【正文】 )，并將電容性和電阻性元件和這種氣密結(jié)構(gòu)相結(jié)合。正是由 于這個原因，制造商一直致力于尋求新型材料，以提高無線通訊設(shè)備的性能。過去這些裝置常采用有機聚合物材料作為包裝材料，因為這些材料能滿足生產(chǎn)和成本要求。高密度、良好溫度特性及小尺寸的新型電子系統(tǒng)已日益成為電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。第五章則為本論文的總結(jié)部分。本課題主要圍繞此生產(chǎn)線展開進行 ， 對 LTCC 技術(shù) 工藝 、 設(shè)計 加以 研究。特別是基于 LTCC 的三維微波集成電路的研制成功，在很大程度上降低了三維微波集成電路的造價，給三維微波集成電路開拓了更廣闊的市場前景。設(shè)備的高可靠性、微型化、低價格及良好的溫度特性，要求微波集成電路在滿足電氣性能指標的同時，應(yīng)盡可能減小電路占用面積。這些部件可通 過焊接聯(lián)在一起，組成一個完整的箱體，各部件上都帶有 (電氣、光學(xué)、液體 )孔連接結(jié)構(gòu)和接口，用以連接被安裝的芯片。 ? 高熱傳導(dǎo)率 ： 隨著多層芯片線路集成度的提高， LT CC 的 ~傳導(dǎo)率已經(jīng)不能滿足數(shù)瓦級大功率散熱的多芯片模塊設(shè)計的要求，開發(fā)基于 LTCC 大功率散熱材料及技術(shù)勢在必行。 第一章 緒論 7 ? 零收縮率 ： 由于在燒結(jié)過程中 LTCC 生瓷帶的不均勻收縮，限制了導(dǎo)體印刷的線寬和 線間距。 ? 光學(xué)元件 ： 可使生產(chǎn)帶有光學(xué)接口的 LTCC 基板或箱體成為可能。 ? 內(nèi)埋有源元件 ： 借助該技術(shù)可集成那些無需共燒在 LTCC 基板的有源元 件或芯片，加工出一種帶有空腔的 LTCC 載體或基板，裝入芯片，加蓋并焊接后封閉箱體。如 Cu 布線技術(shù)一直是發(fā)達國家重點研究項目之一，現(xiàn)在一般采用的是 Ag 進行金屬化。以下從幾個方面概述了業(yè)己成熟或即將發(fā)展的有關(guān) LTCC 關(guān)鍵技術(shù)。這限制了 LTCC 在大型、高性能計算系統(tǒng)中的應(yīng)用。K)，比 A12O3基片的導(dǎo)熱率 (15～25W/m但對 LTCC 來說，其明顯的不足之處就是基片的導(dǎo)熱率低 (2～6W/m 隨著微電子技術(shù)的進步，器件工作能量密度越來越高，如何把熱量及時有 效地散發(fā)出去，保障器件的穩(wěn)定工作，是封裝所面臨的艱巨挑戰(zhàn)。不匹配的另一個后 果是金屬布線的附著力下降。 LTCC共燒時，基板與漿料的燒結(jié)特性不匹配主要體現(xiàn)在三個方面 ： 結(jié)致密化完成溫度不一致 ； ； 化速度不匹配。 LTCC 技術(shù)面臨問題及未來展望 LTCC 技術(shù)面臨問題 雖然與其他封裝技術(shù)相比 LTCC 技術(shù)有不可取代的優(yōu)越性，但 LTCC 技術(shù) 本身仍然存在收縮率控制和基板散熱等問題。 另外，對于短距離無線通訊用的藍牙組件，也可使用 LTCC 多芯片組件，由于采用內(nèi)埋式 無源元件及倒裝焊芯片，從而使整個組件達到了小型化 。 179。 的帶通濾波器 ； Tang和 sheen，采用階梯阻抗模式，利用多層結(jié)構(gòu)、曲折線和多節(jié)藕合線設(shè)計了片式多層平衡 不平衡轉(zhuǎn)換器，多節(jié)藕合線具有不同的隊杭比，縮小了λ /4 藕合傳輸線，易于與各 種平衡輸出阻杭匹配，平衡 不平衡輸出阻杭為 50Ω，在工作頻率范圍內(nèi)，插入損耗小于 ，回波損耗小于 ，振幅平衡度小于 ，相平衡度小于 度 ，可應(yīng)用于 WLAN、 Bluetooth 等通信設(shè)備 . ? 功能模塊 美國的半導(dǎo)體公司已開發(fā)多種 LTCC 功能模塊，其用于無線通信的頻率合成模塊，有 14 層陶瓷層，內(nèi)置諧振電容、反饋電容、級間藕合電容、輸出電容、諧振電感及輸出匹配電感等無源電子元件，然后在表面上安裝 IC、壓控振蕩器、變?nèi)荻O管，形成一個表面貼裝型微波功能模塊，體積大大減小 。 、 179。 、 179。 ； 中心頻率覆蓋 ～ ，外形尺寸 179。 研制生產(chǎn)用于移動通信的片式疊層LC 濾波器品種較多，如中心頻率為 ～ ，外形尺寸 179。 179。隨后，松村定幸等發(fā)明了一種具有第一章 緒論 5 疊層結(jié)構(gòu)的雙工器，包括并聯(lián) LC 諧振器的第 1 個三級帶通濾波器和具有并聯(lián) LC諧振器的第 2 個三級帶通濾波器 。 在片式多層天線發(fā)展的同時，片式多層雙工器、濾波器、平衡 不平衡轉(zhuǎn)換器也相繼研究開發(fā) ， Shizaki 等最初采用高介電常數(shù)材料，由平面諧振層和藕合電容層設(shè)計成疊層帶通濾波器，這種疊層 濾波器被認為是梳狀濾波器的演變，尺寸約λ /4(以中心頻率 計算，尺寸在 10cm左右 )，尺寸過大，難以集成在低介電常數(shù)多層陶瓷 RF 電路模塊中。 179。 的片式多層天線 。 mm， mm179。 f=15000GHz及ε r= 材料設(shè)計成 mm179。 mm，駐波比小于 2，相對帶寬達到 33%，天線增益為 ，其帶寬特性優(yōu)于內(nèi)呈平面倒 F 天線及介質(zhì)諧振天線 。 Sim等采用三維電磁場仿真設(shè)計軟件 (簡稱 HFSS)，利用 LTCC 技術(shù)，設(shè)計出用于移動電話的微型寬帶片式多層天線，天線尺寸 mm179。Tentzeris 等。同樣，其他功能陶瓷元器件也正向著片式化和微型化方向發(fā)展，如多層壓電陶瓷變壓器、片式電感類器件、片式壓敏電阻、片式多層熱敏電阻等。 ? 功能模塊：如藍牙模塊、手機前端模塊、天線開關(guān) 模塊、功放模塊等 [1314]。 ? 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 抑制器等 [12]。利用 LTCC技 術(shù)，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(guān)、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(chǎn)品重量及體積，達到產(chǎn)品輕、薄、短、小、低功 耗的要求。 LTCC 技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及動態(tài) LTCC 技術(shù)，受到全球產(chǎn)業(yè)的曙目，已廣泛應(yīng)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(wǎng)、汽車等產(chǎn)業(yè) [910]。南玻電子公司正在用進口粉料，開發(fā)出介電常數(shù)為 、 和 的三種生帶，厚度從 10μm到 100μm，生帶厚度系列化，介電常數(shù)半系列化，為不同設(shè)計、不同工作頻率的器件開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。目前清華大學(xué)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(chǎn)的程度。這些都不利于快速、低成本的開發(fā)出 LTCC 器件。 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(chǎn)之勢，不知是否代表一種趨勢。這些生帶存在兩個問題：首先，介電常數(shù)未系列化，不利于設(shè)計不同工作頻率的器件。 目前世界上提供 LTCC 材料的生產(chǎn)廠家有 DuPont， Ferro， Heraeus， Northrop，Electroscience Laboratories， Swedish Ceramic Institute， Kyocera， Sarnoff， National semiconductor， NIKKO， Nippon Electric Glass， Samsung 等。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。此外，考慮到加工及以后的應(yīng)用， LTCC 材料還應(yīng)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。 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。理論上希望越小越好。因此，最好能使介電常數(shù)系列化以適用于不同的工作頻率。 LTCC 技術(shù)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(shù)是 LTCC 材料最關(guān)健的性能。 ? 與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性，二者結(jié)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）。 以多層 LTCC 開發(fā)的產(chǎn)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(dāng)?shù)母偁幜?。其中低溫共燒陶?(LTCC)技術(shù)是一門新興的集成封裝技術(shù)， 所謂 LTCC 技術(shù)，就是將低溫?zé)Y(jié)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(dǎo)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(jié)，制成三 維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件，也可制成內(nèi)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]。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。兩種結(jié)構(gòu)均可以滿足給 定 的技術(shù)指標要求，后者在高頻帶外抑制要優(yōu)于前者。 第二部分的另外一個主要內(nèi)容 是 LTCC 濾波器 優(yōu)化設(shè)計，針對同一濾波器技術(shù)指標給出了兩種 結(jié)構(gòu)： 單零點和雙零點 。 本文第一部分首先就 LTCC 技術(shù)相對于傳統(tǒng)的集成封裝技術(shù)的優(yōu)點、 LTCC 材料及基于 LTCC 技術(shù)產(chǎn)品的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及動態(tài)的介紹， 以便于把握 LTCC 技術(shù)的發(fā)展 動態(tài)；給出了 LTCC 技術(shù)工藝 流程 ， 并對每一工藝流程中的關(guān)鍵問題加以介紹；并 對 LTCC 技術(shù)部分設(shè)計原則 及應(yīng)用軟件 加以介紹， 以便 為后面的三維電路建模提供了設(shè)計依據(jù) 和設(shè)計手段 。摘 要 I 摘 要 隨著無線通信的迅速發(fā)展，無線產(chǎn)品特別是射頻、微波領(lǐng)域越來越需要高性能、高可靠性、低成本及良好的溫度特性，小、輕 、薄 已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。這 勢必 對 IC集成 及 高密度封裝技術(shù)提出 更高的要求， 傳統(tǒng)的電路印刷 (PCB)技術(shù)由于自身的特點大大限制了貼片分離元器件的小型化， LTCC 技術(shù)作為一門新興技術(shù)很好的解決了這個問題 ,另外鑒于濾波器在無線通信特別是在無線通信設(shè)備的射頻前端占有重要的地位，本文就圍繞著基于 LTCC 技術(shù)濾波器 的 優(yōu)化設(shè)計展開，對 LTCC 技術(shù)相關(guān)內(nèi)容加以 分析和討論 。 本文 第二部分 首先通過對 基于 LTCC 技術(shù)內(nèi)埋置電感、電容三維建模及電磁場仿真 得到 幾種 常見 電感 、 電容三維結(jié)構(gòu)模型比較 結(jié)果 ， 從 中得到： helical、 VIC分別為 LTCC 內(nèi)埋置 電感 、 電容最佳模型選擇 ；列舉出 影響 內(nèi)埋置 電 感 、電容 性能的各種因素， 并給出結(jié)論 分析 及理論 解釋 ；得出修正 T模型應(yīng)用頻寬遠遠大于傳統(tǒng)的 PI模型。 后者是在前者的基礎(chǔ)上改進的。 關(guān)鍵詞 ： LTCC 技術(shù)，階躍阻抗諧振器， helical，濾波器 ABSTRACT II Abstract With the development of wireless munication, the latest wireless products demand evergreater functionality, higher performance, and lower cost in smaller and lighter formats. That has been satisfied to date by major advances in integrated circuit (IC) and highdensity packaging technologies, even though the RF sections have continued to demand highperformance and miniaturized passive ponents such as ma tching and filtering circuitry. Continuing reductions in size of discrete surface mounted ponents are having diminishing returns because of the inpatibility of the printed circuit board (PCB) technology, as well as the high cost of assembly of those tiny discrete ponents. And low temperature coffered ceramics (LTCC) can meet the demand very well. As we all know that the filter is very importance in the RF frontend of wireless munication. Then we study the filter basing on LTCC, and introduce the correlation of LTCC. The part one introduces the development actuality, trends and the technology of the low temperature cofired ceramics (LTCC) respectively, and introduces the techniques, the key issues and the design principle of LTCC circuits. and the design tools, such as Agilent ADS, Ansoft HFSS. The part two, at first give the three dimensional building model for Buried in