基于LTCC技術(shù)的無源器件設(shè)計(jì)方法

秦 舒

（華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)研發(fā)中心有限公司，江蘇 無錫 214135）

1 引言

在無線通信領(lǐng)域迅猛發(fā)展的時(shí)代，電子整機(jī)正在朝著低成本、小型化、高集成度、低功耗、高可靠性的方向發(fā)展。為了適應(yīng)這一發(fā)展，以多芯片組件（Multi-Chip Module，MCM）為代表的微組裝技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[1]。

LTCC技術(shù)作為多芯片組件（MCM）技術(shù)中的一種，利用新型的陶瓷多層基板技術(shù)來開發(fā)射頻模塊中的無源器件，是目前設(shè)計(jì)無源器件的主流技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的印制板電路而言，利用LTCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能電路模塊（包括組件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)等）具有小型化、高性能、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)基于LTCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的射頻微波模塊可以取代通信、雷達(dá)和軍用武器系統(tǒng)等領(lǐng)域中的各種常規(guī)形式的微波電路。作為無線通信產(chǎn)品射頻前端必不可少的無源器件，隨著產(chǎn)品市場(chǎng)的不斷增長，其用量也越來越大。一般的電子系統(tǒng)所用的有源器件與無源器件相比，典型的比例為1：10；而在某些無線通信系統(tǒng)中，其比例可為l：50，特別是手機(jī)、藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)等模塊中，無源器件所占的比例更大。由此可見研究如何利用LTCC技術(shù)開發(fā)高性能的小型化無源器件對(duì)于無線通信產(chǎn)品的發(fā)展是有實(shí)際意義的。

目前，人們對(duì)射頻電路模塊性能的要求越來越高，隨著無線通信領(lǐng)域的飛速發(fā)展，低成本、小型化、高集成度、低功耗、高可靠性已成為模塊發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用LTCC技術(shù)開發(fā)的無源器件具有很好的高頻特性，同時(shí)可以滿足低成本、高性能、小體積的設(shè)計(jì)要求，并且可以縮短整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)周期。巴倫、濾波器等無源器件作為射頻及微波電路的重要組成部分，在軍用和民用無線通信設(shè)備中都有廣泛需求。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的大多數(shù)巴倫、濾波器等無源器件都是設(shè)計(jì)在PCB基板上的，這使得器件在小型化和集成度方面得不到改善，如何利用LTCC技術(shù)來開發(fā)高性能無源器件，滿足無線通信發(fā)展的需求，研究意義重大，本文的工作將在這個(gè)前提下展開討論。

2 技術(shù)概述

隨著藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)等無線通信技術(shù)的廣泛使用，高密度、小尺寸及具有良好高頻電路性能的產(chǎn)品成為通信產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)。低溫共燒陶瓷即LTCC技術(shù)是多芯片組件（Multi-chip Module，MCM）技術(shù)中的一種，相對(duì)于高溫共燒陶瓷（HTCC）技術(shù)而言，LTCC技術(shù)工藝燒結(jié)熱匹配性較好，與傳統(tǒng)的PCB工藝相比，LTCC技術(shù)能充分利用三維空間發(fā)展多層基板技術(shù)，其產(chǎn)品在封裝和小型化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外LTCC技術(shù)還具有損耗小、高頻性能穩(wěn)定、溫度特性良好等特點(diǎn)。利用LTCC技術(shù)的種種優(yōu)勢(shì)，可以開發(fā)出體積小、重量輕、高性能、高穩(wěn)定性、低成本的電子產(chǎn)品，滿足新一代電子設(shè)備的要求，因此LTCC技術(shù)已在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品、汽車電子等。

2.1 低溫共燒陶瓷技術(shù)的概念

低溫共燒陶瓷是Low Temperature Co-fired Ceramic的意譯，英文縮寫是LTCC。 LTCC技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)的陶瓷粉制成厚度精確并且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等一系列工藝生成所需的電路圖形，期間將多個(gè)無源元件埋入其中，然后將這些含有通孔的生帶疊壓在一起，經(jīng)過800～900 ℃的燒結(jié)，制成立體多層無源集成組件，也可制成內(nèi)置無源的三維電路基板，在其表面還可貼裝有源器件及IC組件，形成高密度組裝的功能電路模塊。圖1為應(yīng)用LTCC技術(shù)開發(fā)的典型模塊。

圖1 應(yīng)用 LTCC技術(shù)開發(fā)的典型模塊

2.2 低溫共燒陶瓷技術(shù)的特點(diǎn)

按基板材料與基板工藝來分，LTCC技術(shù)和HTCC技術(shù)都屬于MCM技術(shù)中的陶瓷厚膜型組裝技術(shù)即MCM-C，實(shí)現(xiàn)電路的高密度組裝是MCM技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。這種技術(shù)之所以在目前迅速發(fā)展，有以下主要原因：

第一，MCM技術(shù)有利于提高電子產(chǎn)品的可靠性。封裝和電路板互連引起的問題主要導(dǎo)致了電子產(chǎn)品的失效。由于MCM技術(shù)集無源元件（如電容、電阻等）于一體，避免了元件級(jí)的組裝，而且使系統(tǒng)級(jí)的組裝層次得以簡(jiǎn)化，組裝層次越少，產(chǎn)品的可靠性就越高，從而大大降低了產(chǎn)品的成本，提高了電子整機(jī)的可靠性。

第二，MCM技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)電子組裝的高密度化和小型化。由于MCM技術(shù)是將多個(gè)IC裸芯片高密度地安裝在同一多層布線基板上，這樣便使單個(gè)IC芯片的封裝得以省去，從而可以減小組裝電路的體積、減少焊點(diǎn)數(shù)量和端口數(shù)等。這樣便簡(jiǎn)化了制造工藝，而且節(jié)約了原材料，還極大地縮小了電路體積和重量。

第三，MCM技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)組件或系統(tǒng)的高性能和高速化。因?yàn)镸CM技術(shù)是將高密度的互連布線基板和裸芯片進(jìn)行組裝，這樣可以極大地縮短芯片間距，使連線電感值降低，因而可以在提高組裝密度的同時(shí)，明顯減小信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間，提高信號(hào)傳輸?shù)乃俣取?/p>

第四，MCM技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)高散熱的封裝。由于MCM技術(shù)可以使單塊IC芯片封裝帶來的一系列問題（如熱阻、引線及焊接等問題）得以避免，所以這種技術(shù)可以提高產(chǎn)品的可靠性，而且可以實(shí)現(xiàn)高效率的散熱封裝設(shè)計(jì)。

與HTCC技術(shù)相比，LTCC技術(shù)在一些方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。較之HTCC技術(shù)而言，LTCC的導(dǎo)體金屬與陶瓷材料的熱匹配性要好，易于多層布線。LTCC共燒時(shí)的溫度為800～900 ℃左右，其單層生瓷片主要由三氧化二鋁( Al2O3)和玻璃相構(gòu)成，導(dǎo)體可使用如Ag、Au、Cu等高導(dǎo)電率的金屬(由于使用這些金屬配制的電子漿料中也含有玻璃相，印刷在陶瓷基片后燒結(jié)溫度同樣為800～900 ℃，即可形成共燒)；而HTCC的生瓷片主要是三氧化二鋁(Al2O3)，但是沒有加入玻璃相，并且燒結(jié)溫度較高（一般為1630 ℃），只能使用一些耐高溫的金屬，如Mo、Mn、電鍍Ni、Au等，燒結(jié)熱匹配性比較差，工藝也比較復(fù)雜，不易于封裝焊接。

與傳統(tǒng)的PCB板相比，基于LTCC技術(shù)的多層無源集成器件和模塊具有許多優(yōu)勢(shì)。第一，LTCC技術(shù)可適應(yīng)大電流及耐高溫的需求，并且具有比普通PCB電路基板更為優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性；第二，LTCC技術(shù)使用電導(dǎo)率高的金屬導(dǎo)體材料，如Ag、Au、Cu，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因子；第三，LTCC陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻性能和高Q特性；第四，LTCC技術(shù)可將無源組件埋入多層基板中，有利于提高電路的組裝密度；第五，LTCC技術(shù)具有較小的膨脹系數(shù)、較小的介電常數(shù)[14]和溫度系數(shù)，可以制作層數(shù)極高的電路基板，而且LTCC基板的集成密度高、RF性能好、成本低、生產(chǎn)周期快、批量大、產(chǎn)品生命周期短、生產(chǎn)靈活、自動(dòng)化程度高。正因?yàn)長TCC技術(shù)具有如此眾多的優(yōu)點(diǎn)，所以它正逐漸取代傳統(tǒng)的PCB板。

LTCC技術(shù)與其他技術(shù)相比，主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下：

（1）可以充分利用三維空間，開發(fā)制作層數(shù)很高的電路基板，能將多個(gè)無源元件埋入其中，有利于提高電路的組裝密度，可表貼有源芯片實(shí)現(xiàn)模塊的多功能化。

（2）能夠滿足大電流及耐高溫等特性的要求，比傳統(tǒng)的PCB電路基板具有更為突出的抗大電流能力和良好的熱傳導(dǎo)特性。

（3）LTCC技術(shù)所采用的陶瓷基板材料具有優(yōu)良的高頻特性和高Q特性，使用頻率高，可達(dá)幾十GHz。

（4）可以使用電導(dǎo)率高的金屬材料作為導(dǎo)體，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因子，這樣的電路高頻性能好、響應(yīng)速度快，極其適應(yīng)于高頻通信組件。

（5）溫度特性良好，有較小的熱膨脹系數(shù)和較小的共振頻率溫度系數(shù)。

（6）基板間多層互連，提高了模塊可靠性，減少了體積，使生產(chǎn)效率得以提高，適合批量生產(chǎn)。

（7）集成能力強(qiáng)，集成的元件種類多且范圍大，除電感、電容、電阻外，還可以集成一些敏感元件、電路保護(hù)元件、抗電磁干擾的抑制元件等。

（8）制作工藝只需一次燒結(jié)，且印制的精度高，多層基板的生瓷帶還可以進(jìn)行逐步的檢查，這樣有利于降低成本、提高生產(chǎn)效率，還可以同時(shí)避免因多次高溫?zé)Y(jié)及制造過程中的一些錯(cuò)誤而使得產(chǎn)品性能降低與廢品率提高的問題。

作為無源集成技術(shù)的主流，基于LTCC技術(shù)開發(fā)的電路在提高電路高頻特性、縮小電路模塊體積、降低器件損耗方面有著突出的優(yōu)勢(shì)。LTCC的多層布線基板技術(shù)，使其可以與MMIC芯片直接組裝；多層基板中可以埋置大量無源元件，并通過通孔互連，使芯片間距離減小，從而大大提高了組裝密度，改善了頻率特性和傳輸速度。正因?yàn)長TCC技術(shù)出眾的優(yōu)點(diǎn)，使其得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

3 低溫共燒陶瓷無源器件設(shè)計(jì)方法

基于LTCC技術(shù)開發(fā)的微波無源器件如濾波器、定向耦合器、巴倫、功分器、電容、電感在射頻前端應(yīng)用廣泛并且發(fā)展迅速。為了滿足無線通信高速發(fā)展的需求，器件的性能指標(biāo)將被定義得越來越高，因此LTCC微波無源器件在設(shè)計(jì)方面將面臨許多的挑戰(zhàn)。由于LTCC微波無源器件通常內(nèi)含多個(gè)等效分立元件，如電感和電容，所以其內(nèi)部的電磁耦合效應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，通過傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，這樣的設(shè)計(jì)變得越來越困難；而且由于電路層數(shù)越來越多，多層電路之間的電磁耦合效應(yīng)會(huì)隨之加大，用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)更是困難重重。

隨著EDA軟件工具的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)所扮演的角色越來越重要，已成為設(shè)計(jì)高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)無源器件的必然趨勢(shì)和主流方式。以下簡(jiǎn)要介紹利用仿真軟件工具來設(shè)計(jì)LTCC無源器件的具體方法。

3.1 定義指標(biāo)

一個(gè)射頻前端中含有不同功能的電路模塊，每個(gè)模塊具有不同的指標(biāo)。比如巴倫的指標(biāo)包括它的中心頻點(diǎn)回波損耗、工作帶寬、輸出信號(hào)幅值差、相位差等；而濾波器的指標(biāo)包括它的工作頻率、工作帶寬、回波損耗和插入損耗、駐波比等。確定電路的指標(biāo)關(guān)系到后續(xù)電路設(shè)計(jì)方案的確定，對(duì)下面的工作具有指導(dǎo)意義。

3.2 原理電路和元件參數(shù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)定義的指標(biāo)確立等效電路。等效電路的設(shè)計(jì)在高頻電路的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要，由于LTCC相鄰層之間、元件之間等存在耦合因素的影響，雖然可以找到能滿足指標(biāo)的原理電路，但是通過LTCC技術(shù)構(gòu)建實(shí)際的物理模型后，其測(cè)試結(jié)果可能會(huì)有些偏差。這時(shí)需要著重考慮通過元件參數(shù)值的調(diào)諧來滿足原理電路可行的問題，因?yàn)槊總€(gè)元件的參數(shù)是電路指標(biāo)與物理電路間的橋梁。在原理電路的設(shè)計(jì)過程中既要考慮設(shè)計(jì)的電路是否滿足性能指標(biāo)，又要考慮后面的物理電路是否可以實(shí)現(xiàn)。

3.3 三維模型的建立和仿真優(yōu)化

首先對(duì)電路中高頻元件進(jìn)行建模，分析不同傳輸線或R、L、C的結(jié)構(gòu)和等效電路。由于射頻電路中元件會(huì)受到寄生效應(yīng)的影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)將不得不考慮元件值的變化。對(duì)建立好的三維物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行全波電磁場(chǎng)仿真分析，不斷地優(yōu)化各個(gè)元件的尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來達(dá)到預(yù)定的性能要求。但實(shí)際的模型結(jié)構(gòu)中，每個(gè)元件都會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，當(dāng)這些元件組合在一起時(shí)，元件之間就存在各種難以預(yù)料的寄生耦合，從而對(duì)電路的性能產(chǎn)生很大的影響。這時(shí)需要重新考慮各個(gè)元件的結(jié)構(gòu)并調(diào)整它們的位置布局，以減小或盡量消除元件間的寄生參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)電路指標(biāo)。

3.4 模型的加工和測(cè)試

當(dāng)三維模型的仿真結(jié)果滿足指標(biāo)要求后，接下來的工作是對(duì)模型物理結(jié)構(gòu)的版圖進(jìn)行提取，在布版完成后便可加工流片。在對(duì)加工出來的產(chǎn)品測(cè)試后，將測(cè)試的結(jié)果與仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如果測(cè)試與仿真結(jié)果存在較大的差異，需查找原因，做出調(diào)整，直到測(cè)試和仿真結(jié)果達(dá)到要求為止。導(dǎo)致差異的原因可能是由于設(shè)計(jì)的三維電路的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問題，這時(shí)需要回到第三步，調(diào)整模型三維物理結(jié)構(gòu)中元件的參數(shù)和尺寸；也可能是由于制造過程中的一些因素造成的。如果測(cè)試與仿真結(jié)果相關(guān)吻合性良好，則設(shè)計(jì)成功。

利用電磁仿真軟件對(duì)無源器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。特別是在對(duì)微波無源器件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，使原本復(fù)雜、繁瑣的工作變得快速、方便?，F(xiàn)在國外有多款適合于開發(fā)微波射頻器件與系統(tǒng)的EDA軟件，如ADS、Ansoft Designer、Ansoft HFSS、Ansoft Serenade、Microwave office、CST、Sonnet 等設(shè)計(jì)軟件。微波射頻軟件都是基于麥克斯韋方程利用不同的數(shù)值方法來對(duì)實(shí)際的物理電路進(jìn)行模擬仿真的，不同的軟件運(yùn)用不同的算法進(jìn)行仿真計(jì)算。其中，ADS、Ansoft Designer、Microwave Office、Zeland IE3D、Ansoft Esemble、Super NEC和FEKO使用矩量法（MoM），Ansoft HFSS和ANSYS使用有限元法（FEM），EMPIRE和XFDTD使用時(shí)域有限差分法（FDTD），CST Microwave Studio和CST Mafia使用有限積分法（FIT）。

4 結(jié)論及展望

LTCC材料具有成本低和易于集成、布線線寬和線間距性價(jià)比高、設(shè)計(jì)多樣、靈活及優(yōu)良的高頻微波性能等優(yōu)點(diǎn)，近年來的發(fā)展令人矚目。它是新型EMI/EMC(抗電磁干擾)元件的主流制造技術(shù)，是電子元件復(fù)合化、集成化和模塊化的首選技術(shù)，是設(shè)計(jì)和制造射頻微波集成元件、模塊和實(shí)現(xiàn)SIP高密度集成子系統(tǒng)或系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為無源元件領(lǐng)域的重要發(fā)展方向和元件產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。我國LTCC產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)比國外發(fā)達(dá)國家至少落后5～10年，特別在LTCC材料及其配套漿料方面差距更大。加速發(fā)展我國LTCC技術(shù)將對(duì)我國的電子工業(yè)具有重要意義。