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1 引言 低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)技術(shù)是20世紀80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型電子工藝技術(shù)，最初用于航空航天工業(yè)和大型計算機中高密度多層陶瓷基板電路的加工與制造，隨著(zhù)現代通信技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)通信設備和終端對小型化的要求越來(lái)越高。 LTCC技術(shù)能夠充分利用三維空間，在基板內埋植電容、電感、天線(xiàn)、濾波器、功分器等無(wú)源器件，集成度高，尺寸小，射頻性能優(yōu)良，利用LTCC這種可以多層結構埋植器件技術(shù)，可以很好地滿(mǎn)足設備小型化的要求。 LTCC一個(gè)重要應用就是制作各種小型化濾波器等無(wú)源器件，目前，商用LTCC低通濾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)等規格。本文中提出的濾波器利用LTCC多層布線(xiàn)三維立體結構的特點(diǎn)，大大減小了器件的面積尺寸，平面尺寸只有3.2 mm×1.6 mm,達到了小型化的目的。 2 LTCC低通濾波器的設計 LTCC濾波器的設計通常是基于經(jīng)典濾波器設計理論，從結構上講，主要有兩種結構，一種是采用傳統的LC諧振單元結構，諧振單元由集總參數的電容電 感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線(xiàn)結構。本文所設計的低通濾波器采用第一種集總參數形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖1所示。 首先根據低通濾波器理想電路原理圖選定實(shí)際需要的元件值，通過(guò)ADS仿真軟件對電路模型進(jìn)行優(yōu)化，使電路仿真結果滿(mǎn)足需要。低通濾波器原理圖仿真結 果如圖2所示。根據公式計算得到其基本物理結構圖，然后在HFSS軟件里畫(huà)出物理結構，設定基板的介電常數、劃分網(wǎng)格、設置掃描頻率，仿真后得到S參數。 低通濾波器的截止頻率為900 MHz;通帶插損小于1 dB;通帶內端口駐波小于1.5;帶外抑制大于35 dB,@1.5 G. 本文設計的LTCC濾波器中的集總參數的電容和電感通過(guò)LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內部。LTCC內埋植電容的設計一般采用兩種方式：垂直交指 型(VIC)電容和金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)電容。本文設計的濾波器的內埋置電容元件采用垂直交指型(VIC)電容，在相同電容量的情況下，VIC 結構電容相比MIM結構電容能夠大大減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸。 LTCC內埋電感有平面螺旋電感、堆棧螺旋電感、多層螺旋電感等方式，如圖3所示，本文設計的低通濾波器內埋植電感元件采用多層螺旋結構的電感，在相同的有效電感值下此結構比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結構具有更高的自諧振頻率和品質(zhì)因子。 濾波器的制作采用杜邦951生瓷片，電容和電感采用配套的印刷漿料，基板介質(zhì)材料相對介電常數為7.8,介質(zhì)損耗為0.006,共用到14層生瓷 片，其中第3層到第8層為多層螺旋結構的電感，第9層到第12層為垂直交指型(VIC)電容，第13層為電路的地層，燒結后的器件尺寸為3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm,濾波器的LTCC三維物理模型如圖4所示。使用HFSS軟件對低通濾波器模型進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真，該模型的三維電磁場(chǎng)仿真結果如圖5所示。 4 關(guān)鍵工藝研究 LTCC工藝最大的難點(diǎn)在于工藝參數的敏感性、加工結果的非直觀(guān)性和燒結后基板的不可返工性。對于具體的產(chǎn)品基板，因材料、尺寸、層數、結構、圖形 分布、后燒狀態(tài)等的不同，往往需要通過(guò)多輪次的實(shí)際產(chǎn)品加工參數調整與漸進(jìn)優(yōu)化，才能得到很滿(mǎn)意的LTCC基板，尤其是燒結、層壓的工藝參數，對基板的質(zhì) 量影響很大。期望獲得合格、高質(zhì)量、高性能的LTCC基板，除了嚴格控制各個(gè)加工工序的材料、環(huán)境、參數、過(guò)程外，還必須在疊片前檢驗剔除不合格的生瓷片 層，在燒結后監控基板的收縮率、密度、強度、平整度、通斷狀態(tài)等關(guān)鍵指標. 4.1 通孔填充和印刷 在LTCC工藝中，通孔填充主要是為了層間電路連接，在生瓷片上形成的通孔中填滿(mǎn)導電漿料。此外，在某些高頻的電路設計中，還需要屏蔽孔，起到電磁 屏蔽的作用。LTCC設計中通常使用0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm三種規格的通孔作為信號通孔。由于在工藝流程中會(huì )產(chǎn)生一定的誤差，使用過(guò)小的通孔會(huì )導致層間互聯(lián)通孔的連接變差，如果通孔直徑大于0.3 mm或者小于0.15 mm,金屬化時(shí)都很難形成盲孔或者埋孔，從而降低了基板的成品率和可靠性，所以通常設計中盡量避免使用小于0.1 mm的通孔作為層間電氣連接的信號通孔。本文中設計的濾波器中都采用0.2 mm的通孔。填充工藝中出現的問(wèn)題主要有兩種，一是填充漿料過(guò)多，漿料溢出漫延會(huì )對產(chǎn)品的性能和可靠性造成影響，甚至造成電路短路，導致產(chǎn)品失效;另一種 是填充不飽滿(mǎn)，造成層間連接失效。在微孔填充工藝中，根據生瓷片厚度以及填充漿料的特性，通過(guò)反復的實(shí)驗，選擇合適的填充壓力和加壓時(shí)間，最終取得良好的 填充效果，如圖7所示。 印刷是將設計好的電路圖形轉移到生瓷片的過(guò)程，在LTCC工藝中一般采用絲網(wǎng)印刷的方式將導體漿料印刷在生瓷片上。印刷是LTCC工藝中重要的一個(gè) 環(huán)節，印刷質(zhì)量直接關(guān)系到最終電路的電性能，同時(shí)印刷也是LTCC工藝中最難控制的工藝環(huán)節，因為印刷質(zhì)量和很多因素有關(guān)，主要包括： (1)絲網(wǎng)規格; (2)印刷過(guò)程條件; (3)導體漿料特性; (4)絲網(wǎng)特性。 好的印刷質(zhì)量主要是指印刷圖形位置準確、漿料量適中、形狀正確、印刷穩定等。在濾波器電路圖形的印刷過(guò)程中，開(kāi)始容易出現印刷效果差的情況，通過(guò)不 斷的改進(jìn)，在絲網(wǎng)印刷過(guò)程中優(yōu)化控制好刮板壓力、印刷速度、折距等工藝參數，得到較好質(zhì)量的印刷圖形。絲網(wǎng)印刷的印刷質(zhì)量如圖8所示。 4.2 疊片和層壓 疊片是將印刷和填孔后的單個(gè)生瓷片通過(guò)校位疊片后進(jìn)行熱壓，使多張生瓷片結合成為一體，疊片的精度是保證三維電路連接準確不可或缺的工序，疊片精度 差會(huì )造成層間電路的互連錯位，從而影響電路的性能，甚至使得電路失效，如圖9所示。在早期的LTCC工藝中較多使用手工疊片的方式，隨著(zhù)LTCC電路印刷 線(xiàn)路和通孔尺寸的縮小，手工疊片對位的精度逐漸滿(mǎn)足不了工藝要求，現在普遍采用自動(dòng)化的疊片設備，主要由CCD攝像頭、一個(gè)XY-θ平臺和一個(gè)固定平臺組 成，通過(guò)校準生瓷片上的對位孔和攝像頭的中心軸，作為對位的標準光軸，將生瓷片放在XY-θ平臺上并調整位移和角度，使對位孔中心和標準光軸重合，從而達 到精確對位的效果，目前自動(dòng)化疊片設備的層間對位精度可以達到10 μm以下。 層壓是將疊片完成的生瓷片通過(guò)單軸壓或者等靜壓，使其成為致密的整體，本文中濾波器制作工藝中采用等靜壓的方式，先將疊片完成的生瓷片真空包封在防 水的袋中，然后放入等靜壓層壓機的壓力水腔進(jìn)行層壓。層壓的基本參數是壓力和溫度，本文中使用的工藝條件為壓力21 MPa,層壓溫度70 ℃，先預熱5 min,然后升壓至層壓壓力，層壓時(shí)間13 min.層壓過(guò)程中最大的問(wèn)題是分層，分層會(huì )導致基板燒結后產(chǎn)生分層斷裂和缺陷變形。為了防止分層現象，需要根據產(chǎn)品的特性?xún)?yōu)化層壓的條件，包括壓力、溫 度、時(shí)間等參數。 5 結論 本文設計了一種小型化的LTCC低通濾波器，通過(guò)對濾波器原理圖的分析和仿真，建立了低通濾波器三維電路物理模型并完成三維電磁場(chǎng)仿真，濾波器采用 集總參數形式的多層螺旋結構電感和VIC電容設計，采用14層生瓷片結構，尺寸面積為3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm.重點(diǎn)分析了LTCC低通濾波器電路版圖設計和工藝流程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題，并在LTCC工藝線(xiàn)上完成濾波器的加工，濾波器電路的實(shí)物圖如圖10所示。 900M小型化LTCC低通濾波器可廣泛應用于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統中。 |
