基于LTCC技术滤波器的优化设计

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1、摘 要摘 要随着无线通信的迅速发展，无线产品特别是射频、微波领域越来越需要高性能、高可靠性、低成本及良好的温度特性，小、轻、薄已经成为电子产品的发展趋势。这势必对IC集成及高密度封装技术提出更高的要求，传统的电路印刷(PCB)技术由于自身的特点大大限制了贴片分离元器件的小型化，LTCC技术作为一门新兴技术很好的解决了这个问题,另外鉴于滤波器在无线通信特别是在无线通信设备的射频前端占有重要的地位，本文就围绕着基于LTCC技术滤波器的优化设计展开，对LTCC技术相关内容加以分析和讨论。本文第一部分首先就LTCC技术相对于传统的集成封装技术的优点、LTCC材料及基于LTCC技术产品的国内外发展现状及

2、动态的介绍，以便于把握LTCC技术的发展动态；给出了LTCC技术工艺流程，并对每一工艺流程中的关键问题加以介绍；并对LTCC技术部分设计原则及应用软件加以介绍，以便为后面的三维电路建模提供了设计依据和设计手段。本文第二部分首先通过对基于LTCC技术内埋置电感、电容三维建模及电磁场仿真得到几种常见电感、电容三维结构模型比较结果，从中得到：helical、VIC分别为LTCC内埋置电感、电容最佳模型选择；列举出影响内埋置电感、电容性能的各种因素，并给出结论分析及理论解释；得出修正T模型应用频宽远远大于传统的PI模型。第二部分的另外一个主要内容是LTCC滤波器优化设计，针对同一滤波器技术指标给出了两

3、种结构：单零点和双零点。后者是在前者的基础上改进的。两种结构均可以满足给定的技术指标要求，后者在高频带外抑制要优于前者。关键词：LTCC技术，阶跃阻抗谐振器，helical，滤波器87ABSTRACTAbstractWith the development of wireless communication, the latest wireless products demand ever-greater functionality, higher performance, and lower cost in smaller and lighter formats. That has been

4、 satisfied to date by major advances in integrated circuit (IC) and high-density packaging technologies, even though the RF sections have continued to demand high-performance and miniaturized passive components such as matching and filtering circuitry. Continuing reductions in size of discrete surfa

5、ce mounted components are having diminishing returns because of the incompatibility of the printed circuit board (PCB) technology, as well as the high cost of assembly of those tiny discrete components. And low temperature coffered ceramics (LTCC) can meet the demand very well. As we all know that t

6、he filter is very importance in the RF front-end of wireless communication. Then we study the filter basing on LTCC, and introduce the correlation of LTCC. The part one introduces the development actuality, trends and the technology of the low temperature cofired ceramics (LTCC) respectively, and in

7、troduces the techniques, the key issues and the design principle of LTCC circuits. and the design tools, such as Agilent ADS, Ansoft HFSS. The part two, at first give the three dimensional building model for Buried inductor and capacitance in LTCC and the design of LTCC filter respectively. find tha

8、t the helical, VIC is the better model separately. And get the equivalent circuits of the inductor and capacitance in LTCC, and that the modified T is better than tradition PI model. there are two ways to arrive the goal, such as the single zeros and two zeros model. The second model is better than

9、the first one in the high bandstop of the filter.Keywords: the technology of low temperature cofired ceramics, stepped impedance resonator, helical, filter.目 录目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 LTCC技术研究现状及动态21.2.1 LTCC材料的现状及动态21.2.2 LTCC技术应用的现状及动态31.3 LTCC技术面临问题及未来展望51.3.1 LTCC技术面临问题51.3.2 LTCC技术未来展望61.4 课题来源及

10、研究意义71.5 本论文的主要内容7第二章 LTCC技术82.1 引言82.2 LTCC技术工艺流程15102.2.1 LTCC生瓷带制备102.2.2 生瓷带打孔前处理工艺122.2.3 打孔132.2.4 填孔132.2.5 导体层印刷142.2.6 叠片142.2.7 烘巴及等静压142.2.8 切割152.2.9 排胶152.2.10 烧结162.2.11 测试162.3 LTCC技术部分设计原则探讨162.3.1 LTCC中导体设计172.3.2 通孔192.3.3 射频通孔212.3.4 电源及接地212.3.5 空腔222.4 LTCC技术仿真及设计软件介绍232.5 本章小结2

11、6第三章 基于LTCC技术内埋电感电容的设计与分析273.1 简介273.2 LTCC内埋置电感设计与分析283.2.1 目前LTCC内埋置电感基本类型283.2.3 LTCC埋置电感设计流程323.2.4 三种LTCC电感建模及分析比较333.2.5 LTCC helical三维电感影响因素分析363.2.6 电感等效电路模型理论473.3 电容设计与分析513.3.1 LTCC内埋置电容性能指标及其计算523.4 本章结论56第四章 基于LTCC技术的无源滤波器设计574.1 引言574.2 滤波器设计基础574.2.1 滤波器技术指标584.2.2 滤波器分类594.2.3 频率变换62

12、4.3 阶跃阻抗谐振器(SIR)644.3.1 SIR的基本结构644.3.2 SIR谐振条件和谐振器的电学长度654.4 LTCC滤波器设计实例684.4.1 实例设计目标指标684.4.2 LTCC滤波器设计流程684.4.3 实例设计方案及实施694.5 本章结论80第五章 结 论82致 谢83参考文献84个人简历87第一章 绪论第一章 绪 论1.1 研究背景近年来随着军用电子整机、通讯类电子产品及消费类电子产品迅速向短、小、轻、薄方向发展，手机、PDA、MP3、笔记本电脑等终端系统的功能愈来愈多，体积愈来愈小，电路组装密度愈来愈高。若能将部分无源元件集成到基板中，则不仅有利于系统的小型

13、化，提高电路的组装密度，还有利于提高系统的可靠性。目前的封装集成技术主要有薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术1-3以及低温共烧陶瓷(LTCC)技术4。其中低温共烧陶瓷(LTCC)技术是一门新兴的集成封装技术，所谓LTCC技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板5-6，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块7-8。总之，利用这种技术可以成功地制造出各种高

14、技术LTCC产品。以多层LTCC开发的产品将具有系统面积最小化，高系统整合度，系统功能最佳化，较短的上市时间及低成本等特性，从而具有相当的竞争力。相对于以前的封装集成技术LTCC技术具有如下优点： 陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可高达几十GHz； 使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子； 可以制作线宽小于50m的细线结构电路； 可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性； 具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数； 可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度； 能集成的

15、元件种类多、参量范围大，除L、R、C外，还可以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起； 可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连IC和各种有源器件，实现无源/有源集成； 可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境； 非连续式的生产工艺，允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本。 与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件（MCM-C/D）。LTCC技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，将成为未来电子器件集成化、模块化的首选方式，从技术成熟程度、产业化程度以及应用广泛程度等角度来评价，目前，LT

16、CC技术是无源集成的主流技术。1.2 LTCC技术研究现状及动态1.2.1 LTCC材料的现状及动态LTCC器件对材料性能的要求包括电性能、热机械性能和工艺性能三方面，介电常数是LTCC材料最关健的性能。由于射频器件的基本单元谐振器的长度与材料的介电常数的平方根成反比，当器件的工作频率较低时(如数百兆赫兹)，如果用介电常数低的材料，器件尺寸将大得无法使用。因此，最好能使介电常数系列化以适用于不同的工作频率。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数，它直接与器件的损耗相关。理论上希望越小越好。介电常数的温度系数，这是决定射频器件电性能的温度稳定性的重要参数。为了保证LTCC器件的可靠性，在材料

17、选择时还必须考虑到许多热机械性能。其中最关健的是热膨胀系数，应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。此外，考虑到加工及以后的应用，LTCC材料还应满足许多机械性能的要求，如弯曲强度、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性KIC等等。工艺性能大体可包括如下方面：第一，能在900以下的温度下烧结成致密、无气孔的显微结构。第二，致密化温度不能太低，以免阻止银浆料和生带中有机物的排出。第三，加入适当有机材料后可流延成均匀、光滑、有一定强度的生带。目前世界上提供LTCC材料的生产厂家有DuPont，Ferro，Heraeus，Northrop，Electro-science Laboratories，Sw

18、edish Ceramic Institute，Kyocera，Sarnoff，National semiconductor，NIKKO，Nippon Electric Glass，Samsung等。其中有duPont、Ferro和Heraeus三家提供数种介电常数小于10的生带，国内开发LTCC器件的研究所也都在采用这些生带。这些生带存在两个问题：首先，介电常数未系列化，不利于设计不同工作频率的器件。第二，这些生带开发商并无实际使用生带进行设计和生产的经验，比较注重生带与银浆料的匹配性和工艺性能，对于设计对生带的要求的掌握并不详尽。Heraeus目前似乎更着重于银浆和介电粉料的开发，似有退出

19、生带生产之势，不知是否代表一种趋势。国内目前LTCC材料基本有两个来源，一是购买国外生带，二是器件生产厂从原料开发起。这些都不利于快速、低成本的开发出LTCC器件。因为，第一种方式会增加生产成本，第二种方式会延缓器件的开发时间。目前清华大学材料系、上海硅酸盐研究所等单位正在实验室开发LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生产的程度。国内现在亟须开发出系列化的、最好有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料，专业化的生产系列化LTCC用陶瓷生带，为LTCC器件的开发奠定基础。南玻电子公司正在用进口粉料，开发出介电常数为9.1、18.0和37.4的三种生带，厚度从10m到100m，生带厚度系列化，介电常数半系列化

20、，为不同设计、不同工作频率的器件开发奠定了基础。另外我国台湾憬德电子工业股份有限公司也提供LTCC材料。1.2.2 LTCC技术应用的现状及动态LTCC技术，受到全球产业的曙目，已广泛应用于宇航工业、军事、无线通信、全球定位系统、无线局域网、汽车等产业9-10。美国、日本等著名的DuPont、CTS、NS、Murata、Soshin、TDK等大公司力推LTCC技术的应用。利用LTCC技术，既可制造单一功能元件(如电阻、电感、天线、双工器、滤波器等)，还可以整合前端元件，如天线、开关、滤波器、双工器、LNA、功率放大器等制成RF前端模块，可有效地降低产品重量及体积，达到产品轻、薄、短、小、低功耗

21、的要求。LTCC产品按技术层次划分，可粗略地分为以下四类: 高精度片式元件：如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列11。 无源集成功能器件：如片式射频无源集成组件，包括LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、Balun、天线、延迟线、衰减器，共模扼流圈及其阵列，EMI抑制器等12。 无源集成基板/封装：如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等。 功能模块：如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等13-14。我们将对这些LTCC产品的发展状况加以介绍：u 高精度片式元件片式元件的尺寸已由1206和0805为主，发展为0603和0402

22、，并进而向0201和01005发展；介质单层厚度由原来的10微米以上减小到5微米、3微米，甚至到1微米；介质层数也由几十层发展到几百层。同样，其他功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展，如多层压电陶瓷变压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。u 无源集成功能模块近年来，以LTCC技术为基础的多层片式介质天线取得了长足的进步。Tentzeris等。研究了基于LTCC技术的小型叠层平面天线，采用r=5.6，Q=1000的介质材料，通过改变叠层层数来优化带宽特性，在同样的结构参数条件下，叠层天线的带宽是单一平面天线的2倍，可满足蓝牙、WLAN等各种无线通信设备的要求。Sim等采

23、用三维电磁场仿真设计软件(简称HFSS)，利用LTCC技术，设计出用于移动电话的微型宽带片式多层天线，天线尺寸6.7 mm5.0 mm1.8 mm，驻波比小于2，相对带宽达到33%，天线增益为1.2dBi，其带宽特性优于内呈平面倒F天线及介质谐振天线。Kim和Choi分别采用r =23，Qf=15000GHz及r=9.8材料设计成7.5 mm4.5 mm0.8 mm，11.5 mm4.0 mm1.0mm的片式多层天线。Murata，Allgon，Toko and Rangestar等著名公司已经开发出各种结构类型的用于移动通信设备的片式多层天线，并已面市，如Murata最近推出了专门用于蓝牙高

24、频模块的LDAGZ型叠层天线，工作频带0.82.4GHz，尺寸为9.5mm2.0mm2.0mm，在水平360方位内天线增益-3dBi，在垂直平面为-320dBi，可用于CDMA、PDC、蓝牙技术等电子产品中。在片式多层天线发展的同时，片式多层双工器、滤波器、平衡-不平衡转换器也相继研究开发，Shizaki等最初采用高介电常数材料，由平面谐振层和藕合电容层设计成叠层带通滤波器，这种叠层滤波器被认为是梳状滤波器的演变，尺寸约/4(以中心频率2.45GHz计算，尺寸在10cm左右)，尺寸过大，难以集成在低介电常数多层陶瓷RF电路模块中。Sheen等利用DuPont低介常数材料设计，较好解决了高介电常

25、数难以集成问题，把两个叠层滤波器(带通和带阻滤波器)集成在RF电路中，组合成双工器，适用于DCS。随后，松村定幸等发明了一种具有叠层结构的双工器，包括并联LC谐振器的第1个三级带通滤波器和具有并联LC谐振器的第2个三级带通滤波器。Murata最近推出一种超小型0603片式叠层双工器，其尺寸仅为1.6mm0.8mm0.6mm。研制生产用于移动通信的片式叠层LC滤波器品种较多，如中心频率为 0.91.0GHz，外形尺寸3.2mm2.5mm1.65mm的高通滤波器；中心频率覆盖1.9GHz5.8GHz，外形尺寸4.5mm3.2mm1.6mm、3.2mm2.5mm1.8mm、2.5mm2.0mm1.0

26、mm的带通滤波器；Tang和sheen，采用阶梯阻抗模式，利用多层结构、曲折线和多节藕合线设计了片式多层平衡-不平衡转换器，多节藕合线具有不同的队杭比，缩小了/4藕合传输线，易于与各种平衡输出阻杭匹配，平衡-不平衡输出阻杭为50，在工作频率范围内，插入损耗小于1.02dB，回波损耗小于14.5dB，振幅平衡度小于0.43dB，相平衡度小于1.23度，可应用于WLAN、Bluetooth等通信设备.u 功能模块美国的半导体公司已开发多种LTCC功能模块，其用于无线通信的频率合成模块，有14层陶瓷层，内置谐振电容、反馈电容、级间藕合电容、输出电容、谐振电感及输出匹配电感等无源电子元件，然后在表面上

27、安装IC、压控振荡器、变容二极管，形成一个表面贴装型微波功能模块，体积大大减小。Motorola制作的移动通信接收模块，包括收发开关、四个滤波器、低躁声放大器，阻抗匹配电路、偏置尺寸仅为12.5mm12.5mm2.2mm，元件组装密度达到34个/cm2。另外，对于短距离无线通讯用的蓝牙组件，也可使用LTCC多芯片组件，由于采用内埋式无源元件及倒装焊芯片，从而使整个组件达到了小型化。日本松下公司制作的超小型蓝牙模块，在该模块LTCC基板内置有电容器、滤波器、阻抗变压器及天线，在LTCC基板表面安装有蓝牙射频、基频、快速存储器、晶体振荡器及开关二极管等。1.3 LTCC技术面临问题及未来展望1.3

28、.1 LTCC技术面临问题虽然与其他封装技术相比LTCC技术有不可取代的优越性，但LTCC技术本身仍然存在收缩率控制和基板散热等问题。1、收缩率的问题LTCC存在许多涉及可靠性的难点，基板与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题即是其中的一个重要挑战，它关系到多层金属化布线的质量。LTCC共烧时，基板与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面：a.烧结致密化完成温度不一致；b.基板与浆料的烧结收缩率不一致；c.烧结致密化速度不匹配。这些不匹配容易导致烧成后基板表面不平整、翘曲、分层。不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。2、散热的问题虽然LTCC基板比传统的PCB板在散热方面已经有了很大的改

29、进，但由于集成度高、层数多、器件工作功率密度高，LTCC基板的散热仍是一个关键问题，成为影响系统工作稳定性的决定因素之一。随着微电子技术的进步，器件工作能量密度越来越高，如何把热量及时有效地散发出去，保障器件的稳定工作，是封装所面临的艰巨挑战。采用高导热率的材料及新型的封装涉及是提高封装部件散热效率的常用方法。但对LTCC来说，其明显的不足之处就是基片的导热率低(26W/mK)，远低于AIN基片的导热率(100w/mK)，比A12O3基片的导热率(1525W/mK)也低了不少。这限制了LTCC在大型、高性能计算系统中的应用。1.3.2 LTCC技术未来展望目前，尽管LTCC技术为多层线路设计带

30、来了巨大的灵活性，但有些相关技术尚未成熟或待开发，也缺乏使用LTCC设计线路的技术标准。以下从几个方面概述了业己成熟或即将发展的有关LTCC关键技术。 高电导率介质浆料：用以实现高容量。如Cu布线技术一直是发达国家重点研究项目之一，现在一般采用的是Ag进行金属化。 内埋无源元件：目前，电阻和电容己经能够内埋于LTCC基板中，但是对于电感的内埋仍有一些问题。 内埋有源元件：借助该技术可集成那些无需共烧在LTCC基板的有源元件或芯片，加工出一种带有空腔的LTCC载体或基板，装入芯片，加盖并焊接后封闭箱体。 顶底球形阵列：将同种电路依次安装于各自的顶部，组成高性能器件，并带有许多有源器件。 光学元件

31、：可使生产带有光学接口的LTCC基板或箱体成为可能。液体或气体接口或导体：将实现在LTCC基板中集成传感器或输送(冷却)液体或气体的管路。 零收缩率：由于在烧结过程中LTCC生瓷带的不均匀收缩，限制了导体印刷的线宽和线间距。零收缩率生瓷带将带来性能更卓著的多层线路结构。 高热传导率：随着多层芯片线路集成度的提高，LTCC的2.02.5w/m热传导率已经不能满足数瓦级大功率散热的多芯片模块设计的要求，开发基于LTCC大功率散热材料及技术势在必行。 砖箱系统：它由LTCC材质的部件(载体或盖子)组成。这些部件可通过焊接联在一起，组成一个完整的箱体，各部件上都带有(电气、光学、液体)孔连接结构和接口

32、，用以连接被安装的芯片。 1.4课题来源及研究意义由于信息时代的到来，移动通信、卫星通信、相控阵雷达以及星载电子等方面的迅猛发展，对微波集成电路提出了更高的要求。设备的高可靠性、微型化、低价格及良好的温度特性，要求微波集成电路在满足电气性能指标的同时，应尽可能减小电路占用面积。而且超大规模单片集成电路己经达到其集成或微型化的极限，要进一步提高其组装密度和扩展功能，唯一的途径只能是扩展电路的空间自由度和拓扑结构，发展三维集成技术。特别是基于LTCC的三维微波集成电路的研制成功，在很大程度上降低了三维微波集成电路的造价，给三维微波集成电路开拓了更广阔的市场前景。电子科技大学受国家项目支持于2004

33、年引进了一条完整的LTCC生产线，并拟生产出自己的产品，如电感，电容，滤波器，天线及LTCC模块等。本课题主要围绕此生产线展开进行，对LTCC技术工艺、设计加以研究。1.5本论文的主要内容本论文共分为五章，第一章为绪论，简要概括了LTCC技术的发展背景、现状、动态及面临的问题；第二章主要介绍LTCC工艺、LTCC技术的部分设计原则及LTCC设计的仿真、设计软件；第三章介绍了基于LTCC技术的电感、电容元件三维建模及仿真优化设计，并对其影响因素作了分析；第四章介绍基于LTCC技术滤波器设计实例，主要包括滤波器设计基础、阶跃阻抗谐振器、滤波器设计实例。第五章则为本论文的总结部分。结 论第二章 LT

34、CC技术2.1引言 最近几年以来，随着电子系统的广泛使用，微波装置尤其是无线电通讯设备的应用有了迅猛的增长。高密度、良好温度特性及小尺寸的新型电子系统已日益成为电子系统发展的必然趋势。这些应用都需要高性能的包装材料(特别是对于微波损耗来说)，高容量，低成本的生产能力。过去这些装置常采用有机聚合物材料作为包装材料，因为这些材料能满足生产和成本要求。但这些材料性能和耐用性有限，尤其是在目前技术所需的更高的频率范围内使用时，更是如此。正是由于这个原因，制造商一直致力于寻求新型材料，以提高无线通讯设备的性能。LTCC非常适用于这些应用。这种材料具有高可靠性，并带来了设计上的灵活性，从而真正实现三维结构

35、(采用聚合物和传统陶瓷材料无法获得这种结构)，并将电容性和电阻性元件和这种气密结构相结合。且LTCC基板的集成密度高、RF性能好、数字响应快，成本低、生产周期快、批量大、产品生命周期短、生产灵活、自动化程度高。正因为LTCC技术具有如此众多的优点，所以它正逐渐取代传统的印刷电路板(PCB)板。因为应用LTCC集成技术的电路就是将芯片和其余无源器件集成在一个模块上，因此也被称为无源集成电路或改良专用集成电路。目前世界上提供LTCC材料的生产厂家有DuPont，Ferro，Heraeus，Northrop，Electro-science Laboratories，Swedish Ceramic I

36、nstitute，Kyocera，Sarnoff，National semiconductor，NIKKO，Nippon Electric Glass，Samsung，台湾憬德电子工业股份有限公司，国内有深圳南玻集团、电子工业部43研究所等。表2-1,2-2分别给出了几种常见LTCC生瓷带介质材料及与之相对应的部分导体材料。本章主要内容：首先介绍了LTCC工艺流程，并给出其中的关键问题。其次对基于LTCC技术部分设计原则加以简单的介绍，该设计原则在LTCC技术设计中占有非常重要的地位。最后对LTCC技术电路仿真软件Ansoft HFSS及Agilent ADS加以介绍，通过这些软件的使用，可以

37、大大的缩短我们研发设计及生产周期，有效的降低了研发及生产的成本。第二章 LTCC技术表2-1 几种常用LTCC生瓷带介质材料特性性 质DP951DP943Ferro-A6SHeraeusCT2000厚 度951 C2 50um 951PT 14um 951P2 65um 951PX 254um 943C2 50um 943P5 127um 943PX 254um 0.094mm0.187mm1.77mil3.45mil烧结收缩率（X,Y）12.70.3%9.50.3%15.50.3%11.50.3%烧结收缩率（Z）150.5%10.30.5%250.3%140.5%介电常数7.8 (10MHz

38、)7.4 (15GHz)5.9(10MHz)9.1(10MHz)介质损耗0.002(10MHz)0.0009(10MHz)0.0015(10MHz)0.002(10MHz)绝缘电阻1012(100V DC)1012(100V DC)1014(100V DC)1013(100V DC)击穿电压1000 V/25um1000V/25um1000V/25um1000V/25um热导率3 W/mk4.4 W/mk3 W/mk4.3 W/mk热膨胀系数5.8 ppm/k4.5 ppm/k9 ppm/k8.5ppm/k烧结密度3.1 g/cm23.2 g/cm23.1g/cm22.5g/cm2抗折强度32

39、0 MPa230 Mpa130 MPa130MPa表2-2与LTCC生瓷带相对应的部分导体材料导体特性陶瓷材料系统DuPont 951陶瓷材料系统Ferro A6S导体类型内层 Ag，Au外层Ag，Au，PdAg内层 Ag，Au外层Ag，Au，PdAg顶层导体膜厚(um)103103内层导体膜厚(um)7 to 1527 to 152电阻m/顶层(10 um)Au4Ag3AgPd30Au4Ag3AgPd30电阻m/内层Au4Ag3Au4Ag3顶层导体粗糙度(Rq um RMS)(后烧)Au: 0.8Ag: 0.92.2 LTCC技术工艺流程图2-1给出了LTCC技术工艺流程主要包括生瓷带的制备

40、、打孔前处理、打孔、填空、导体层印刷、叠层、烘巴、等静压、切割、排胶、烧结、封端、检测等过程，本论文主要是参考香港是佳时微电子有限公司提供的工艺要求，对上面提到的工艺加以详细地介绍15。玻璃陶瓷粉料有机载体混合搅拌流 延烘 干第1层生瓷带打孔印刷导体浆料通孔填充第2层生瓷带岑打孔。第n层生瓷带打孔叠层，对齐和热压切 片排胶烧结焊 接检 验印刷导体浆料印刷导体浆料通孔填充通孔填充图2-1 LTCC技术工艺流程图2.2.1 LTCC生瓷带制备LTCC生瓷带是LTCC技术的关键，其性能的好坏直接影响到LTCC技术后面工艺及基于LTCC技术的元件、组件的性能。表征生瓷带性能的参数主要包括介电常数、损耗

41、因子、绝缘电阻、击穿电压、抗弯强度、CTE和热导率。LTCC生瓷带的制备主要包括原材料的制备、浆化、消泡、流延等工艺流程。原材料的制备属于基础研究，是一个需要投入大量的人力、物力，长周期的研究工作。每一种材料都有具体的材料配方、掺杂及工艺。LTCC材料的选择依赖所需要的特性，如介电常数、附着力、热膨胀系数损耗角正切值，其软化点必须高到在开始致密化之前完成排胶，低至能保高密度烧结。浆化就是将原材料、磨介、溶剂（甲苯、无水乙醇）、增塑剂、黏合剂等按照一定的比例、工艺要求，把原材料制成流延用浆料的过程，浆化的好坏直接影响到流延膜片的性能。流延前要先将浆料进行消泡，以便消除流延片中出现气泡。流延的目的

42、是把陶瓷粉料转变为易于加工的生瓷带，对生瓷带的要求是：致密、厚度均匀和具有一定的机械强度。流延工艺包括配料、真空除气和流延等三道工序。在陶瓷粉料中加入适当的粘合剂，经过球磨混料后形成高粘度浆料。流延技术要求陶瓷粉料的粒度小和形状好（一般为球形），流延浆料的流动性好，溶剂挥发速度适当。粘合剂是流延工艺中的关键材料，在流延工艺中起着十分重要的作用。粘合剂通常包括树脂、增塑剂、分散剂、溶剂等成分。树脂是瓷粉的载体，瓷粉颗粒均匀地分散和镶嵌在树脂中，形成既具有一定强度和塑性，又便于打孔和印刷金属导体图形的生瓷带。增塑剂控制生瓷带的韧性；分散剂可以打开瓷粉的团粒，使瓷粉的每一颗粒包裹一层树脂薄膜；溶剂用

43、来溶解树脂，并可控制流延浆料的粘度。粘合剂在基板成形后要全部排除。因此，粘合剂中各成分的排除温度要有一个合理的梯度。流延后，浆料中一部分溶剂在100左右挥发出去，继续加热时生瓷带中含有的各种溶剂不断挥发，加热到300时可以排除干净。温度不到600时树脂在空气中就可氧化分解完毕，而在氢气中完全分解的温度则是1100。流延浆料中的树脂必须具有良好的热塑性，即温度升高时生瓷带变软的特性，以便叠层热压时各层之间能形成很好的结合，而且这种变软的温度最好在50100之间。目前，国际上常用的粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛（PVB）系统，属溶剂型粘合剂系统，其主要优点是工艺成熟和性能稳定，其最大缺点是有毒，要求采取必

44、要的环保和防护措施。流延工艺就是将浆料浇铸在移动的载带上，通过一个干燥区去除大部分溶剂后，将所得生瓷带卷在轴上备用。技术的关键是对生瓷带的致密性、厚度的均匀性和强度的控制。流延法是电子材料工业中一种普遍使用的成型方法，微电子封装基板生坯片大多采用此发制造。通过控制流延机的流延刀片与PET磨带的间距，可以得到不同厚度的流延片。本校LTCC生产线使用流延机可得到几个微米的流延片，另外流延片所能达到的最小厚度还与材料本身的性能有关。表2-3给出了流延薄膜容易出现的问题。表2-3流延薄膜缺陷与解决缺陷成因改善建议针孔/汽泡1. 浆料浓度不够 2. 浆料内有气体存在1. 减少溶剂 2. 增加脱泡时间表面

45、条纹1. 灰尘2. 流延刀口不平整3. 球磨不良 1. 保持流延机内部及环境清洁2. 采用平整流延刀3. 充分将材料球磨一边厚一边薄1. 刀口间距设定两边不平行 2. PET膜带安装不良，流延机未有将之拉紧1. 因应测量的结果调整刀口间距2. 重新检查PET膜带安装并修正透光不均匀浆料流量不稳定检查气压及流量控制状态皱纹1 干燥风量太大2 干燥空气太热1 减低热风流量2减低空气温度两边翘起1 缺乏增塑剂2 干燥空气太热1 添加增塑剂 2 降低干燥温度中央开裂1 存在汽泡2 缺乏增塑剂3 缺乏黏合剂 1 同针孔/汽泡2 添加增塑剂3 添加黏合剂断裂1. 缺乏增塑剂2. 缺乏黏合剂1. 添加增塑剂

46、2. 添加黏合剂2.2.2 生瓷带打孔前处理工艺生瓷带打孔前的处理工艺主要包括裁切、预处理、冲片等过程，裁切就是将卷带生瓷带按照一定的尺寸进行裁切，裁切的尺寸要比所需要的尺寸略大，以便满足后面的加工。预处理有两种方法：一种是将生瓷带在120下烘干2030分钟；另一种是将生瓷带在氮气干燥箱内放置24小时。可用任一方法完成。预处理时间的长短因生瓷带材质的不同而有差异。冲片采用冲片模具，从而形成有效尺寸的生瓷片及定位标记。2.2.3 打孔生瓷片上打孔是共烧陶瓷多层基板制造中极为关键的工艺技术。孔径大小、位置精度均将直接影响布线密度与基板质量。在生瓷片上打孔就是要求在生瓷片上形成（0.10.5）mm直

47、径的通孔。打孔过程中要求对孔周围的影响要小。生瓷片上打孔的方法主要有三种：数控钻床钻孔、数控冲床冲孔、激光打孔。利用计算机控制钻床对生瓷片打孔的优点是打孔位置正确与精度较高（可达50m）。孔的大小取决于钻头尺寸，一般来说，最小孔径一般在0.3mm左右。数控钻床的对位可采用模拟方法。由于数控钻床钻孔是按照预先设计的程序依次进行的，所以打孔效率不高，打孔速度为每秒（35）孔。此外，机械钻孔对孔的边缘会产生一定影响。数控冲床冲孔是对生瓷片打孔的一种较好方法，特别对定型产品来说，冲孔更为有利。可用冲床模具一次冲出上千个孔，其最小孔径可达0.05mm。打孔效率高，打孔速度为每秒（810）个孔，精度为10

48、m，适合于批量生产。由于孔的数量和排列都不同，不同层的生瓷片上打孔所需的模具不同，因而提高了成本。通过冲模设计标准化，可以减少模具的品种和数量，降低成本。激光打孔是生瓷片的理想打孔方法。目前常用二氧化碳激光器作为生瓷片打孔机的光源。二氧化碳激光器功率大，生瓷片内的有机粘合剂容易被二氧化碳激光所汽化，打孔过程中对生瓷片的影响小，其最小孔径可达50m。Q开关NdYAG激光器的打孔速度可达每秒（250300）孔，打孔精度为25m。激光打成的孔有25m左右的倾斜度，有利于留存导体浆料，也可提高叠层时上下对准的精度。2.2.4 填孔通孔填充的方法一般有两种：丝网印刷和导体生片填孔。目前使用最多的是丝网印

49、刷法。丝网印刷时采用负压抽吸的方法，可使孔的周围均匀印有导体浆料。印刷机工作台的四角上各有一个与生瓷片定位孔相对应的定位柱，直径为（1.51.6）mm。用真空泵在工件下方抽气，形成负压，压力一般为（665865）Pa。丝网印刷以采用325目的不锈钢丝网或高开孔率尼龙丝网为宜，最好采用接触式印刷。填充通孔的导体浆料与形成导电带的导体浆料的组分不同，其粘度应加以控制，充分使其凝胶化，使通孔填充饱满。2.2.5导体层印刷 导电带形成的方法有两种：传统的厚膜丝网印刷工艺和计算机直接描绘法。采用丝网印刷技术制作导电带时，最细的线宽可达100m，最小的线间距可达150m。生瓷片上印刷的导电带的厚度应比一般

50、厚膜工艺要求的厚度薄一些，此外，各层生瓷片之间的对位精度要高。直接描绘法应用计算机控制对位、布线，用导体浆料直接描绘出导电带图形。膜厚均匀，并且可控。线宽均匀，可细达(50100) m。描绘速度可在(1.3125)mms-1范围内调节。导电带图形直接描绘法对导体浆料的细度、粘度、烘干速度均有很高要求。计算机直接描绘法无需照相、制版、对位和印刷，方便灵活，但设备投资大，操作复杂，生产效率低。通孔填充、导体层印刷操作完毕后，将印刷完的电路板置于一个箱式烘箱内，在7080下放置5分钟，对通孔和导体进行烘干。另外借助于一个照明工作台和变焦显微镜进行检查，也可以自动检测。主要是观察通孔的填充情况及导带印

51、刷是否合格，以便于及时修补。2.2.6叠片等静压以前必须将以上所得的生瓷片按预先设计的层数和次序，依次放入紧密叠片模具中，模具上设计有与生瓷片对位孔一致的对位柱，保证对位精度。模具最好用硬质材料加工，以防止多次使用后变形。各层依次放置在定位柱上直至装好各层生瓷片，在一定的温度和压力下，使它们紧密粘接，形成一个完整的多层基板坯体。2.2.7烘巴及等静压烘巴就是把经过叠片的多层基板坯体放在干燥炉进行烘烤使其干燥。烘烤完毕后要检测坯体最上层膜片是否有裂纹、皱纹。叠压主要有两种方式:单轴向热压和均匀热压。单轴向热压是将叠放的生瓷带放于热压炉内，在一定的温度和压力下进行热压。压力是从单一方向施加的;并要

52、求在热压到一半时间时，将叠层的瓷片进行1800的翻转，以保证叠压均匀。这种方法会产生气孔、开裂和较大的伸缩率等现象，尤其是在边缘和单层时Z方向的收缩率尤为明显。均匀热压是将叠放的生瓷带真空密封在铝箔中，放于热水中加压，生瓷胚体的受力是各向相等的。水温和施压的时间与单轴向热压相同，施加的压力要高于单轴向热压。叠压工艺中最关键的是压力要均匀一致，它直接影响基板烧结的收缩率。最好使用等静压力机，因为它的压力比较均匀，基板烧结收缩率一致性好，对提高后烧结表面导体与通孔对位精度有利。基板烧结收缩率还与热热压压力有密切的关系，热压压力应适当。压力过大，排胶时会起泡分层:过小也会分层，且基板烧结收缩率较大，

53、收缩率一致性差。把合格的坯体放到抽真空封装机进行真空密封操作，用封装塑料袋把坯体密封。然后把密封好的坯体放到等静压载板上置入等静压机中进行等静压处理。2.2.8切割按照一定的尺寸要求将已等静压处理的坯体分割成许多特定的小块，以满足设计的要求。切割主要包括有后烧切割锯、超声波切割、激光切割、生瓷冲片等几种方法，对于矩形部件通常采用后烧切割锯，效果良好。它可以使尺寸严格控制在公差之内，而且边缘质量很好。超生波切割的工艺也属于后烧操作，可以严格控制异形部件的公差，边缘质量优异;但该工艺成本昂贵且效率低。熟瓷激光切割可以确保精度，而且成本相对较低;然而，其边缘质量较差。生瓷激光切割可以产生高质量的边缘

54、;但在以后的烧成过程中，外边缘公差会有一些损失。对于生瓷冲片而言，无论是在冲片工序将异形生瓷片冲成单层，还是在叠片工序将叠片冲成基板行状，它都可以迅速地制备出异形基板。基板质量良好，成本相对较低，但外公差可能有一些损失。这些方法各有优缺点，要根据实际情况选择合适的方法。2.2.9排胶排胶就是要把原材料浆化过程中所添加的有机材料去除，以便获得更好的致密性及良好的电气性能。经测试知残余的碳化物对带的机械强度和绝缘电阻有着明显的影响，而且容易使元件褪色。将叠片热压后的陶瓷生坯放入炉中排胶。由于使用的导体材料不同，排胶时所采用的气氛也不同。对于钼、铜、镍等贱金属材料，需要在氮、氢等气氛中进行排胶；如果

55、导体为金、银、钯银等贵金属材料，只需在空气中进行排胶。排胶是有机粘合剂汽化和烧除的过程，升温过程中生坯内的溶剂首先挥发，温度升到200以上，树脂开始氧化分解，排胶结束时分解量应为(6065)。基板坯体的排胶温度曲线与生坯中粘合剂成分有关。对于溶剂型粘合剂，升温速度为每小时(2050),升到250后,保温(35)小时；对于水溶型粘合剂，升温速度为每小时(2030),升到285后，保温(46)小时。然后自然冷却。排胶的升温速度取决于生坯在该温度下失重率的高低。在失重率高的温度区间，升温速度应尽可能放慢，使坯体中树脂氧化分解产生的大量气体得以充分排出。保温时间长短视基板厚度而定，对于层数多、尺寸大、

56、形状复杂的基板，排胶速度要相应放慢。排胶工艺对共烧多层陶瓷基板的质量有着严重影响。排胶不充分，烧结后基板会起泡、变形或分层；排胶过量，又可能使金属化图形脱落或基板碎裂。2.2.10烧结烧结在烧结炉中进行，升温速度为8/min，升至900后，保温3小时，降温速度为8/min。烧结工艺的关键是烧结曲线和炉膛温度的一致性，它决定了烧结后基板的平整度和收缩率。炉膛温度不均匀，基板烧结收缩率的一致性就差。这是因为在烧结过程中，导体与基板的烧结温度总是有一定差距的。如果升温过快，会因致密化程度不同而产生的应力来不及消除，使基板发生翘曲。烧结时升温速度过快，会导致基板的平整度差和收缩率大。另外，使用金或钯银

57、导体的低温共烧陶瓷多层基板可在空气中进行烧结。2.2.11测试必须对烧结好的低温共烧陶瓷多层基板进行检测，以验证多层布线的连接性。主要使用探针测试仪进行检测。美国BSL公司生产的双向探针测试仪可对基板两面进行开路、短路和高阻失效测试。2.3 LTCC技术部分设计原则探讨LTCC技术设计原则在整个LTCC技术中占有重要的地位，LTCC技术设计原则的是否合理将影响到整个LTCC组件、元器件性能。图2-2给出了三维LTCC模块横截面结构图，其中有内埋置电感、电容、电阻、表面电阻、内导体、外导体以及通孔。本节主要参照国内中电43所及本校LTCC生产线工艺制定部分设计原则，就LTCC技术中的一些主要及关

58、键设计内容的设计规范加以探讨分析，对这些关键因素的具体研究对比将在第三章给出详细的讨论。图2-2 三维LTCC模块横截面2.3.1 LTCC中导体设计2.3.1.1标准表面导体所有标准导体的边界到基板边界的尺寸应大于15mil。2.3.1.2靠近边界技术(CTTE, close to the edge technology)某些情况下，表面导体的放置与正常标准需更接近基板边界，设计者可以按照CTTE技术标准，使得表面导体到基板边界的尺寸小到4mil。2.3.1.3 内埋置导体到基板边界的距离 按照设计需要，设计者可以根据CTTE技术，使得内埋置导体线到基板边界的尺寸达到6mil。2.3.1.4

59、导体走线导体走线的最佳方式是平行或垂直于基板边界。2.3.1.5典型的导体拐角图2-3给出了几种典型的导体线拐角。图2-3 几种典型得到体现拐角2.3.1.6导体线的连结在LTCC元件设计中，导体线之间连结的好坏直接影响到所设计元件的性能。图2-3给出了通常容易出现的两种形式，许多文献建议设计者采用两导体线两连结端口能够具有一定的重叠部分，以便防止出现两导线连结端相脱离的现象。两端口交叠部分一般为2mil。图 2-3 导体线连结形式2.3.1.7导体线宽、线间距图2-4、表2-4分别给出了导体线宽、线间距示意图及相应的尺寸。表2-4 给出了与图2-23相对应的尺寸描述对象标准(mil)高密度(

60、mil)A导体线宽(MIN)64B线间距(MIN)64C线到基板边界距离86D线线中心距离(MIN)126图2-4 导体线宽、线间距示意图2.3.2通孔标准导体设计原则与通孔覆盖盘相关联，考虑到通孔的纵横比，通孔的尺寸受限于生瓷带的厚度，设计通孔时需要注意：1) 保持通孔直径在整个设计中的唯一性。2) 保持通孔、生瓷带纵横比为一个最优定值。2.3.2.1堆积孔 图2-5 导热、信号、射频屏蔽通孔的侧视图从用途上分，通孔有很多种，如导热通孔、信号通孔、射频屏蔽通孔，图2-5给出了这几种通孔的侧视图。导热孔是典型的堆积通孔，它的通孔直径较大，一般为8mil、12mil，通孔覆盖盘直径大于8mil。

61、信号通孔是经由连结中间层和底层的堆积孔，它的通孔覆盖盘遵从标准导体设计原则。射频屏蔽通孔是在每层与导体间电气连结的堆积孔，它的覆盖盘也是遵从标准导体设计原则。2.3.2.2通孔图2-6、表2-5分别给出了电气通孔及通孔覆盖盘截面图及相应的尺寸。图2-6 电气通孔及通孔覆盖盘的截面图表2-5 通孔及覆盖盘尺寸描 述标准 (mil)通孔 (直径)4681012覆盖盘(直径)6.78.51012142.3.2.3通孔间距最小通孔间距(中心距)，同一层内应为2.5通孔直径，两层间交错通孔错位为2通孔直径，最小通孔中心距基板边沿距离应为3通孔直径，如图2-7所示。图2-7 通孔间距2.3.3 射频通孔对

62、涉及到高频线及受约束阻抗线的设计，需要考虑埋置同轴型屏蔽，可以通过经由受约束线两边平行放置、穿越外面的通孔来实现。射频通孔间距可以小到50m(在不同层上平行放置)。射频通孔也可以为堆积形式，如图2-8所示。 图2-8 射频通孔顶视图及侧视图2.3.4电源及接地地和电源应尽可能的采用网格状结构，导体覆盖面积应小于50%。局部地方可以使用块状地电源，来提高电路的射频性能。网格平面中的线轴应平行于基板边界或与基板边界成45的角度。2.3.4.1馈通假如一个通孔需通过电源、地面或其他网格层，则该电源或地面导体应尽量远离该通孔，如图2-9所示。 图2-9网格化中的馈通2.3.4.2网格化地面图2-10、表2-6分别给出了网格化地面中各种设计及相应的尺寸。图2-10 网格化地面