LTCC技术基本理论和应用课件.ppt

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1、第7讲LTCC技术基本理论和应用Low Temperature Co-fired Ceramic1.1 MCM技术简介11.2 LTCC技术简介21.2.1 LTCC 技术特点1.2.2 LTCC 中使用的基本材料1.2.3 LTCC 的生产工艺流程1.2.4 LTCC 技术的发展趋势1.2.5 LTCC 技术存在的不足和解决途径1.3 国内外研究现状3,1,t课件,第2章LTCC 无源单元电路结构2.1 LTCC 波导-微带过渡结构及设计方法2.1.1传统波导-脊波导-微带过渡结构2.1.2传统波导-微带探针过渡结构2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构2.2基于LTCC技术的带通滤波器

2、设计2.3 信号屏蔽和层间互连12.3.1 信号屏蔽2.3.2 层间互连2.4 电容、电感、电阻3.参考文献,2,t课件,图1-1 MCM基本结构示意图,与印刷电路相比，MCM体积优势非常明显，相对于芯片制造来讲，MCM工艺要求较低，成本适中，是目前系统组装的主要发展方向之一。,3,t课件,1.1 MCM技术简介1 SMT，即表面组装技术 ( Surface Mount Technology)，称为表面贴装或表面安装技术。它是一种将无引脚或短引线表面组装元器件(中文称片状元器件)安装在印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)的表面或其它基板的表面上，通过回流焊或浸焊等方

3、法加以焊接组装的电路装连技术。 组装密度高、体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%60%，重量减轻60%80%。,多芯片组件(Multi-Chip Module，简称为MCM)技术,4,t课件,1.1 MCM技术简介1 在大多数不需要小型化的产品上仍然在使用穿孔(TH)或混和技术线路板，比如电视机、家庭音像设备以及数字机顶盒等，仍然都在用穿孔元件，因此需要用到波峰焊。从工艺角度上看，波峰焊机器只能提供很少一点最基本的设备运行参数调整。,5,t课件,1.1 MCM技术简介1,波峰焊典型工艺流程,波峰焊錫機主要是由運輸帶，助焊

4、劑添加區，預熱區，錫爐組成。,6,t课件,1.1 MCM技术简介1,波峰焊过炉夹具,波峰焊的工艺与波形,7,t课件,1.1 MCM技术简介1 波峰焊是指将熔化的软钎焊料(铅锡合金)，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，亦可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。根据机器所使用不同几何形状的波峰，波峰焊系统可分许多种。,8,t课件,1.1 MCM技术简介1 波峰焊流程：将元件插入相应的元件孔中 预涂助焊剂 预烘(温度90-1000C，长度1-1.2m) 波峰焊(220-2400C) 切除多余插件脚 检查。

5、 波峰焊随着人们对环境保护意识的增强有了新的焊接工艺。以前的是采用锡铅合金，但是铅是重金属对人体有很大的伤害。于是现在有了无铅工艺的产生。 它采用了*锡银铜合金*和特殊的助焊剂且焊接温度的要求更高，更高的预热温度。PCB板过焊接区后要设立一个冷却区工作站。这一方面是为了防止热冲击，另一方面如果有ICT(In Circuit Tester )的会对检测有影响。 回流焊工艺是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。,9,t课件,1.1 MCM技术简介1 SMT可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。高频特性好。减少了电磁和射

6、频干扰。易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。 SMT，已渐渐地取代传统“人工插件”的波焊组装方式，已成为现代电子组装产业的主流，因它可以组装制造出相当轻、薄、短、小且品质良好的电子产品。 据统计资料显示大约百分之九十的个人计算机，都是利用表面贴装生产线，而非由传统的波焊生产方法所装配起来的。其主要原因是由于现代的电子产品要求小型化、高密度化，及更高的电子讯号传输效率。这也就是表面组装生产技术逐渐地取代传统波焊生产技术的主要原因。SMT 技术的核心内容包括组装材料、组装工艺、在线检测及组装设备等。,10,t课件,多芯片组件(Multi-Chi

7、p Module，简称为MCM)技术是继表面安装技术(SMT)之后，日益兴起的一种高密度封装技术。 其核心是将多个裸芯片在水平方向上通过较短的布线连接，在垂直方向上使用金属化通孔连接，从而实现组件的高密度组装。其基本结构如图11所示。 MCM最突出的特点就是高密度集成，并以实现高速度、高可靠性、低成本和多功能为目标。,1.1 MCM技术简介1,11,t课件,图1-1 MCM基本结构示意图,与印刷电路相比，MCM体积优势非常明显，相对于芯片制造来讲，MCM工艺要求较低，成本适中，是目前系统组装的主要发展方向之一。,12,t课件,基于Al2O3陶瓷基板，通过薄膜多层布线工艺，内埋置电阻、电容、电感

8、等无源元件，使用减薄芯片丝焊及倒扣焊组装技术；同时，以板级叠层互连方式进行板间集成，形成3D-MCM。 3D-MCM基本结构示意图,13,t课件,内埋置无源元件及多层布线结构基板局部图,陶瓷多层布线基板中，顶层需要焊接IC和元件的焊盘采用Cu/Ni/Au金属结构。陶瓷多层布线基板的局部结构如图所示。,14,t课件,1.1 MCM技术简介1 从基板材料、生产工艺的角度，MCM主要可以分为：MCM-L、MCM-C、MCM-D三类。 MCM-L采用多层印制电路板，生产工艺成熟，成本低廉，但其电性能较差，可靠性不高，在频段较低的民用产品中应用广泛。 MCM-C采用高密度多层布线陶瓷基板，生产工艺与芯片

9、制造相似，封装效率较好、可靠性较高、电性能优良，适用频段较高，在航天领域和国防领域应用较多。,15,t课件,1.1 MCM技术简介1 目前的印制电路板，主要由以下组成 线路与图面(Pattern):线路是做为原件之间导通的工具，在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。线路与图面是同时做出的。 介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性，俗称为基材。 孔(Through hole / via):导通孔可使两层次以上的线路彼此导通，较大的导通孔则做为零件插件用，另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为表面贴装定位，组装时固定螺丝用。,16,t课件,1.1 MCM技术简介1 防焊

10、油墨(Solder resistant /Solder Mask) :并非全部的铜面都要吃锡上零件，因此非吃锡的区域，会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂)，避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺，分为绿油、红油、蓝油。 丝印(Legend /Marking/Silk screen):此为非必要之构成，主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框，方便组装后维修及辨识用。 表面处理(Surface Finish):由于铜面在一般环境中，很容易氧化，导致无法上锡(焊锡性不良)，因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡，化金，化银(Immersion Silver)，化锡(Imme

11、rsion Tin)，有机保焊剂(OSP)，方法各有优缺点，统称为表面处理。,17,t课件,1.1 MCM技术简介1 MCM-C按照烧结温度高低可以分为高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)。前者烧结温度1600，导电介质采用比较贵重的钨、锰、钼等高熔点金属；后者烧结温度850-900，采用铜、银等相对廉价和熔点较低的金属。LTCC较HTCC具有成本较低和在烧结时银元素不会氧化，无需电镀保护的优点。 MCM-D 采用薄膜多层布线基板，按使用的基体材料不同又可细分为：MCM-D/C(陶瓷基体薄膜多层布线基板多芯片组件)、MCM-D/M(金属基体薄膜多层布线基板多芯片组件)和MCM-D

12、/Si(硅基体薄膜多层布线基板多芯片组件)等。,18,t课件,1.1 MCM技术简介1表1-1 MCM 基本类型的性能比较,19,t课件,1.2 LTCC技术简介2 下面将介绍 LTCC 的技术特点、采用的基本材料、工艺实现流程、发展趋势及缺点和改进措施。这对后续电路的讲解是一个铺垫。1.2.1 LTCC 技术特点 LTCC 是低温共烧陶瓷技术的简称，它是与高温共烧陶瓷 HTCC(High Temperature Co-fired Ceramic)相对而言的。 LTCC 技术是在 800950的温度下，将印刷有导电金属图形与具有互连通孔的多层陶瓷生片，在实现精确对位后叠在一起，最后共烧结成为一

13、块整体多层互连结构。,20,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点 这种技术能够使布线密度增大，使互连线距离缩短，并可以在各层基板上独立设计电路，因而可以实现具有三维立体结构的电路。 此外，多层陶瓷基板表面还可以通过挖腔安装裸芯片或者以表贴的方式安装其他电路元件，利用层间通孔和内部电路相连。这就使得电路的组装密度得到了极大的提高，从而可以满足电子整机对电路小型化、高密度、多功能、高可靠性和高传输速率的要求。,21,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点 LTCC 技术属于多芯片组件(MCM)技术中的一个分支，最早由美国休斯公司于 1982 年开发。它兼具高温共烧陶瓷(HTCC)技术和厚膜技术的

14、许多优点，拥有极其广阔的应用前景。表列出了三者之间的性能比较。,22,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点 除以上表格中列举的优点外，LTCC 技术还具有温度系数好，热膨胀系数可与硅半导体匹配的独特优点。 LTCC 相对传统的微波混合集成电路(HMIC)而言，其特点和优势可从以下几个方面来说明：1、内层基板中可以埋入无源电路元件，这使基板的表面将有更多的区域可以用来安装有源器件和铺设大面积地。这有两方面好处，一可以使组装密度获得提高，生产效率得到改善，系统可靠性得到增强；二可以通过大面积地的设计来实现微波的良好接地，进一步获得优良的高频特性。2、不同材料配方制作的 LTCC 基板的介电常数不

15、同，可以设计在一个较大范围内，这可以提高设计电路时的灵活性。,23,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点3、温度特性较好，与传统的 PCB 板电路相比，导热性更好。还具有与半导体材料能够匹配的热膨胀系数，这能够减小裸芯片在安装时与基板的热应力，使得安装更加方便。4、生产方式是不连续的，能够在共烧前对每层布线基板进行检查，有利于提高基板的质量和成品率，使生产周期缩短，成本降低。 目前，以片式元件、无源功能组件、无源集成基板、有源功能组件等为代表的一系列 LTCC 产品，目前已广泛应用于汽车电子、航空航天、无线通讯、军事及生物医疗等领域。,24,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点LTCC (

16、Low-Temperature Co-fired Ceramic，即低温共烧陶瓷)技术为共烧陶瓷多芯片组件(MCM-C)中的一种多层布线类型的基板技术。该技术将还未进行烧结的陶瓷材料层叠在一起而制成多层电路。互连导体和单元电路印制在基板内层，LSI、IC 等裸芯片则安装在基板表面，从而可以实现高可靠性及高集成度特点的微波毫米波器件、组件和系统(如下图所示)。 LTCC 多层电路侧面图,25,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点 芯片之间的距离由于 LTCC 基板技术而更加接近，同理互连线之间的距离也更加缩短，因而该技术实现了小的系统封装尺寸和短的信号延迟等功能。 同时，一系列附加的问题也相应

17、被避免，比如杂散电容耦合、串扰噪声、杂散电感以及电磁场辐射等等，且元器件所特有的电性能能够被最大限度地保持。,26,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点 1 为顶层表面导体，2 为共烧或烧银于顶层表面的电阻，3 为内埋电阻，4 为埋孔，5 为内埋电容，6 为叠孔，7 为盲孔，8 是通孔覆盖盘。,27,t课件,1.2.1 LTCC 技术特点 LTCC 基板内埋置无源器件，通过通孔间的互连能够使得表面无源器件数量的减少和所占空间的缩小，有源器件从而具有更多的安装空间和尺寸； 另外采取通孔互连能够使得互连寄生参量的减小、系统性能的提高以及系统带宽的增加等。 由此我们可以看出在工程中应用 LTCC

18、技术是实现高可靠性、小型化和高集成度等的关键技术之一，同时也是解决微波毫米波系统高可靠性、多功能化、前端小型化等实际问题的有效途径之一。,28,t课件,1.2.2 LTCC 中使用的基本材料 1、介质材料 目前 LTCC 技术中主要使用两种介质材料，其一是玻璃陶瓷，其二是结晶玻璃。 前一种材料是将如氧化铝粉末这类的陶瓷材料添加到玻璃当中。陶瓷粉料和玻璃之间事实上并不产生反应，只是相互间均匀散布。玻璃会在烧结时软化，并将润湿与其混合的陶瓷材料。两者进而会形成一种致密结构，且可以和用于烧结的垫板平面接近一致，使得做出的介质表面非常平整。玻璃的性质决定了烧结后材料的性质。 后一种材料与玻璃陶瓷相比，

19、其特性更为优良。比如，多次烧结产生的不利影响对由它制成的 LTCC 组件微乎其微，这对在烧结后还需要后处理工序的组件是很有利的。国内工艺线上进口的生瓷带主要来源于 Dupont 公司和Ferro 公司。,29,t课件,1.2.2 LTCC 中使用的基本材料2、导体材料 因为生瓷带的配方依据厚膜介质制作，所以可以使用一些高电导率金属，比如金、银、铜。其中金的使用最为广泛，但是成本相对较高。在低成本要求下，银和铜都是可以使用的。银的特点是可在空气中烧结，容易实现，并且用于层间、通孔填充以及表面导体的银和钯银合金与生瓷带系统是相容的。铜的导电性能优于金，并且能够满足高可靠性电路对焊接和附着力的要求，

20、但必须在氮气中烧结。3、电阻材料 埋置于 LTCC 多层基板当中的电阻，其材料由 RuO2、Ru2M2O2(M=Pb、Bi 等)和玻璃、添加剂等组成。设计精确、稳定的电阻是 LTCC 技术中研究的重要课题。,30,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程LTCC 加工工艺中主要的技术步骤和流程图如图所示。,31,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程LTCC 加工工艺中主要的技术步骤和流程图如图所示。,32,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程1、加工的生瓷带。整个过程包含三道工序：配料、真空除气和流延。对流延后的生瓷带的要求为致密、厚度均匀以及具有一定的机械强度。生瓷带烘干

21、后采用卷轴形式保存，2、生瓷带下料：所谓下料，就是在确定制作某个产品所需的材料形状、数量或质量后，从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操作过程。可利用切割机，激光或冲床切成固定大小。,33,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程图1-3下料,34,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程3、生瓷片打孔：这道工序是低温共烧陶瓷多层基板制造过程中相当关键的技术。因为孔径大小、位置精度会对布线密度和基板质量产生直接影响。打孔的方法有数控钻床钻孔，数控冲床冲孔和激光打孔三种。就打孔精度而言，三种方法中钻孔最低，冲孔最高；就打孔速度而言，激光打孔最快，钻孔最慢。图14 打孔,35

22、,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程4、生瓷片通孔填充：一般有三种方法，一是丝网印刷，二是导体生片填充，三是厚膜印刷。而前者使用较多。通孔填充完毕后还需要进行烘干、检查盲孔与修补工作。图15 通孔填充,36,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程5、印刷导体图案：在基板上印刷形成导电带的方法有厚膜丝网印刷和利用计算机直接描绘。丝网印刷的线宽和线间距受到网丝自身尺寸的限制，印刷之前需要严格精确对位。计算机直接描绘不需要照相、制版、对位和印刷，方便灵活，但是设备成本高，操作较复杂，且生产效率低。图1-6 电路印刷,37,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程6、叠片和热压：在

23、烧结之前，应该根据事先设计的次序和层数，把打好互连通孔和印好有导体图案的生瓷片精确对位后叠在一起。然后在温度为 60-120 度之间，压力为 50-300kg/cm2 的环境中，对叠层之后的生瓷片进行热压，目的是使各层之间紧密粘接，形成完整的多层基板坯体。 图1-7 热压,38,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程7、切片：为避免烧结后切割带来的基板边缘不平整，需要将基板在热压后烧结前按照考虑收缩率后的设计尺寸切成产品的实际尺寸。8、排胶与共烧：由于在生瓷片流延时加入了有机粘合剂，所以需要将其汽化和烧除，这就是排胶。排胶时采用的气体氛围与基板中使用的导体材料有关。大多数基板中采用的金属

24、为金、银、钯银等贵重金属，因此可以在空气中完成排胶。而采用了铜等金属的基板，则需要在氮、氢等气体中排胶。这一步工艺对多层基板的整体质量有着严重影响。如果排胶不充分，基板将会在烧结时起泡、变形或分层；如果排胶过量，又可能造成金属图案脱落或者基板碎裂。共烧时的关键技术是炉膛温度的均匀性和烧结曲线(烧结温度随时间变化的关系曲线)，这影响着烧结后基板收缩率的一致性。,39,t课件,1.2.3 LTCC 的生产工艺流程9、检测：为验证多层基板中的电连接特性，必须对烧结后的基板进行检测。可采用探针测试仪对基板两面进行开路、短路等的测试。,40,t课件,1.2.4 LTCC 技术的发展趋势 随着 LTCC

25、工艺的不断改进，研究的不断深入，技术的逐渐成熟，LTCC 产品在无线通信、军事、宇航、汽车电子和医疗等领域已经取得了广泛应用。其未来发展趋势主要体现在如下三个方面：,41,t课件,1.2.4 LTCC 技术的发展趋势1、向 LTCC 产品标准化方向发展 通讯系统的射频电路中由许多组件模块构成，而各 LTCC 厂家采用不同的集成方式来实现。 以手机中的射频模块为例，线路主要包含天线，开关、SAW 滤波器、低噪放、功放及振荡器等部件。一些厂商将天线与低噪声放大器整合在一起构成前端组件 FEM(FEM，Front End Module)，一些厂商则将天线和功率放大器整合在一起构成功率开关组件PSM(

26、PSM，Protection Switch Module)。 这就增加了下游客户的设计成本，他们在零件采购上也会因 LTCC 厂商单一而受到限制，因为他们需要针对不同的模块作不同的设计。由此可见，产品规格的标准化将是使 LTCC 组件市场得到大幅成长的巨大推动力。,42,t课件,1.2.4 LTCC 技术的发展趋势2、继续向小型模块和高频系统方向发展。 一方面，无线手持式产品在近几年得到了快速成长，对其体积的要求是继续减小；另一方面，随着无线通讯设备工作频率的提升，产品中各组件模块的高频特性也显得越发重要。 小型化的要求可以通过增加基板层数、减小基板厚度以及通孔成型、电路印刷微细化等技术来实现

27、。 高频性能可以依靠设计低介电常数、高 Q 的陶瓷材料和优化内部线路布局降低 EMI (EMI，Electro Magnetic Interference)干扰来保证。这一发展方向需要材料技术、工艺技术和设计技术的共同提升来实现。,43,t课件,1.2.4 LTCC 技术的发展趋势3、向无源器件的高密度集成化方向发展。 在以后几年，LTCC 将集成更高密度的无源器件，如在 X 频段的平面天线阵将集成 128 单元。同时，更精细的布线技术也将成为 LTCC 技术中的发展重点方向，其目标是使线宽和线间距小于 25 微米。,44,t课件,1.2.5LTCC 技术存在的不足和解决途径 虽然 LTCC

28、技术相对其他电子封装技术有着自身的特优势，但其同样存在着一些不足之处，需要进一步解决和完善。1、陶瓷基板的收缩率问题。 将 LTCC 基板应用于高频系统时，由于传输线的尺寸小，因此烧结后的微小变形都会对系统的性能产生较大影响，也会对信号孔的对位造成影响，严重时层间通孔将无法传输信号，因此需要严格控制 LTCC 基板的收缩。 现采用的控制收缩率的主要烧结方法有无压力辅助烧结(PLAS，Presmre-less Assistant Sinkirng)、压力辅助烧结(PAS)、自约束烧结(SCS，Self-Constraint Sintering)、复合板共同压烧法四种。理想情况下的零收缩率技术还需

29、要进一步研究和实现。,45,t课件,1.2.5LTCC 技术存在的不足和解决途径 2、基板散热问题 尽管相对传统的 PCB 板而言，LTCC 基板在散热方面已有所改进，但由于其具有较多的层数、高的集成度、集成的器件具有高工作功率模密度，因此散热问题仍是一个关键问题，值得重视。 目前改进办法有将导热率高的材料加入浆料，在基板中设计散热孔，大功率芯片先采用载体安装后再与腔体装配。,46,t课件,1.2.5LTCC 技术存在的不足和解决途径 3、生产成本问题 国内目前已有一些高校和研究院所引进了 LTCC 生产国工艺线，但是采用的生瓷带仍然为进口，因此生产成本较传统的 PCB 板高，这也阻碍了国内一

30、些研究团队涉足这一领域。因此国内一方面需要大力发展材料工艺技术，另一方面需要加大投入，在形成批量化生产后可使成本降低，从而促使该产业的发展。,47,t课件,1.3 国内外研究现状 LTCC 技术最早在上世纪 80 年代由美国运用于军事领域，随着成本的降低，LTCC 市场正凭借其在封装和可靠性方面的优势，在汽车电子、航空航天以及资讯产品领域不断成长。 进入 21 世纪以来，LTCC 技术的市场表现更是亮丽。根据 IEK(Industrial Economics & Knowledge Center，IEK)调查资料显示，全球 LTCC 市场 2003 年的产值约为 3.42 亿美元，2004 年

31、为 5.78亿美元，2005 年为 8.41 亿美元，2006 年为 9.11 亿美元，2007 年为 10.45 亿美元，2004 年至 2007 年的年复合增长率达到了 21.8%，增长势头强劲。,48,t课件,1.3 国内外研究现状 目前国外和我国台湾地区对 LTCC 技术的研究非常火热，已经有多种 LTCC 模块进入了商业化生产和应用。村田、京瓷、三菱电工、日立、TDK、AVX 、Epcos 等十多家企业推出了基于 LTCC 技术的手机天线开关模块(ASM)。此外 NEC、村田和爱立信等公司的蓝牙模块，日立等公司的功放模块等等，都是基于 LTCC 技术制做而成的。图1-8 显示了目前

32、LTCC 技术应用领域所占比例。,49,t课件,1.3 国内外研究现状 图1-8 LTCC 技术应用领域所占比例,50,t课件,1.3 国内外研究现状 目前，在 LTCC 工艺的掌握上，仍旧由日本与部分欧美业者处于领先地位。 LTCC 材料在日本、美国等发达国家早已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段。 欧美日厂商由于对 LTCC 技术已研发多年，形成了一定的材料体系，生产工艺也较为成熟，在产品质量、专利技术、材料掌控及规格主导权等均占有领先优势。 目前世界上在 LTCC 领域浆料和生瓷带的主要供应商有美国的杜邦(Dupont)、福禄(Ferro)和德国的贺利氏(Heraeus)公司等，这

33、三家公司已经成为行业的标志性企业。,51,t课件,1.3 国内外研究现状 而在全球 LTCC 市场占有率前九大厂商之中，日本厂商有 4 家，且占据的市场份额最大，处于绝对优势，它们分别是村田(Murata)、京瓷(Kyocera)、TDK 和太阳诱电(Taiyo Yuden)，欧洲厂商有 Bosch、CMAC、Epcos及 Sorep-Erulec 等 4 家，美国厂商有 CTS。图 1-9 显示了全球 LTCC 厂商的市场占有率情况。 图1-9 LTCC 厂商占有率,52,t课件,1.3 国内外研究现状 在对 LTCC 微波组件的研究方面，国外从 20 世纪 90 年代初开始开展了广泛深入的

34、研究，并在以下三个方面取得了显著的成果： 一、从材料和电路结构两方面对微波、毫米波 LTCC 多层基板的制造工艺展开研究。 在材料的特性研究方面，包括了对基板材料、导体材料、电阻材料等相关性能的研究。例如 2002 年美国克莱姆森(Clemson)大学对 Ta2N 薄膜电阻在50GHz 频率下的电气性能进行了研究。 在电路结构的研究方面，包括了对埋置在基板内部的无源器件的结构、各种传输线之间的转换结构、互连通孔的模型等方面的研究。,53,t课件,1.3 国内外研究现状 这方面的研究有：2005 韩国海事(Maritime)大学提出了一个新颖的共面波导至带线的通孔结构，通过实验测试，该通孔结构在

35、 60GHz 频率下的插入损耗小于 1.6dB，回波损耗大于 10dB。通过这一系列基础方面的研究，表明将 LTCC 技术运用在毫米波电路模块方面不但是可行的，而且具有独特的优势。,54,t课件,1.3 国内外研究现状 二、对基于 LTCC 技术的微波器件集成方面展开研究，包括对有源器件和无源器件的研究。 无源器件通过直接在 LTCC 多层基板上布线制作而成，研究主要集中在 LTCC 滤波器和谐振器等器件的开发上。例如 2006 年法国利摩日(Limoges)大学设计了一种基于 LTCC 技术的 U 型谐振器。 而有源器件的研究主要集中在把 MMIC 等有源芯片在 LTCC 基板上实现集成，并

36、取得了不错的成果。例如 2000年德国移动与卫星通信技术研究所(IMST)在一块 LTCC 基板上实现了 1525GHz的功率放大器 MMIC 和 2032GHz 的低噪声放大器 MMIC 的集成。,55,t课件,1.3 国内外研究现状 三、开展了基于 LTCC 技术的系统级电路模块的研究，包括对微波接收前端、收发组件等微波系统相关电路模块的研究，近年来的一些相关成果包括： 2002 年美国的国家半导体公司设计制作了一个基于 LTCC 基板的高集成、高线性度的 RF 前端模块。 该前端模块工作于 C 波段，按 IEEE802.11a 协议制作，应用于无线局域网，整个模块的接收增益为 11.5d

37、B。整个前端模块是由一块 MMIC芯片和一个埋置于 LTCC 基板内的带通滤波器构成，其中 MMIC 芯片由 TriQuint公司制造，安装在 LTCC 基板表面。 该芯片上面集成了低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)和单刀单掷开关(SPDT)，其中 LNA 增益为 16.5dB，噪声系数为2.1dB，PA 输出功率为 24dBm，IM3 高于 25dBc，SPDT 插入损耗为1.2dB。,56,t课件,1.3 国内外研究现状 基 板 由 Yamacraw 设 计 中 心 和 国 家 半 导 体 公 司 联 合 制 造 ， 其 尺 寸 为8mm9mm1.1mm。基板由 10 层 DuPo

38、nt943AT 生瓷带制作而成，每层生瓷带的厚度为 4.4mils。 带通滤波器以叠层耦合带状线的形式制作在 LTCC 基板内，其在58GHz 时插入损耗不超过 3.5dB，回波损耗不小于 15dB，滤波器的带宽小于200MHz，镜频抑制度在 4.8GHz 处为 23dB。 2005 年韩国成均馆(Sungkyunkwan)大学设计制造了一个基于 LTCC 基板技术的四频段GSM射频收发组件。该射频收发组件由集成在LTCC基板上的接收、发射匹配电路和低通滤波器构成，整个组件尺寸约为 10mm10mm1.4mm。,57,t课件,100mil=2.54mm 1mil=0.0254mm 1密耳（mi

39、l）=0.001英寸 100mil=0.254cm1密耳(mil)=0.0254毫米(mm),58,t课件,1.3 国内外研究现状文献报道了一种用于 V 波段射频前端的基于 LTCC 工艺的三维集成腔体滤波器，如图1-10所示。该带通滤波器采用垂直叠层方式制作，大大节省了滤波器的面积，有利于射频前端的小型化。设计制作的滤波器中心频率 57.5GHz，3dB带宽为 3.5%(约 2GHz)，带内插入损耗小于 2.37dB9。 图1-10(a) 三维腔体滤波器结构图，(b) 三维腔体滤波器截面图,59,t课件,60,t课件,1.3 国内外研究现状文献报道了一种共面线到带状线的过渡结构。以前的共面线

40、到带状线引入一根连接两种传输线的信号连接线，但辐射损耗很大，为避免这一弊端，其所提出的过渡结构采用阶梯过渡形式，并在第一，三阶下面放置空气通孔，以此来调节其谐振场分布，如图1-11所示。测试结果表明在高达 60GHz 处，插入损耗为 1.6dB，回波损耗 10dB。 图1-11 (a)传统共面线到带状线通孔过渡结构(b)新型共面线到带状线通孔过渡结构,61,t课件,图1-11 (a)传统共面线到带状线通孔过渡结构(b)新型共面线到带状线通孔过渡结构,62,t课件,1.3 国内外研究现状 国内LTCC 技术的研究起步较晚，LTCC器件的开发比国外至少落后 5年。一些科研院所从上世纪 80 年代末

41、开始陆续对 LTCC 材料以及基板制造工艺方面展开研究工作。 国内 LTCC 行业面临的问题主要是原材料的问题，目前国内 LTCC原材料的来源主要有三种方式：直接从国外进口生瓷带；买国外的粉料自己做生瓷带；自己研制粉料。但国内自制的粉料在一致性方面特别是质量控制方面和国外企业相比还有一定的差距。 在基板制造工艺方面，通过全套引进国外的先进工艺生产线，国内一些单位的工艺水平与国际先进水平相比已相差不大。目前国内的中电 13 所、中电 43 所、深圳南玻电子、浙江正原电气等单位具备 LTCC 材料和基板的生产供应能力。,63,t课件,1.3 国内外研究现状 近年来国内的一些科研院所也展开了对 LT

42、CC 电路设计方面的研究，一些单位投入了大量的资金从国外引进先进的工艺生产线进行 LTCC电路模块的研制。 目前进行 LTCC 电路设计方面相关研究的院校有东南大学、南京理工大学、华中科技大学、西安电子科技大学、电子科技大学等高校。 其中电子科技大学从斯洛文尼亚全套引入了一条 LTCC 工艺生产线，在 LTCC 基板材料、LTCC 器件以及 LTCC 毫米波前端组件等方面进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。,64,t课件,1.3 国内外研究现状 另外，东南大学毫米波国家重点实验室开展了对 LTCC 微波多芯片组件中的键合互连的研究，并在此基础上制作了 X 波段 LTCC 微波多芯片组件。 由于

43、LTCC 电路模块结构紧凑、耐机械冲击和热冲击性强，目前在军工领域和航天设备上受到极大关注和广泛应用。 中电 14 所设计和制作了基于 LTCC 技术的微波振荡器。中电 55 所已经开发出了基于 LTCC 技术的微波 T/R 组件。另外中电 29 所、中电 54 所也正引入 LTCC 生产线，开发 LTCC 电路模块。,65,t课件,第2章LTCC 无源单元电路结构2.1 LTCC 波导-微带过渡结构及设计方法2.1.1传统波导-脊波导-微带过渡结构2.1.2传统波导-微带探针过渡结构2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构2.2基于LTCC技术的带通滤波器设计2.3 信号屏蔽和层间互连12

44、.3.1 信号屏蔽2.3.2 层间互连2.4 电容、电感、电阻3.参考文献,66,t课件,第2章LTCC 无源单元电路结构2.1 LTCC 波导-微带过渡结构及设计方法2.1.1传统波导-脊波导-微带过渡结构 图2-1所示为典型的脊波导过渡结构，标准波导利用几段长度为g /4(g 为波导波长)的减高脊逐渐接触到微带线。实验证明，一个g(四个阶梯)的减高脊就可在全频段内实现匹配。减少匹配脊的数目，可以使电路更加紧凑，但会牺牲过渡带宽。脊波导过渡结构的阻抗匹配段可以安置在电路外部，不会影响电路本身的体积。,67,t课件,2.1.2传统波导-微带探针过渡结构 图2-2 波导-微带探针过渡结构(a)微

45、带平面垂直于波导(b)微带平面平行于波导图2-2所示为典型的波导-微带探针过渡结构，主要有微带平面垂直于波导和微带平面平行于波导两种形式。在波导-微带探针过渡结构中，通常将微带探针看作天线来分析其原理，即任一个沿探针方向上具有非零电场的波导模，可在探针上激励起电流。由互易定理可知，向波导入射的微带线准TEM模也将产生探针电流，并激励起同样的波导模式。探针附近的局部场为存储无功功率的高次模，这使探针阻抗具有电抗分量。通过调整短路活塞的位置可以改变短路面的视入电抗，进而抵消探针电抗。,68,t课件,2.1.3 LTCC波导-微带探针过渡结构 传统探针耦合设计中，探针的输入阻抗是探针宽度、长度、终端短路面距离和频率的函数，可优化得到相应的实际参数，进而得到一个性能稳定的结构。通过调节约束腔的尺寸来抑制高次模，并通过在探针后面串接一定长度的高阻线来实现与50欧姆微带线的匹配。,69,t课件,