LTCC低通滤波器的设计与研究 毕业设计.doc
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1、 毕 业 设 计(论文)学生姓名: _ 学 号:_ 学 院:_河北科技大学_ 专 业:_通信工程_ 题 目:_LTCC低通滤波器的设计与研究 指导教师:_王静_ 评阅教师:_ 2015 年 5 月 毕业设计说明书中文摘要随着移动通信技术的迅速发展和广泛使用,研制高性能、小型化和轻量化的微波滤波器逐渐成为了一项紧迫的技术课题和市场需求,这使得以PCB板技术为基础的传统射频滤波器结构和设计方法面临着严峻的挑战。为了减小滤波器的体积尺寸,适应现今的射频集成电路及系统封装方面的要求,基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的滤波器设计技术得到了越来越广泛的应用。LTCC技术在微波滤波器设计中的应用,加速了滤波
2、器由平面电路向多层电路方向发展,这一技术的应用极大地减小了器件体积。丝网印刷工艺主要参数的研究分析对提高丝网印刷品的精度和质量有着非常重要的作用,对实现丝网印刷工艺参数的规范化和数据化管理有着重要意义。影响丝网印刷精度的因素比较多,本文主要就影响精细丝网印刷的因素进行了分析。丝网印刷在电子工业领域有着广泛的应用。在印制电路板上的应用尤为突出,从印制电路板的位置精度和尺寸精度两方面深入探讨精细丝网印刷工艺主要参数间相互的内在联系,把流体力学中的润滑理论引入印刷过程,建立了一个综合印刷过程中各因素动态数学模型,为实现工艺参数的规范化和数据化,提供理论依据。关键词 低温共烧陶瓷 LTCC 微波滤波器
3、 低通滤波器 目 录1 绪论12 LTCC技术22.1 LTCC技术简介22.2 LTCC的独特性32.3 LTCC技术的应用42.4 LTCC的发展前景52.5 LTCC 工艺流程63 微波滤波器原理93.1 滤波器简介93.2 滤波器分类93.3 LTCC微波滤波器发展现状103.4 微波滤波器设计104 LTCC 微波低通滤波器的设计134.1 LTCC 低通滤波器设计步骤134.2 电路设计与仿真154.3 滤波器各单元尺寸的确定和模型的建立164.4 滤波器的测试结果18结 论19致 谢20参考文献21 第 22 页 共 26 页1 绪论随着无线通信技术的加速发展, 无线产品在体积日
4、益变小的同时,且成本日益降低,而其所具有的性能却越来越高,这是通过产品高集成度来实现的。根据摩尔定律:IC上可容纳的晶体管的数量,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将会提升一倍之多l。但有源器件/芯片由于受到半导体自身物理条件极限的约束,很大程度上不能真正满足摩尔定律,所以无源集成技术当之无愧的成为作为电子行业目前关注的焦点2。其发展趋势由传统的分立式、表面贴装式转化为现在的集成式模块化。随着电子产品的小型化和高性能要求越来越高,对微波器件的集成度和性能提出了更高的要求,作为微波系统的重要组成部分的滤波器的小型化也是迫在眉睫。微波滤波器作为常用滤波器的一种其性能的好坏关系到整个通信系统的质量,
5、作为微波射频电路中的重要元件在无线通信领域有着重要的作用。这就意味着研制出具有体积小、可靠性高、高性能、延时小、低成本等微波滤波器具有重要的意义。新型的低温共烧陶瓷 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术是无源器件的三维集成有源器件和无源混合集成技术组装,它的出现无疑是给无源器件发展中遇到的瓶颈问题带来了解决方案。这一技术最早出现在二十世纪的80年代,于90年代在欧美国家得到迅猛发展。这其中,由数美国和日本在该方面的投入较大切取得了一定的成就,它诞生于二十世纪80年代,并于90年代在欧美等发达国家得到迅猛发展,尤其是美国和日本在该技术方面进行了大量的投
6、入,当前已取得很大发展,这一技术在无源元件埋置方面作用巨大,在提高电路的组装密度和系统的可靠性方面有着重要的作用,非常有利于小型化系统的建立3。随着近代通信技术的快速发展,频谱应用资源日益紧张,日益紧张的频谱资源和其所具有的不可再生性使得滤波器在现代通信领域中的角色显得日益关键。因此, LTCC 滤波器的研究是极具必要性和迫切性的。LTCC 滤波器是微波滤波器和LTCC工艺技术完美结合的一种新型滤波器。LTCC低通滤波器主要是起到对高频信号的滤除而保留低频信号。低通滤波器已被广泛应用到各种类型的通信系统,诸如个人无线通信,汽车电子,卫星导航,弹道指导等,它是现代射频系统中不可缺少的元器件,其性
7、能的好坏对整个通信系统的质量有着重要的影响。2 LTCC技术2.1 LTCC技术简介LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics,低温共烧陶瓷)技术是由美国休斯公司于1982年研发的新型无线电组装技术4,包含着电路设计、材料科学、微波技术等学科领域。是一种多层陶瓷工艺,是国内外广泛用于制造射频无源元件的三维立体集成技术,除此之外其还是在进一步整合与精简射频电路和系统达到缩小体积的目的时所采用的一种封装技术,这种封装技术可提供一个三维的立体集成平台为无源和有缘器件。源语言: 英语帮助我们改进 Google 翻译LTCC厚膜材料,根据预先设计的图形布局和堆叠顺序,将
8、金属电极材料和陶瓷基板材料一次性共烧结,得到无源元件和模块组装,需要高度集成无源元件,减少的数量表面安装元件,提高布线密度,降低了引线用焊料连接的数量,提高了电路的可靠性。 LTCC技术在元件小型化、高性能和高品质生产上具有显著的优点。LTCC低温共烧陶瓷技术是将配已制好的低温烧结陶瓷粉通过流延工艺制成厚度精确且质地致密的生瓷带,然后以填充孔,孔平,精密印刷线,实时监控过程的关键线,需精密电路图案的系统,以及多个嵌在其中的无源元件,层叠在一起并烧结在约850,制成三维无源集成电路网络组件,或者它可以被制作成内置到在其表面上的三维电路板的无源元件和有源器件从而制成无源/有源集成功能模块。图1是一
9、个典型的LTCC模块的示意图:图2.1 LTCC模块示意图2.2 LTCC的独特性LTCC 技术结合了厚膜技术和共烧技术的优点,将印刷有金属导线的多层生瓷片叠片层压后共烧,所有电路一次性共烧结,在重复烧结过程中,既节省了各工序工作时间,又降低了制作成本,而且即使发现某层损坏或不符合设计要求时也可在烧结前替换,操作方便灵活2-4。厚膜多层(Thick Film Multilayer)技术需求单层布线、分层烧结,因此该过程操作复杂、费用昂贵。LTCC具有最大限度的密度增加和互连布线长度尽可能短的优点,实现了小型化,高密度电路理想基片布线,它提供了比传统厚膜、薄膜混合集成技术更灵活的设计方式5 。在
10、使用带状线的LTCC多层电路结构,接地屏蔽和等效腔体结构改善系统中接收和发射通道之间的隔离状况以及各器件之间的电磁影响,并提高整体系统的性能之间的电磁效应。 LTCC技术可以实现每层电路的单独设计以减少修复过程从而避免高成本,常用的管脚阵列、球阵列和镶嵌式扁平集成电路借助LTCC技术能很方便的得以实现,而且可以将空腔、阶梯、厚膜印刷电阻、电容、电感等都集成到多层基板中。LTCC技术集成了数字、模拟、射频、微波及内埋置无源元件等多种电路技术,其可将多种电路封装在统一结构中。在装配过程中大大降低了复杂程度,减少了接入损耗的同时大大缩减了封装后的重量,所有的这些特性使得LTCC材料在军用和民用中的电
11、子制造系统中最理想的材料。此外,LTCC技术在很多方面与传统的集成电路技术相比较有着明显的优势,可归纳总结如下5,6:(1) 不同的材料配比,可混合出多种介电常数的LTCC材料,使得电路设计具有一定的灵活性。(2) 可以生产多层基板,并可以嵌入无源元件在多层基板,有利于提高该电路的填充密度,可以是表面贴装芯片模块活性多功能的。(3) 用优秀的高频技术LTCC基板的陶瓷材料具有高Q特性将可能实现高达几十GHz频段的设备。 (4) LTCC技术具有良好的热导率和温度特性,有较小的共振频率温度系和数较小的热膨胀系数。 LTCC基板材料的热导率是20倍之多有机层叠体,从而简化散热设计,将显著提高电路的
12、寿命和可靠性。(5) LTCC技术与传统的PCB电路相比能满足更大的电流需求,其抗电流能力更强。(6)高导电性的金属材料作为导体的这一应用,有利于提高电路系统,它有一个良好的,响应速度快的高频率特性,适合于高频通信。 (7) 在制作层数很多的电路基板的过程中,容易形成多种结构的空腔,起重可以埋置元器件,从而降低了封装组件消耗的成本,减少了导体的长度连接的芯片和接触点。 LTCC技术可以整合组件类型之多、参数范围之大,从电感、电容、电阻,对敏感元件、电磁干扰抑制器件、电路保护元件等集成在一起,制作完成之后可以直接作为 VLSI、LSI、IC 等的封装基板。 (8) 非连续生产工艺特点,便于基板烧
13、结完成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查,只需一次烧结即可,这有利于降低生产成本,提高生产效率。2.3 LTCC技术的应用LTCC技术由于良好的性能,已被广泛应用于许多领域,如航空,军事,无线通信,全球定位系统,无线局域网,汽车电子,医疗等。射频和微波的无线通信领域是LTCC组件的应用,包括以下几个方面6:(1) LTCC基本元器件:如LTCC电感、电阻、电容等,可实现在不同场合的单独使用和作为LTCC技术应用于电路基本元件。 (2) LTCC功能器件:正如广泛应用于无线通信领域的各种LTCC微波滤波器,定向耦合器,平衡 - 不平衡转换器,双工器,芯片天线。 (3) LTCC模块:LTCC技
14、术的特点将是利用集成到每个模块具有功能和独立的,有源和无源组件,例如,蓝牙模块,手机前端模块,天线开关模块,功率放大器模块,图像识别模块。现今低温共烧陶瓷技术(LTCC)已经取得了长足进步,目前来自美国、日本等著名的 DuPont、CTS、NS、Murata、EPCOS、TDK、AVX 等大公司开发的。 LTCC产品已进入了产业化阶段,目前其主要的产品包括无线局域网络、地面数字广播、全球定位系统接收器组件以及数字信号处理器等。目前中国大陆的LTCC射频元器件生产企业主要有顺络电子、磊德科片式、麦捷科技和嘉兴佳利等四家企业。图1.4所示的是日本京瓷公司所推出的被广泛应用于移动通信设备的射频模块和
15、EMI滤波器,他们的共同点是都采用了LTCC技术 7。图2.2 日本京瓷公司所推出的射频模块和 EMI 滤波器2.4 LTCC的发展前景LTCC技术具有成本低,易于集成、布线线宽和线间距设计灵活的高频特性等特点,其在最近几年更是有着显著的优点。LTCC技术不仅是新的EMI / EMC(电磁干扰)组件的主流制造技术。同时也是电子元件复合化、集成化和模块化的首选技术,还是设计与制造射频微波集成元件、模块及实现 SIP 高密度集成系统之关键技术,并且已经成为无源元件领域的重要发展方向和元器件产业新的经济增长点。LTCC技术的研究,因为大陆较晚介入,虽然在相关领域LTCC技术已取得了一定的成绩,与国外
16、和国内的技术有很大的差距,因此,现对LTCC相关技术展开广泛而深入的研究对国防和民用高科技领域来说有着非常重要现实意义。2.5 LTCC 工艺流程LTCC技术实现的工艺流程较为复杂,其制造工艺的趋势是小孔、细线和高密度。图1.1为LTCC主要的工艺流程8。 图2.3 LTCC工艺流程(1) 流延流延工艺包括配料、真空除气和流延三个过程。对流延出的生瓷膜片的要求是:致密,均匀的厚度(0.10.2mm左右),也有一定的强度,以确保其具有不小于11厘米且具有足够的强度宽度,关键铸造过程是在控制的机械设备,材料的配方和工艺参数。流延浆料的制备必须具有两个条件,一个是制备流延粘合剂时,及时添加润湿剂,以
17、改善粉末的分散性和浆料的流动性;另一个是在该混合浆料中添加除泡剂,搅拌以除去气泡。这样就能获得致密、均匀且韧性十足的流延膜带。目前大部分流延设备都是与MLC配套引进国内的,流延的厚度一般都保持在0.1mm以下。 (2) 切片陶瓷生带大多数是以卷轴形式供给,将整卷的生瓷带按固定尺寸进行切割并做好记录标识。切片时应该将其展开于洁净的不锈钢工作台面之上,可采用切割机、激光或冲床进行切割,如果采用激光切割,应注意控制激光的功率以免引起陶瓷生带的燃烧。 (3) 打孔主要用于打两个孔:一个是定位孔,所述定位孔合格与否直接影响了内部图案在印刷时的位置精度;另一类是连接孔,连接孔是在每单层瓷片上根据要求形成微
18、孔,其目的是为了连接不同层之间的电路的形式,其质量直接影响填充孔的质量,孔过大或太小可能会影响最终产品的电性能。通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量,通孔过大或过小都不易形成盲孔。陶瓷生带的打孔主要有 3 钟方法:钻孔、冲孔和激光打孔。钻孔的打孔速度为每秒 35 孔,精确为50um,最小的孔直径一般高于 0.25mm,在钻更小通孔时,钻头极易折损,钻孔成本昂贵;冲孔的速度大于钻孔的速度,可根据冲床的不同和所冲孔的复杂程度而有所变化,所冲出的孔径小于钻孔孔径并且精度很高,可谓是很好的打孔方法;激光法打孔精度和孔径都介于钻孔和冲孔之间,但其打孔速度为最高,且所打孔易于形成盲孔,故是最
19、理想的打孔方法。对于 LTCC 工艺而言,最好的通孔直径为 0.150.25mm。这都有利于提高布线密度和改善通孔金属化。假如通孔直径大于等于 0.3mm 或小于等于 0.15mm,金属化时会很难形成盲孔,从而在很大程度上降低了基板的成品率和可靠性。 (4) 填孔填孔是利用复合钢网通过刮刀挤压的方式将符合生瓷片材料特性的导体装料填充到连接微孔中,以达到连接上下层电路的目的。填孔是制造 LTCC 基板中的关键工艺之一,其方法有三种:厚膜印刷、丝网印刷(Screen Printing)和导体生片填充法。印刷机是专门为 LTCC 生产而设计出产的,其工作台的材质是多孔陶瓷或金属板,四角上各有一个与生
20、瓷片上定位孔一致的金属定位柱,直径多为 1.51.6mm;工作时,工作台下面用真空机抽成负压,使用适中压力,一般为665864.5Pa(500650mmHg)。厚膜印刷和丝网印刷时,要在工作台和生瓷带之间放一张滤纸(或用硅酮浸过的擦镜纸),以防止金属浆料从通孔漏到工作台上,印刷后把生瓷片和滤纸一起取走,在 70100下烘烤 510min,然后再取下滤纸。导体生片填充法是将厚度略大于陶瓷生带的导体生片冲成通孔以达到金属化的目的。导体生片采用流延工艺生成,此法可提高多层基板的可靠性,但工艺不够成熟。填充通孔的浆料应该具有适当的黏度和流动性。选择填充浆料不当,印刷时不易形成盲孔,通孔填充后要进行烘干
21、、盲孔检查和修补。 (5) 印刷版图印刷版图时,必须根据对位精度及通孔大小来设计线宽、线间距及其它参数才能保证基板的成品率。采用 LTCC 基板技术虽然可以把线和线间距做到很细,但成本会增加,所以要加以考虑。LTCC基板内部图形印刷有两种方法:丝网印刷和计算机直接描绘法,表面图案的印刷有四种方法,丝网印刷,电脑直接写入方法,淤浆方法光刻和薄膜沉积。计算机直接绘图技术因其在印刷过程不需要制作印刷模版和印刷过程中的对位,是印刷导体中常用的一个方法,但不足之处是,设备投资大,操作复杂,而且生产效率低。丝网印刷图形和打印孔,生瓷带通过多孔石的真空吸气达到固定目的,可以采用影像或机械方式对其进行对位。印
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