LTCC无源元件建模与应用

南京邮电大学硕士学位论文LTCC无源元件建模与应用姓名：齐剑申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：程勇2011-03I摘要移动通信技术的高速发展，对移动通信设备中射频器件的性能提出了更高要求。以LTCC为基础结构的设计可有效实现射频器件向小型化、低成本、高频化和高可靠性发展。本文基于LTCC技术进行无源元件建模与应用的研究，主要工作和贡献如下：(1)介绍了LTCC技术并以LTCC滤波器的设计为例给出无源元件建模思路的流程。(2)根据LTCC电容结构的特点，建立LTCC电容单π等效电路并推导出元件参数计算式，设计出2.5和1.36两个VICLTCC电容，并对所建立的等效电路模型进行了验证。pFpF(3)论述了LTCC电感结构、分析了电感性能随物理结构参数的变化，进行LTCC电感单π和双π等效电路模型的建模。设计了3.5圈的3平面矩形螺旋电感验证单nHπ等效电路模型，并对双π等效电路模型也进行了验证。(4)设计一个中心频率为2.45GHz、带宽360MHz的LTCC带通滤波器，并建立滤波器等效电路并分别进行仿真，验证了无源元件等效电路模型。本文中提出了平面矩形螺旋电感的双π等效电路模型，对于研究和设计结构复杂LTCC电感有一定的指导意义。关键词：低温共烧陶瓷无源元件等效电路模型带通滤波器IIAbstractWiththeadvanceddevelopmentofthemobilecommunicationtechnology,higherperformanceoftheRadioFrequency(RF)devicesinthecommunicationequipmentsisrequired.TheRFdeviceswilldevelopinthedirectionofminiaturization,lowcost,highfrequencyandhighstabilitybasedontheLowTemperatureCo-firedCeramic(LTCC)technology.ThisdissertationisaboutthepassivecomponentsmodelingandapplicationbasedonLTCCtechnology.Themaincontentofthisdissertationincludes:Firstly,thecharacteristicsofLTCCtechnologyaregiven,takingtheLTCCfilterdesigningforexample,thedesignprinciplesandprocessaregivenindetail.Secondly,basedonLTCCcapacitancecharacteristics,thesingle-πequivalentcircuitmodelofthelumpedcapacitanceisestablishedandtheparameterextractionexpressionsarelisted.TheequivalentcircuitmodelisverifiedbyDesigned2.5pFand1.36pFofVIClumpedcapacitors.Thirdly,theLTCCinductorstructureandtheinductorperformancecurvesinpacewiththephysicalstructureparametersvaryingarelisted.TheLTCCinductorequivalentcircuitsofthesingle-πanddouble-πpatternsaremodeled.The3.5-turnsof3nHrectangularspiralinductorsimulationverifieswiththeequivalentsingle-πcircuitmodel.Meanwhile,thecomparisonbetweentheS-parametersofthesingle-πanddouble-πarecarriedout.Finally,theLTCCband-passfilterof2.45GHzcenterfrequencyand360MHzbandwidthisdesigned.BycomparingthetwoS-parametersofsimulationbyHFSSandADS,whichcanprovetheestablishedpassivecomponentequivalentcircuitmodeliscorrect.Inthisdissertation,double-πequivalentcircuitmodelofplanarrectangularspiralinductorissignificantforstudyinganddesigningthecomplexityLTCCinductor.Keywords:LTCC,PassiveComponents,EquivalentCircuitModel,Band-passFilter南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：_____________日期：____________南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生院(筹)办理。研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1LTCC技术简介LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramic，低温共烧陶瓷)技术是MCM(Multi-chipModule，多芯片组件)技术中的一种。LTCC技术是将未烧结的陶瓷材料叠层在一起而制成的三维多层高密度内有印制互连导体、元器件和电路，其中元器件主要包括电容、电感、电阻、滤波器、天线、耦合器等，并将该结构烧成一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面将有源器件包括单晶微波集成电路和射频集成电路贴在LTCC基板的表面等构成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件技术[1]。20世纪80年代初，国外就已经开始了对LTCC工艺技术的研究；90年代初，国外就开始了对微波、毫米波LTCC技术的研究。与国外研究的情况相比，我国对LTCC技术的研究起步较晚，主要集中在封装与互连工艺、材料、基板等方面的研究，对整个系统方面的研究却很少，并且只是主要在国防军工项目上进行技术的研究，民用方面的成果较少。现在LTCC技术已广泛地用于射频无线通信、航空航天军事、无线局域网、全球定位系统、汽车电子和个人移动通信设备等领域[2-3]。基于LTCC技术的三维微波射频集成电路具有如下特点：(1)三维微波射频集成电路可以提高电路板的元器件组装密度和集成度。(2)三维微波射频集成电路可以有效降低电子设备的体积和重量，由于采用了垂直互连技术，大大降低了微波电路的平面面积，而且元器件外面封装的去除，使得电子产品设备的体积和重量都获得了有效的降低。(3)由于LTCC技术采用专门的材料及烧结温度低的缘故，同时又具有以下优点：LTCC材料具有优良的高频率和高品质因数的特性；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数；可将无源元件嵌入到多层电路基板中，有利于提高射频电路的组装密度；具有较好的温度特性，如较小热膨胀系数、较小的共振频率温度系数[4]。LTCC技术工艺流程较为复杂，由于是微细加工需要在每一步骤中对工艺的精确度和一致性要求极为严格。图1.1为LTCC主要的工艺流程[5]。南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论图1.1LTCC技术主要的工艺流程LTCC技术具体工艺流程是将介质材料按比例添加有机溶剂、分散剂、增塑剂、粘结剂、除泡剂等有机物添加剂组成流延浆料；将浆料放入球磨罐中球磨、消泡除去流延膜片中出现气泡和孔洞；把浆料浇铸在移动的载带上，通过一个干燥区用来去除大部分溶剂后，所得生瓷带卷在轴上备用；流延出来卷轴形式的膜片连同载膜展开于洁净的不锈钢工作台面之上，采用切割机、激光或冲床将其裁切出比需要的尺寸略大的膜片；然后将切割好的生瓷膜片在需要的位置上打上通孔；采用印刷的形式在膜片的孔中填满导体浆料，这样可以使不同膜片层间的电路导通；填好孔的膜片按照设计的要求印好导体层图形；将已裁切巴胚和己经印及填孔巴胚(叠片)按照预先的设计要求通过热压的方式叠成巴块；已叠片的巴块放在干燥炉内，设定温度和时间进行烘烤使其干燥，将已干燥好的巴块连同载板放入封装塑料袋里对它进行抽真空；塑封好的巴块连同载板置于一定的水位下，利用水在同一高度对各个方向的压力相同，通过控制等静压的压力、温度和时间将其均匀压紧。取出巴块后要仔细观察平整度和有没有出现分层；利用双面胶纸将已等静压巴块的四周固定在卡纸上，放到预热台上加热，然后把预热好的巴块放到切割台上，进行中心定位和切割线进行严格对位，按照设计的要求裁切成单个芯片；最后进行排胶、烧结、倒角、封端、烧银及电镀等技术。1.2本文的研究背景和意义LTCC技术最早是由美国开始研究，初期应用于军用产品，后来欧洲厂商将其引入民用设备市场，而后再由日本厂商将其应用于通讯设备产品中。经过20多年的发展，国外的LTCC技术已经进入成熟期，LTCC材料在日本、美国等发达国家已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段。2南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论3国内LTCC产品的开发比国外发达国家落后至少五年，拥有自主知识产权的材料体系和器件很少。国内目前LTCC陶瓷材料主要有两个来源：一是购买国外陶瓷生带；二是LTCC生产厂从陶瓷材料到生带自主研发。随着未来LTCC制品市场中运用LTCC制作的组件数目逐渐被LTCC模块与基板所取代，终端产品产能过剩，价格和成本竞争日趋激烈，国产化的无源元器件必将占领市场份额，这也为国内LTCC产品的发展提供了良好的市场契机。中国在LTCC市场占据一定份额的是叠层式电感器和电容器生瓷带。目前，清华大学材料系、上海硅酸研究所等单位正在实验室开发用LTCC陶瓷粉料，但还尚未到批量生产的程度。我国的LTCC研究尚处在起步阶段，国内的一些研究机构己开展了该技术的研究工作，主要集中在工艺、材料、检测技术的探讨与研究上。近年来，中国电子科技集团14所、55所、东南大学、电子科技大学等单位，已经开展了LTCC技术在微波电路中理论和应用的研究，中国国防科技集团第二一四所、南玻集团、浙江正原股份公司等单位则致力于先进工艺线的引进和一些民用产品的开发研究[6-8]。在LTCC滤波器的研究中前人已经做了大量的工作，比如LapKunYoung、Ke-LiWu的论文中给出了LTCC一种典型的滤波器结构，给出了两个传输零点的设计思路[9]；Y.L.Qin等人的论文中对传统的电路模型理论做出了改进[10]；JianhuaDeng等人的论文中设计出一个插入损耗1.2dB的带通滤波器[11]；MarkkuLahti等人的论文中实现了一个中心频率为1.8GHz，带宽为10MHz的带通滤波器[12]。国内的设计技术方面，香港中文大学的吴克利等人在无源集成方面进行了大量有效的工作并于2003年提出了2.5GHz的LTCC二阶带通滤波器等设计；我国台湾的国立中山