 [4]。其中低溫共燒陶瓷 (LTCC)技術是一門新興的集成封裝技術， 所謂 LTCC 技術，就是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在 900℃ 下燒結，制成三 維電路網絡的無源集成組件，也可制成內置無源元件的三維電路基板 [56]，在其表面可以貼裝 IC 和有源器件，制成無源 /有源集成的功能模塊 [78]。總之，利用這種技術可以成功地制造出各種高技術 LTCC 產品。 以多層 LTCC 開發(fā)的產品將具有系統(tǒng)面積最小化，高系統(tǒng)整合度，系統(tǒng)功能最佳化，較短的上市時間及低成本 等特性，從而具有相當的競爭力。 相對于以前的封裝集成技術 LTCC 技術具有如下優(yōu)點： ? 陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻高 Q 特性，使用頻率可高達幾十 GHz； ? 使用電導率高的金屬材料作為導體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質因子； ? 可以制作線寬小于 50μm的細線結構電路； ? 可適應大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通 PCB 電路基板更優(yōu)良的熱傳導性； ? 具有較好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數、較小的介電常數溫度系數； ? 可以制作層數很高的電路基板，并可將多個無源元件埋入其中，有利于提高電路的組裝密度； ? 能集成的元件種類多、參量范圍大，除 L、 R、 C 外，還可以將敏感元件、EMI 抑制元件、電路保護元件等集成在一起； 電子科技大學碩士學位論文 2 ? 可以在層數很高的三維電路基板上，用多種方式鍵連 IC和各種有源器件，實現(xiàn)無源 /有源集成； ? 可靠性高，耐高溫、高濕、沖振，可應用于惡劣環(huán)境 ； ? 非連續(xù)式的生產工藝，允許對生坯基板進行檢查，從而提高成品率，降低生產成本。 ? 與薄膜多層布線技術具有良好的兼容性，二者結合可實現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件（ MCMC/D）。 LTCC 技術 以其優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性，將成為未來電子器件集成化、模塊化的首選方式 ， 從技術成熟程度、產業(yè)化程度以及應用廣泛程度等角度來評價，目前， LTCC 技術是無源集成的主流技術。 LTCC 技術研究現(xiàn)狀及動態(tài) LTCC 材料的現(xiàn)狀及動態(tài) LTCC 器件對材料性能的要求包括電性能、 熱機械性能和工藝性能三方面 ，介電常數是 LTCC 材料最關健的性能。由于射頻器件的基本單元 —諧振器的長度與材料的介電常數的平方根成反比，當器件的工作頻率較低時 (如數百兆赫茲 )，如果用介電常數低的材料，器件尺寸將大得無法使用。因此，最好能使介電常數系列化以適用于不同的工作頻率。介電損耗也是射頻器件設計時一個重要考慮參數，它直接與器件的損耗相關。理論上希望越小越好。 介電常數的溫度系數，這是決定射頻器件電性能的溫度穩(wěn)定性的重要參數。 為了保證 LTCC 器件的可靠性，在材料選擇時還必須考慮到許多熱機械性能。其中最關健的 是熱膨脹系數，應盡可能與其要焊接的電路板相匹配。此外，考慮到加工及以后的應用， LTCC 材料還應滿足許多機械性能的要求，如彎曲強度 σ、硬度 Hv、表面平整度、彈性模量 E 及斷裂韌性 KIC 等等。 工藝性能大體可包括如下方面：第一，能在 900℃ 以下的溫度下燒結成致密、無氣孔的顯微結構。第二，致密化溫度不能太低，以免阻止銀漿料和生帶中有機物的排出。第三，加入適當有機材料后可流延成均勻、光滑、有一定強度的生帶。 目前世界上提供 LTCC 材料的生產廠家有 DuPont， Ferro， Heraeus， Northrop，Electroscience Laboratories， Swedish Ceramic Institute， Kyocera， Sarnoff， National semiconductor， NIKKO， Nippon Electric Glass， Samsung 等。 其中 有 duPont、 Ferro第一章 緒論 3 和 Heraeus 三家提供數種介電常數小于 10 的生帶，國內開發(fā) LTCC 器件的研究所也都在采用這些生帶。這些生帶存在兩個問題：首先，介電常數未系列化，不利于設計不同工作頻率的器件。第二，這些生帶開發(fā)商并無實際使用生帶進行設計和生產的經驗 ，比較注重生帶與銀漿料的匹配性和工藝性能，對于設計對生帶的要求的掌握并不詳盡。 Heraeus 目前似乎更著重于銀漿和介電粉料的開發(fā)，似有退出生帶生產之勢，不知是否代表一種趨勢。 國內目前 LTCC 材料基本有兩個來源，一是購買國外生帶，二是器件生產廠從原料開發(fā)起。這些都不利于快速、低成本的開發(fā)出 LTCC 器件。因為，第一種方式會增加生產成本，第二種方式會延緩器件的開發(fā)時間。目前清華大學材料系、上海 硅酸鹽研究所等單位正在實驗室開發(fā) LTCC 用陶瓷粉料，尚未到批量生產的程度。國內現(xiàn)在亟須開發(fā)出系列化的、最好有自主知識產權 的 LTCC 用陶瓷粉料，專業(yè)化的生產系列化 LTCC 用陶瓷生帶，為 LTCC 器件的開發(fā)奠定基礎。南玻電子公司正在用進口粉料，開發(fā)出介電常數為 、 和 的三種生帶，厚度從 10μm到 100μm，生帶厚度系列化，介電常數半系列化，為不同設計、不同工作頻率的器件開發(fā)奠定了基礎。 另外我國 臺灣憬德電子工業(yè)股份有限公司也提供LTCC 材料。 LTCC 技術應用的現(xiàn)狀及動態(tài) LTCC 技術，受到全球產業(yè)的曙目，已廣泛應用于宇航工業(yè)、軍事、無線通信、全球定位系統(tǒng)、無線局域網、汽車等產業(yè) [910]。 美國、日本 等著名的 DuPont、CTS、 NS、 Murata、 Soshin、 TDK 等大公司力推 LTCC 技術的應用。利用 LTCC技 術，既可制造單一功能元件 (如電阻、電感、天線、雙工器、濾波器等 )，還 可以整合前端元件，如天線、開關、濾波器、雙工器、 LNA、功率放大器等制成 RF前端模塊，可有效地降低產品重量及體積，達到產品輕、薄、短、小、低功 耗的要求。 LTCC 產品按技術層次劃分，可粗略地分為以下四類 : ? 高精度片式元件：如高精度片式電感器、電阻器、片式微波電容器等，以及這些元件的陣列 [11]。 ? 無源集成功能器件：如片式射頻無 源集成組件，包括 LC 濾波器及其陣列、定向耦合器、功分器、功率合成器、 Balun、天線、延遲線、衰減器，共模扼流圈及其陣列， EMI