小型化LTCC低通濾波器設(shè)計(jì)與制造工藝研究

王穎麟，薛耀平

（中國電子科技集團(tuán)公司第2研究所，太原 030024）

1 引言

低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來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(jì)算機(jī)中高密度多層陶瓷基板電路的加工與制造，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，各類通信設(shè)備和終端對小型化的要求越來越高。LTCC技術(shù)能夠充分利用三維空間，在基板內(nèi)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(yōu)良，利用LTCC這種可以多層結(jié)構(gòu)埋植器件技術(shù)，可以很好地滿足設(shè)備小型化的要求。

LTCC一個(gè)重要應(yīng)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(guī)格。本文中提出的濾波器利用LTCC多層布線三維立體結(jié)構(gòu)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(dá)到了小型化的目的。

2 LTCC低通濾波器的設(shè)計(jì)

LTCC濾波器的設(shè)計(jì)通常是基于經(jīng)典濾波器設(shè)計(jì)理論，從結(jié)構(gòu)上講，主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是采用傳統(tǒng)的LC諧振單元結(jié)構(gòu)，諧振單元由集總參數(shù)的電容電感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線結(jié)構(gòu)[1]。本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器采用第一種集總參數(shù)形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖1所示。

圖1 低通濾波器原理圖

首先根據(jù)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ADS仿真軟件對電路模型進(jìn)行優(yōu)化，使電路仿真結(jié)果滿足需要。低通濾波器原理圖仿真結(jié)果如圖2所示。根據(jù)公式計(jì)算得到其基本物理結(jié)構(gòu)圖，然后在HFSS軟件里畫出物理結(jié)構(gòu)，設(shè)定基板的介電常數(shù)、劃分網(wǎng)格、設(shè)置掃描頻率，仿真后得到S參數(shù)。低通濾波器的截止頻率為900 MHz；通帶插損小于1 dB；通帶內(nèi)端口駐波小于1.5；帶外抑制大于35 dB，@1.5 G。

圖2 低通濾波器原理圖仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的LTCC濾波器中的集總參數(shù)的電容和電感通過LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內(nèi)部。LTCC內(nèi)埋植電容的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的濾波器的內(nèi)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(jié)構(gòu)電容相比MIM結(jié)構(gòu)電容能夠大大減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸[2]。

LTCC內(nèi)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(shè)計(jì)的低通濾波器內(nèi)埋植電感元件采用多層螺旋結(jié)構(gòu)的電感，在相同的有效電感值下此結(jié)構(gòu)比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結(jié)構(gòu)具有更高的自諧振頻率和品質(zhì)因子[7]。

圖3 LTCC電感設(shè)計(jì)

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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)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)行三維電磁場仿真，該模型的三維電磁場仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 三維物理模型

3 版圖設(shè)計(jì)

版圖設(shè)計(jì)是按照LTCC設(shè)計(jì)規(guī)則和電路原理圖完成電路中導(dǎo)線導(dǎo)體、焊盤、電極以及通孔等要素的目標(biāo)尺寸設(shè)計(jì)，并完成圖形文件的數(shù)據(jù)輸出。LTCC版圖需要輸出的數(shù)據(jù)有：光繪制版數(shù)據(jù)、沖孔數(shù)據(jù)、探針通斷測試數(shù)據(jù)[5]。還需要根據(jù)不同生瓷材料的燒結(jié)收縮因子對共燒層的光繪制版數(shù)據(jù)和沖孔數(shù)據(jù)進(jìn)行收縮因子的倒數(shù)倍放大、聯(lián)片拼圖等制作。例如杜邦951PT平面收縮率為12.7%，平面尺寸1÷（1-0.127）=1.145個(gè)單位的生瓷坯經(jīng)共燒后收縮為1個(gè)單位的基板。所以，所有共燒層均按1.145∶1比例放大，并將電路版圖聯(lián)片拼圖后輸出光繪、制版和打孔的圖形數(shù)據(jù)文件。

文中設(shè)計(jì)的低通濾波器采用200 mm×200 mm尺寸的生瓷材料進(jìn)行打孔、填孔、絲網(wǎng)印刷、疊片、層壓等工藝加工，LTCC版圖數(shù)據(jù)需要拼成200 mm×200 mm尺寸的聯(lián)片。聯(lián)片制作示意圖如圖6所示。

圖5 三維電磁場仿真結(jié)果

圖6 聯(lián)片制作示意圖

4 關(guān)鍵工藝研究

LTCC工藝最大的難點(diǎn)在于工藝參數(shù)的敏感性、加工結(jié)果的非直觀性和燒結(jié)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(shù)、結(jié)構(gòu)、圖形分布、后燒狀態(tài)等的不同，往往需要通過多輪次的實(shí)際產(chǎn)品加工參數(shù)調(diào)整與漸進(jìn)優(yōu)化，才能得到很滿意的LTCC基板，尤其是燒結(jié)、層壓的工藝參數(shù)，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(yán)格控制各個(gè)加工工序的材料、環(huán)境、參數(shù)、過程外，還必須在疊片前檢驗(yàn)剔除不合格的生瓷片層，在燒結(jié)后監(jiān)控基板的收縮率、密度、強(qiáng)度、平整度、通斷狀態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo)[4]。

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(dǎo)電漿料。此外，在某些高頻的電路設(shè)計(jì)中，還需要屏蔽孔，起到電磁屏蔽的作用。LTCC設(shè)計(jì)中通常使用0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm三種規(guī)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，使用過小的通孔會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的濾波器中都采用0.2 mm的通孔。填充工藝中出現(xiàn)的問題主要有兩種，一是填充漿料過多，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(dǎo)致產(chǎn)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(jù)生瓷片厚度以及填充漿料的特性，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，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。

圖7 微孔填充質(zhì)量示意圖

印刷是將設(shè)計(jì)好的電路圖形轉(zhuǎn)移到生瓷片的過程，在LTCC工藝中一般采用絲網(wǎng)印刷的方式將導(dǎo)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(jié)，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(jié)，因?yàn)橛∷①|(zhì)量和很多因素有關(guān)，主要包括：

（1）絲網(wǎng)規(guī)格；

（2）印刷過程條件；

（3）導(dǎo)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(zhǔn)確、漿料量適中、形狀正確、印刷穩(wěn)定等。在濾波器電路圖形的印刷過程中，開始容易出現(xiàn)印刷效果差的情況，通過不斷的改進(jìn)，在絲網(wǎng)印刷過程中優(yōu)化控制好刮板壓力、印刷速度、折距等工藝參數(shù)，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)生瓷片通過校位疊片后進(jìn)行熱壓，使多張生瓷片結(jié)合成為一體，疊片的精度是保證三維電路連接準(zhǔn)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(cuò)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(xiàn)在普遍采用自動(dòng)化的疊片設(shè)備，主要由CCD攝像頭、一個(gè)XY-θ平臺(tái)和一個(gè)固定平臺(tái)組成，通過校準(zhǔn)生瓷片上的對位孔和攝像頭的中心軸，作為對位的標(biāo)準(zhǔn)光軸，將生瓷片放在XY-θ平臺(tái)上并調(diào)整位移和角度，使對位孔中心和標(biāo)準(zhǔn)光軸重合，從而達(dá)到精確對位的效果[6]，目前自動(dòng)化疊片設(shè)備的層間對位精度可以達(dá)到10 μm以下。

圖8 絲網(wǎng)印刷的印刷質(zhì)量示意圖

圖9 疊片層間連接錯(cuò)位

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(jī)的壓力水腔進(jìn)行層壓。層壓的基本參數(shù)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(yù)熱5 min，然后升壓至層壓壓力，層壓時(shí)間13 min。層壓過程中最大的問題是分層，分層會(huì)導(dǎo)致基板燒結(jié)后產(chǎn)生分層斷裂和缺陷變形。為了防止分層現(xiàn)象，需要根據(jù)產(chǎn)品的特性優(yōu)化層壓的條件，包括壓力、溫度、時(shí)間等參數(shù)[5]。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(shù)形式的多層螺旋結(jié)構(gòu)電感和VIC電容設(shè)計(jì)，采用14層生瓷片結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)和工藝流程中的一些關(guān)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(shí)物圖如圖10所示。900M小型化LTCC低通濾波器可廣泛應(yīng)用于無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中。

圖10 低通濾波器實(shí)物圖

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