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1 引言 低溫共燒陶瓷技術(LTCC)技術是20世紀80年代中期發展起來的一種新型電子工藝技術，最初用于航空航天工業和大型計算機中高密度多層陶瓷基板電路的加工與制造，隨著現代通信技術的發展，各類通信設備和終端對小型化的要求越來越高。 LTCC技術能夠充分利用三維空間，在基板內埋植電容、電感、天線、濾波器、功分器等無源器件，集成度高，尺寸小，射頻性能優良，利用LTCC這種可以多層結構埋植器件技術，可以很好地滿足設備小型化的要求。 LTCC一個重要應用就是制作各種小型化濾波器等無源器件，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多層布線三維立體結構的特點，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際需要的元件值，通過ADS仿真軟件對電路模型進行優化，使電路仿真結果滿足需要。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軟件里畫出物理結構，設定基板的介電常數、劃分網格、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-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，基板介質材料相對介電常數為7.8,介質損耗為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行三維電磁場仿真，該模型的三維電磁場仿真結果如圖5所示。 4 關鍵工藝研究 LTCC工藝最大的難點在于工藝參數的敏感性、加工結果的非直觀性和燒結后基板的不可返工性。對于具體的產品基板，因材料、尺寸、層數、結構、圖形 分布、后燒狀態等的不同，往往需要通過多輪次的實際產品加工參數調整與漸進優化，才能得到很滿意的LTCC基板，尤其是燒結、層壓的工藝參數，對基板的質 量影響很大。期望獲得合格、高質量、高性能的LTCC基板，除了嚴格控制各個加工工序的材料、環境、參數、過程外，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、通斷狀態等關鍵指標. 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產生一定的誤差，使用過小的通孔會導致層間互聯通孔的連接變差，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題主要有兩種，一是填充漿料過多，漿料溢出漫延會對產品的性能和可靠性造成影響，甚至造成電路短路，導致產品失效;另一種 是填充不飽滿，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，通過反復的實驗，選擇合適的填充壓力和加壓時間，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程，在LTCC工藝中一般采用絲網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 環節，印刷質量直接關系到最終電路的電性能，同時印刷也是LTCC工藝中最難控制的工藝環節，因為印刷質量和很多因素有關，主要包括： (1)絲網規格; (2)印刷過程條件; (3)導體漿料特性; (4)絲網特性。 好的印刷質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程中，開始容易出現印刷效果差的情況，通過不 斷的改進，在絲網印刷過程中優化控制好刮板壓力、印刷速度、折距等工藝參數，得到較好質量的印刷圖形。絲網印刷的印刷質量如圖8所示。 4.2 疊片和層壓 疊片是將印刷和填孔后的單個生瓷片通過校位疊片后進行熱壓，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LTCC電路印刷 線路和通孔尺寸的縮小，手工疊片對位的精度逐漸滿足不了工藝要求，現在普遍采用自動化的疊片設備，主要由CCD攝像頭、一個XY-θ平臺和一個固定平臺組 成，通過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，層壓時間13 min.層壓過程中最大的問題是分層，分層會導致基板燒結后產生分層斷裂和缺陷變形。為了防止分層現象，需要根據產品的特性優化層壓的條件，包括壓力、溫 度、時間等參數。 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鍵問題，并在LTCC工藝線上完成濾波器的加工，濾波器電路的實物圖如圖10所示。 900M小型化LTCC低通濾波器可廣泛應用于無線移動通信系統中。 |
