LTCC濾波器綜述及制造工藝研究

李 俊，李海燕，喬海靈，王穎麟

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第2研究所，太原 030024）

1 引言

濾波器是一種對(duì)頻率具有選擇性的二端口網(wǎng)絡(luò)。微波濾波器被廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)導(dǎo)航、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信和測(cè)試儀表等系統(tǒng)中，是微波系統(tǒng)中不可缺少的重要器件，其性能的優(yōu)劣往往直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。隨著信息產(chǎn)業(yè)和無(wú)線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，微波頻帶出現(xiàn)了相對(duì)擁擠的狀態(tài)，頻帶資源的劃分更加精細(xì)，分配到各類通信系統(tǒng)的頻率間隔也越來(lái)越密，因此對(duì)濾波器的性能提出了更高的要求。近年來(lái)隨著微波毫米波系統(tǒng)小型化要求的提高, 各種電路工藝如薄膜技術(shù)、多層電路板技術(shù)、陶瓷技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。LTCC以其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性，成為未來(lái)電子器件集成化、模塊化的首選式。

2 LTCC濾波器版圖優(yōu)劣性分析

1985年，M.Sagawa提出了多層陶瓷濾波器的概念，由于LTCC技術(shù)在器件小型化方向的巨大優(yōu)勢(shì)，在LTCC技術(shù)提出以后很快就應(yīng)用到濾波器、雙工器等無(wú)源器件的開發(fā)中。此后研究者們圍繞著如何利用LTCC技術(shù)來(lái)解決濾波器的小型化和提高濾波器性能進(jìn)行了大量的研究，提出了很多不同結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)LTCC多層濾波器。

目前LTCC濾波器有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是集總結(jié)構(gòu)，集總元件構(gòu)成的濾波器電路由串、并聯(lián)交叉連接的諧振器構(gòu)成，通過(guò)MIM電容以及螺旋電感，并將這些器件通過(guò)通孔連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)功能的濾波器，考慮到LTCC工藝制作的因素，濾波器一般不會(huì)超過(guò)3階。另一種是微帶線耦合結(jié)構(gòu)，包括交指形耦合、梳狀線、寬邊耦合等。目前一般通過(guò)插入損耗法來(lái)設(shè)計(jì)濾波器，通過(guò)電路和電磁場(chǎng)相結(jié)合的方法，即迅速又準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出相應(yīng)指標(biāo)的濾波器。集總參數(shù)電路適用于較低頻率，采用通孔連接，版圖直觀，低插入損耗高阻帶衰減。耦合結(jié)構(gòu)適用于較高頻率，體積可以做到很小，缺點(diǎn)是各諧振器間的耦合對(duì)傳輸線的間距很敏感，對(duì)工藝要求較高，阻帶衰減特性不如集總元件理想，在其他頻率處存在另外一些寄生通帶。

3 濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的LT C C工藝所采用的材料為DuPont951PT型LTCC陶瓷材料及配套漿料，其相對(duì)介電常數(shù)為7.8，損耗角正切0.006，燒結(jié)前基板厚度114μm，整個(gè)濾波器共17層介質(zhì)基板，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)器件的尺寸為5.1mm×3.3mm×1.6mm，器件封裝尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的2012型。使用Agilent ADS和Ansoft HFSS分別進(jìn)行電路仿真和物理模型的電磁場(chǎng)仿真，然后再進(jìn)行場(chǎng)路結(jié)合，根據(jù)電磁場(chǎng)仿真結(jié)果來(lái)修改電路中某些元件的參數(shù)，從而改變物理模型的尺寸，直到物理模型仿真滿足設(shè)計(jì)需求為止。圖2是濾波器樣品照片。

圖1 LTCC濾波器ADS仿真電路圖

圖2 濾波器樣品照片

在西安電子科技大學(xué)微波實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A測(cè)量，所得結(jié)果表示該濾波器的性能已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。如圖3所示。

圖3 600MHz LTCC濾波器實(shí)測(cè)波形

4 濾波器加工過(guò)程中的關(guān)鍵工藝問(wèn)題

通過(guò)在中國(guó)電科2所的LTCC生產(chǎn)線上試制，總結(jié)出以下幾點(diǎn)在工藝過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。

4.1 打孔

由于單個(gè)濾波器體積很小，一張8×8的生瓷片上可以制作上千個(gè)器件，所以導(dǎo)致要加工的通孔數(shù)急劇上升，這樣加工時(shí)間就相應(yīng)延長(zhǎng)（如果采用激光打孔機(jī)則打孔速度很快），另外打孔精度也要保證在±10μm以內(nèi)。本次工藝采用機(jī)械打孔，不存在通孔的錐度問(wèn)題。

由于器件都有著朝小型化發(fā)展的趨勢(shì)，在LTCC濾波器上的導(dǎo)電通孔不會(huì)超過(guò)0.3mm，這就導(dǎo)致在通孔填充時(shí)對(duì)工藝提出很高的要求，很難保證100%盲孔率，盲孔率的高低取決于漿料黏度、刮板速度等因素。

4.2 疊片

疊片精度是影響LTCC濾波器電性能的主要因素，通孔之間的錯(cuò)位將導(dǎo)致電性能指標(biāo)偏差嚴(yán)重或者成為不合格品。在通孔直徑為0.2mm的情況下，疊片精度不應(yīng)超過(guò)±10μm。在對(duì)LTCC濾波器進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真的時(shí)候（利用Ansoft公司三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS），應(yīng)將通孔偏差的因素考慮在內(nèi)，以免造成很多不合格品。圖4是該濾波器在X射線檢測(cè)系統(tǒng)下的照片，可以清楚看到通孔之間的互對(duì)準(zhǔn)很高。

圖4 LTCC濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.3 熱切及端印

由于濾波器的小型化，并且輸入輸出端頭在側(cè)面引出，這樣就對(duì)熱切機(jī)的切割精度提出了很高的要求。

目前LTCC濾波器的端印分為燒前端印和燒結(jié)后端印。燒前端印是在基板被切開成單個(gè)器件后進(jìn)行，封端后烘干再統(tǒng)一燒結(jié)。這種做法的好處是端印漿料的附著力好，成品率高，缺點(diǎn)是器件還沒(méi)有燒結(jié)成型，器件容易損壞。燒結(jié)后端印的優(yōu)點(diǎn)是器件不易損壞，但燒結(jié)后的線條與燒結(jié)前的漿料匹配性不一致，導(dǎo)致良品率不如上一種高，具體采用哪種方法根據(jù)所加工的器件特點(diǎn)而定。

4.4 燒結(jié)

可以說(shuō)，LTCC基板在燒結(jié)時(shí)的收縮性是LTCC技術(shù)亟待解決的一個(gè)主要問(wèn)題，燒結(jié)工藝的關(guān)鍵是燒結(jié)曲線和爐膛溫度的均勻性，并且在升溫時(shí)，速度不宜過(guò)快，否則會(huì)使基板發(fā)生翹曲，平整度變差。在同批成品和不同批次產(chǎn)品中燒結(jié)后介電常數(shù)的離散應(yīng)小于1%。一般來(lái)說(shuō)0.2%到0.5%的收縮精度對(duì)于小尺寸的LTCC功能元器件來(lái)說(shuō)，影響并不很大，但是為了降低工藝敏感度，提高成品率，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮收縮精度帶來(lái)的性能影響。

5 結(jié)論

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信產(chǎn)品小型化高性能的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)微波濾波器的設(shè)計(jì)和研發(fā)提出了相應(yīng)的要求。如何在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能的濾波器是目前的研究熱點(diǎn)。目前LTCC濾波器面臨著其他形式濾波器的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其電性能提升還有很大的空間，版圖結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步調(diào)整以期獲得更高的性能，并且在工藝過(guò)程中嚴(yán)格控制打孔精度、印刷精度以及堆疊準(zhǔn)確度，這些都是提升濾波器性能的關(guān)鍵因素。

[1] Lap Kun Yeung,Ke-Li Wu. A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros[C]. IEEE Trans Microw. Theory Tech, 2003.

[2] Lap K. Yeung, Ke-Li Wu, Yuanxun E. Wang. Low Tempera-ture Co-fired Ceramic LC Filters for RF Applications[J].IEEE micro-wave magazine, 2008,10.

[3] Gangqiang Wang, Erica C. Folk, Fred Barlow.,Aicha Elshabini. Fabrication of Microvias for Multilayer LTCC Substrates[J]. IEEE transactions on electronics packaging manufacturing, 2006,29（1）.

[4] 滕林，丁曉鴻，付賢明. 低溫共燒微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2008，27（6）.

[5] 郭云勝，李躍進(jìn). LTCC微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)與研究[D]. 西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.