基于LTCC技術(shù)的低通濾波器研制

秦 超，張 偉，賈少雄，何 英，李 俊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024）

基于LTCC技術(shù)的低通濾波器研制

秦 超，張 偉，賈少雄，何 英，李 俊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024）

濾波器作為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其小型化具有重要意義。設(shè)計(jì)了一款帶有衰減極點(diǎn)的層疊式LTCC低通濾波器，該無(wú)源濾波器截止頻率fr=1 GHz，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。器件外形尺寸為3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm，與EIA1206尺寸代碼的封裝尺寸兼容，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

LTCC；低通濾波器；層疊

1 引言

隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，小體積、輕量化、高可靠性已經(jīng)成為現(xiàn)代通訊系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）[1]憑借其出色的三維空間優(yōu)勢(shì)，已成為主流的無(wú)源集成技術(shù)，在提高電路的集成度、可靠性以及高頻性能方面發(fā)揮了重要作用[2]。

濾波器作為收發(fā)系統(tǒng)中的選頻器件，在通信系統(tǒng)中的作用是分離或整合不同頻率的信號(hào)。與傳統(tǒng)的LC濾波器相比，基于LTCC疊層技術(shù)的濾波器采用電阻率較低的金、銀、銅等作為導(dǎo)電介質(zhì)，通過(guò)金屬孔連接將電路內(nèi)埋于陶瓷內(nèi)部，大大降低了器件的損耗，提高其可靠性。本文擬采用層疊式LTCC工藝，在3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm的封裝尺寸內(nèi)集成2個(gè)串聯(lián)電感和2個(gè)并聯(lián)電容以及1個(gè)串聯(lián)諧振的帶衰減極點(diǎn)低通濾波器（LPF），其截止頻率為1 GHz。

2 低通濾波器電路原型

低通濾波器具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 低通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)

濾波器由2個(gè)串聯(lián)電感和2個(gè)并聯(lián)電容以及1個(gè)串聯(lián)諧振組成[3]，圖1為低通濾波器的等效電路圖，串聯(lián)諧振在阻帶內(nèi)形成一衰減極點(diǎn)以獲得較高的阻帶衰減性能。

圖1 低通濾波器等效電路圖

圖2為電路在仿真軟件ADS中的仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可以看出，電路結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖2 電路仿真結(jié)果

3 濾波器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與仿真

目前市面上較為成熟的LTCC材料包括Ferro公司的A6M、A6S系列，DuPont公司的951、943系列等。綜合考慮材料的微波性能以及器件的最終尺寸，該款濾波器采用DuPont 951C2材料制作，其生瓷介電常數(shù)在1 MHz下測(cè)試結(jié)果為7.8，損耗值為0.002，介質(zhì)層厚度為45 mm。

3.1 電感結(jié)構(gòu)

電感的布線(xiàn)如圖3所示，由圖3可知，電感采用垂直螺旋結(jié)構(gòu)。本文采用直徑為0.2 mm的圓形通孔實(shí)現(xiàn)電感的互聯(lián)，出于工藝容差的考慮，導(dǎo)體層和通孔的連接處適當(dāng)拓寬了一定寬度。另外，這種連接方式有利于將電磁信號(hào)導(dǎo)入通孔以及異層導(dǎo)體[4]。電感堆疊層數(shù)為13層，電感量約為10.5 nH。

圖3 電感結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 電容結(jié)構(gòu)

目前LTCC內(nèi)埋電容常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式有兩種：金屬-絕緣體-金屬電容（MIM）和垂直插指電容（VIC）。為了縮小電容極板面積從而有效減小濾波器尺寸，本文內(nèi)埋電容采用插指式電容結(jié)構(gòu)。考慮到實(shí)際生產(chǎn)情況，采用側(cè)電極封端和通孔連接兩種連接方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)電容極板的互聯(lián)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。電容堆疊層數(shù)為9層，容值約為2.4 pF。

圖4 VIC電容結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 濾波器物理結(jié)構(gòu)

低通濾波器采用集總參數(shù)方式實(shí)現(xiàn)，器件兩端作為輸入輸出端，兩側(cè)封銀接地，其三維疊層結(jié)構(gòu)如圖5所示。器件尺寸為3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm，生瓷堆疊層數(shù)為27層，單層介質(zhì)厚度45 μm，印刷導(dǎo)體采用DuPont 6142D銀漿，導(dǎo)體厚度10 μm。

圖5 1 GHz低通濾波器物理模型

利用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真，物理模型經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖6所示。對(duì)比物理模型和電路模型仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)HFSS仿真曲線(xiàn)中衰減極點(diǎn)向左偏移。這是由于集總元件存在一定的寄生效應(yīng)[5]，此外兩串聯(lián)電感間存在一定的互感，從而導(dǎo)致衰減極點(diǎn)向左偏移。考慮到寄生效應(yīng)以及邊緣效應(yīng)，元件模型計(jì)算值要小于其電路理論值以彌補(bǔ)偏移量。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 低通濾波器仿真結(jié)果

4 濾波器的制作與測(cè)試

LTCC濾波器主要工藝流程如圖7所示。

圖7 LTCC濾波器工藝流程圖

其中印刷是整個(gè)過(guò)程中最關(guān)鍵的工序，印刷線(xiàn)條的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)器件的通斷以及器件內(nèi)部元件的相關(guān)參數(shù)?？紤]到生瓷在燒結(jié)后X、Y方向會(huì)產(chǎn)生15%左右的收縮，因此印刷絲網(wǎng)需要按比例進(jìn)行放大。封印是連接電容極板以及器件接地的主要途徑，在封印前需檢測(cè)電容極板有無(wú)裸露，確保器件的電學(xué)性能及外觀(guān)、可靠性。圖8為低通濾波器實(shí)物照片，器件與1206封裝尺寸兼容，大小為3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm。

圖8 低通濾波器實(shí)物對(duì)比照片

樣品測(cè)試使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Aglient N5224A測(cè)試，其頻率響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示。測(cè)得的器件截止頻率為940 MHz，2 GHz時(shí)的帶外抑制為42 dB，與仿真結(jié)果基本保持一致。

圖9 濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者整體趨勢(shì)保持一致。但實(shí)測(cè)結(jié)果的截止頻率與仿真結(jié)果有一定的偏移，這主要是由于疊層過(guò)程中引入層間對(duì)位偏差和介質(zhì)層在燒結(jié)后厚度不均引起的。圖10為器件的X射線(xiàn)照片，由圖10可以看出層間對(duì)位偏差導(dǎo)致通孔形成波浪狀導(dǎo)體。經(jīng)測(cè)量，燒結(jié)后介質(zhì)單層厚度變化范圍為38 mm到42 mm，與仿真建模時(shí)單層介質(zhì)層厚度45 mm存在偏差值。將實(shí)測(cè)介質(zhì)層厚度平均值40 mm引入仿真模型，并且在模型中添加約為30 mm的對(duì)位偏差模擬器件的實(shí)際狀態(tài)，其仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，濾波器的截止頻率由1 GHz偏移到了920 MHz，進(jìn)一步驗(yàn)證了截止頻率偏移是由層間對(duì)位偏差和介質(zhì)層厚度變化引起的。因而提高工藝精度，保證LTCC工藝一致性是制作高性能產(chǎn)品的關(guān)鍵。

圖10 濾波器實(shí)物X射線(xiàn)照片

圖11 引入偏差后的仿真結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制作了一款截止頻率為1 GHz的低通濾波器。該濾波器憑借LTCC的三維堆疊優(yōu)勢(shì)，使用垂直螺旋電感和插指電容搭建，與EIA1206尺寸代碼的封裝尺寸兼容，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

[1]楊邦朝，付賢民，胡永達(dá).低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)新進(jìn)展[J].電子元件與材料，2008，27（6）：1-5.

[2]LI R L，DEJEAN G，MANG M，et al.Design of compact stacked-patch antennas in LTCC multilayer packing modules for wireless applications[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging，2004，27（4）：581-589.

[3]蘇宏，楊邦朝，杜曉松，等.疊層式LTCC低通濾波器的設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2006（7）：72-74.

[4]李元?jiǎng)?，邊麗菲，劉穎力，等.疊層片式LTCC低通濾波器的設(shè)計(jì)與制作 [J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（4）：521-524.

[5]Tang C W.Harmonic-suppression LTCC filter with the step-impedance quarter-wavelength open stub [J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，2001，52（2）：617-624.

Design and Fabrication of Multilayer LTCC Lowpass Filter

QIN Chao,ZHANG Wei,JIA Shaoxiong,HE Ying,LI Jun
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute,Taiyuan 030024,China）

A low temperature co-fired ceramic(LTCC)multilayer low pass filter with attenuation poles in suppression band is presented in the paper.The filter's cut-off frequency is 1 GHz.The testing results show that the measured results coincide well with the simulated data.Being compatible with 1206 type of standard packaging of 3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm outline dimension,this filter could be used for communication equipment.

LTCC;low pass filter;multilayer

TN713+.4

A

1681-1070（2017）01-0038-03

秦 超（1990—），男，山西朔州人，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事LTCC工藝以及微波元器件研發(fā)工作。

2016-9-6