LTCC帶通濾波器中心頻率偏移的優(yōu)化

王 亮，陳曉勇，錢 超，賈少雄，李 俊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

1 引言

LTCC技術(shù)是一種先進(jìn)的微組裝技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)小型化、多功能化、高可靠性、高集成度的解決方案之一，在電子對(duì)抗、機(jī)載雷達(dá)、汽車電子、手機(jī)通訊等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1,2]。

LTCC帶通濾波器是基于LTCC技術(shù)開發(fā)的LC疊層式濾波器，采用LTCC技術(shù)將平面的線路布局改為三維立體的線路布局，實(shí)現(xiàn)濾波器尺寸的小型化[3,4]。典型的LTCC濾波器加工工藝流程如圖1所示。

圖1 典型LTCC濾波器加工流程圖

制備某型號(hào)中心頻率為1000 MHz±5 MHz、帶寬為240 MHz的LTCC帶通濾波器，采用現(xiàn)有LTCC工藝進(jìn)行加工，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)該批濾波器樣品的中心頻率與設(shè)計(jì)值偏移了約50 MHz，如圖2、圖3所示。本文針對(duì)這一問(wèn)題展開研究，分析影響濾波器中心頻率偏離的因素，找出其中的關(guān)鍵因素，然后針對(duì)該因素進(jìn)行解決。

圖2 優(yōu)化前濾波器測(cè)試結(jié)果

圖3 設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

2 中心頻率偏移分析思路

本文的分析思路是測(cè)試可能導(dǎo)致濾波器樣品中心頻率偏移的各工藝指標(biāo)，提取出各工藝指標(biāo)的實(shí)際參數(shù)，然后在HFSS仿真軟件中進(jìn)一步分析這些參數(shù)對(duì)該濾波器模型中心頻率的影響，最終確認(rèn)導(dǎo)致中心頻率偏移的關(guān)鍵因素。

3 LTCC帶通濾波器參數(shù)提取及仿真分析

3.1 LTCC帶通濾波器參數(shù)提取

使用ADT公司的ADT7100砂輪切割機(jī)對(duì)濾波器樣品進(jìn)行剖切，使用三豐公司的QV-X302P1L-C型影像測(cè)量?jī)x測(cè)試濾波器樣品的線寬精度以及層間對(duì)位精度，使用Cyber公司的Cyberscan型激光測(cè)厚儀測(cè)試濾波器的介質(zhì)層厚度，使用安捷倫公司的N9030B型頻譜儀測(cè)試濾波器樣品的微波特性。

3.1.1 電感線寬參數(shù)提取

對(duì)8組濾波器樣品第10層電感的線寬進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 濾波器電感線寬測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)電感線寬的平均值為120μm，比濾波器模型的電感線寬小了20 μm。

3.1.2 介質(zhì)層厚度參數(shù)提取

對(duì)8組濾波器樣品第17層的介質(zhì)層厚度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 濾波器介質(zhì)層厚度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)介質(zhì)層厚度的平均值為35μm，比模型的介質(zhì)層厚度小了4 μm。

3.1.3 層間對(duì)位精度參數(shù)提取

測(cè)試8組濾波器樣品第10層圖形與第13層圖形的對(duì)位精度，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 濾波器層間對(duì)位精度

由表3可以發(fā)現(xiàn)層間對(duì)位平均偏差為22 μm。

3.2 LTCC帶通濾波器的再仿真

3.2.1 電感線寬再仿真

在HFSS仿真軟件中濾波器模型的第10層電感線寬改為120 μm，仿真結(jié)果如圖4所示，由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)電感線寬改到120 μm后，中心頻率往低頻方向偏移了50 MHz左右，表明電感線寬偏差20 μm是導(dǎo)致濾波器中心頻率偏移的關(guān)鍵因素。

3.2.2 介質(zhì)層厚度再仿真

在HFSS仿真軟件將仿真模型進(jìn)行了修改，將仿真模型第17層的介質(zhì)厚度由39 μm改到35 μm，仿真結(jié)果如圖5所示，分析仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)電感線寬改到35 μm后，中心頻率幾乎沒(méi)有偏移，表明介質(zhì)厚度偏差4μm不是導(dǎo)致濾波器中心頻率偏移的關(guān)鍵因素。

圖4 電感線寬改為120 μm后的仿真結(jié)果

圖5 介質(zhì)層厚度改為35 μm后的仿真結(jié)果

3.2.3 層間對(duì)位精度再仿真

在HFSS仿真軟件中將仿真模型進(jìn)行了修改，將仿真模型中第10層和第13層圖形對(duì)位偏差改到22μm，仿真結(jié)果如圖6所示，分析仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)疊片對(duì)位偏差改到22 μm后，中心頻率幾乎沒(méi)有偏移，表明層間對(duì)位偏差22 μm也不是導(dǎo)致濾波器中心頻率偏移的因素。

圖6 層間對(duì)位偏差改為22 μm后的仿真結(jié)果

4 LTCC帶通濾波器中心頻率偏移的糾偏

4.1 LTCC帶通濾波器工藝尺寸的糾偏

通過(guò)前面的分析可以發(fā)現(xiàn)電感線寬偏移20μm是導(dǎo)致濾波器中心頻率偏移的主要因素，為此針對(duì)電感線寬進(jìn)行糾偏。根據(jù)LTCC工藝流程推測(cè)導(dǎo)致電感線寬偏移的工序可能為印刷或燒結(jié)工序，下面進(jìn)行測(cè)試確認(rèn)。

考慮到燒結(jié)后電感線寬會(huì)收縮，設(shè)計(jì)網(wǎng)版時(shí)根據(jù)Dupont951材料的收縮率12.7%，將電感線寬由140μm調(diào)整到160 μm。測(cè)試印刷后干膜的電感線寬，測(cè)試結(jié)果如表4所示，可以發(fā)現(xiàn)印刷干膜的電感線寬和設(shè)計(jì)值十分接近，偏差在±2 μm以內(nèi)。這表明印刷工序不是導(dǎo)致電感線寬偏移的主要因素。

表4 印刷電感線寬精度對(duì)比

對(duì)比電感印刷線寬和剖切樣品的線寬，可以計(jì)算出電感線寬實(shí)際的燒結(jié)收縮率為25%，與理論收縮率偏差較大，這表明電感線寬實(shí)際收縮率與理論收縮率的偏差是導(dǎo)致濾波器樣品電感線寬偏移的主要因素。根據(jù)實(shí)際收縮率重新設(shè)計(jì)網(wǎng)版，將電感線寬調(diào)整到186μm，按照LTCC濾波器的加工工藝重新加工濾波器。

4.2 優(yōu)化后線寬尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的對(duì)比

測(cè)試優(yōu)化后的濾波器電感線寬，測(cè)試結(jié)果如表5所示，可以發(fā)現(xiàn)按實(shí)際收縮率重新設(shè)計(jì)網(wǎng)版后制作的濾波器樣品電感線寬與設(shè)計(jì)值的偏差可以優(yōu)化到5μm以內(nèi)。

表5 優(yōu)化后濾波器線寬對(duì)比結(jié)果

4.3 LTCC帶通濾波器優(yōu)化后結(jié)果

對(duì)進(jìn)行工藝優(yōu)化后的濾波器樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，中心頻率滿足設(shè)計(jì)容差±5 MHz的要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖7 優(yōu)化后濾波器測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)LTCC帶通濾波器產(chǎn)品中心頻率偏移的問(wèn)題展開研究。通過(guò)測(cè)試和分析確定電感線寬偏移20 μm是導(dǎo)致濾波器中心頻率偏移的主要因素，通過(guò)改進(jìn)工藝對(duì)電感線寬進(jìn)行糾偏，最終使濾波器中心頻率偏移優(yōu)化到±5 MHz以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。這一研究也表明要獲得高性能的LTCC濾波器必須建立正確的工藝流程方案，保證產(chǎn)品工藝指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)一致。

[1]陳驍勇，王亮，王穎麟，賈少雄，李俊.LTCC電路基板金層表面斑點(diǎn)問(wèn)題研究[J].電子與封裝,2017,17(3):1-4.

[2]董兆文，李建輝，沐方清.LTCC微波一體化封裝[J].電子與封裝,2010,10(5):1-6.

[3]張偉，秦超，賈少雄.帶通濾波器LTCC工藝優(yōu)化研究[J].電子與封裝,2017,17(3)：5-9.

[4]Zhenhai Shao,Masayuki Fujise.60 GHz Narrow Band pass Filter Based on Circle Patch and LTCC[C].IEEE 6thInternational Conference on ITS Telecommunications Proceedings,2006:1173-1174.