基于ltcc技术滤波器的优化设计毕业论文(编辑修改稿)

基于ltcc技术滤波器的优化设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

抑制器等 [12]。 电子科技大学硕士学位论文 4  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 [1314]。 我们将对这些 LTCC 产品的发展状况加以介绍：  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，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。  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ε r=， 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 mm179。 mm179。 mm，驻波比小于 2，相对带宽达到 33%，天线增益为 ，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 ε r =23， Q178。 f=15000GHz及ε r= 材料设计成 mm179。 mm179。 mm， mm179。 mm179。 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频模块的 LDAGZ 型叠层天线，工作 频 带 ～ ，尺寸为179。 179。 ，在水平 360 方位内天线增益 3dBi，在垂直平面为 3～20dBi，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λ /4(以中心频率 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第一章 绪论 5 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 179。 179。 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 ～ ，外形尺寸 179。 179。 的高通滤波器 ； 中心频率覆盖 ～ ，外形尺寸 179。 179。 、 179。 179。 、 179。 179。 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λ /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 50Ω，在工作频率范围内，插入损耗小于 ，回波损耗小于 ，振幅平衡度小于 ，相平衡度小于 度 ，可应用于 WLAN、 Bluetooth 等通信设备 .  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 179。 179。 ， 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。 LTCC 技术面临问题及未来展望 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。 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 系电子科技大学硕士学位论文 6 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 ： 结致密化完成温度不一致 ； ； 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。 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 (2～6W/mK)，远低于 AIN 基 片的导热率 (≥ 100w/mK)，比 A12O3 基片的导热率 (15～25W/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。 LTCC 技术未来展望 目前， 尽管 LTCC 技术为多层线路设计带来了巨大的灵活性，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 ： 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。 第一章 绪论 7  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 ~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，用以连接被安装的芯片。 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 20xx 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。 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。 电子科技大学硕士学位论文 8 第二章 LTCC 技术 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 (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，Electroscience Laboratories， Swedish Ceramic Institute， 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21,22 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 9 表 21 几种常用 LTCC 生瓷带介质材料特性 性 质 DP951 DP943 FerroA6S HeraeusCT20xx 厚 度 951 C2 50um 951PT 14um 951P2 65um 951PX 254um 943C2 50um 943P5 127um 943PX 254um 烧结收缩率 （ X,Y） 177。 % 177。 % 177。 % 177。 % 烧结收缩率 （ Z） 15177。 % 177。 % 25177。 % 14177。 % 介电常数 (10MHz) (15GHz) (10MHz) (10MHz) 介质损耗 (10MHz) (10MHz) (10MHz) (10MHz) 绝缘电阻 1012Ω (100V DC) 1012Ω (100V DC) 1014Ω (100V DC) 1013Ω (100V DC) 击穿电压 1000 V/25um 1000 V/25um 1000 V/25um 1000。