LTCC滤波器综述及制造工艺研究

李 俊，李海燕，乔海灵，王颖麟

（中国电子科技集团公司第2研究所，太原 030024）

1 引言

滤波器是一种对频率具有选择性的二端口网络。微波滤波器被广泛应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星通信和测试仪表等系统中，是微波系统中不可缺少的重要器件，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。随着信息产业和无线通信系统的蓬勃发展，微波频带出现了相对拥挤的状态，频带资源的划分更加精细，分配到各类通信系统的频率间隔也越来越密，因此对滤波器的性能提出了更高的要求。近年来随着微波毫米波系统小型化要求的提高, 各种电路工艺如薄膜技术、多层电路板技术、陶瓷技术受到越来越多的关注。LTCC以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，成为未来电子器件集成化、模块化的首选式。

2 LTCC滤波器版图优劣性分析

1985年，M.Sagawa提出了多层陶瓷滤波器的概念，由于LTCC技术在器件小型化方向的巨大优势，在LTCC技术提出以后很快就应用到滤波器、双工器等无源器件的开发中。此后研究者们围绕着如何利用LTCC技术来解决滤波器的小型化和提高滤波器性能进行了大量的研究，提出了很多不同结构来实现LTCC多层滤波器。

目前LTCC滤波器有两种结构形式。一种是集总结构，集总元件构成的滤波器电路由串、并联交叉连接的谐振器构成，通过MIM电容以及螺旋电感，并将这些器件通过通孔连接，来实现特点功能的滤波器，考虑到LTCC工艺制作的因素，滤波器一般不会超过3阶。另一种是微带线耦合结构，包括交指形耦合、梳状线、宽边耦合等。目前一般通过插入损耗法来设计滤波器，通过电路和电磁场相结合的方法，即迅速又准确地设计出相应指标的滤波器。集总参数电路适用于较低频率，采用通孔连接，版图直观，低插入损耗高阻带衰减。耦合结构适用于较高频率，体积可以做到很小，缺点是各谐振器间的耦合对传输线的间距很敏感，对工艺要求较高，阻带衰减特性不如集总元件理想，在其他频率处存在另外一些寄生通带。

3 滤波器设计

本文设计的LT C C工艺所采用的材料为DuPont951PT型LTCC陶瓷材料及配套浆料，其相对介电常数为7.8，损耗角正切0.006，烧结前基板厚度114μm，整个滤波器共17层介质基板，电路拓扑结构如图1所示。整个器件的尺寸为5.1mm×3.3mm×1.6mm，器件封装尺寸为标准的2012型。使用Agilent ADS和Ansoft HFSS分别进行电路仿真和物理模型的电磁场仿真，然后再进行场路结合，根据电磁场仿真结果来修改电路中某些元件的参数，从而改变物理模型的尺寸，直到物理模型仿真满足设计需求为止。图2是滤波器样品照片。

图1 LTCC滤波器ADS仿真电路图

图2 滤波器样品照片

在西安电子科技大学微波实验室，通过矢量网络分析仪N5244A测量，所得结果表示该滤波器的性能已经满足设计指标要求。如图3所示。

图3 600MHz LTCC滤波器实测波形

4 滤波器加工过程中的关键工艺问题

通过在中国电科2所的LTCC生产线上试制，总结出以下几点在工艺过程中需要注意的问题。

4.1 打孔

由于单个滤波器体积很小，一张8×8的生瓷片上可以制作上千个器件，所以导致要加工的通孔数急剧上升，这样加工时间就相应延长（如果采用激光打孔机则打孔速度很快），另外打孔精度也要保证在±10μm以内。本次工艺采用机械打孔，不存在通孔的锥度问题。

由于器件都有着朝小型化发展的趋势，在LTCC滤波器上的导电通孔不会超过0.3mm，这就导致在通孔填充时对工艺提出很高的要求，很难保证100%盲孔率，盲孔率的高低取决于浆料黏度、刮板速度等因素。

4.2 叠片

叠片精度是影响LTCC滤波器电性能的主要因素，通孔之间的错位将导致电性能指标偏差严重或者成为不合格品。在通孔直径为0.2mm的情况下，叠片精度不应超过±10μm。在对LTCC滤波器进行三维电磁场仿真的时候（利用Ansoft公司三维电磁场仿真软件HFSS），应将通孔偏差的因素考虑在内，以免造成很多不合格品。图4是该滤波器在X射线检测系统下的照片，可以清楚看到通孔之间的互对准很高。

图4 LTCC滤波器内部结构

4.3 热切及端印

由于滤波器的小型化，并且输入输出端头在侧面引出，这样就对热切机的切割精度提出了很高的要求。

目前LTCC滤波器的端印分为烧前端印和烧结后端印。烧前端印是在基板被切开成单个器件后进行，封端后烘干再统一烧结。这种做法的好处是端印浆料的附着力好，成品率高，缺点是器件还没有烧结成型，器件容易损坏。烧结后端印的优点是器件不易损坏，但烧结后的线条与烧结前的浆料匹配性不一致，导致良品率不如上一种高，具体采用哪种方法根据所加工的器件特点而定。

4.4 烧结

可以说，LTCC基板在烧结时的收缩性是LTCC技术亟待解决的一个主要问题，烧结工艺的关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性，并且在升温时，速度不宜过快，否则会使基板发生翘曲，平整度变差。在同批成品和不同批次产品中烧结后介电常数的离散应小于1%。一般来说0.2%到0.5%的收缩精度对于小尺寸的LTCC功能元器件来说，影响并不很大，但是为了降低工艺敏感度，提高成品率，我们在设计时应该充分考虑收缩精度带来的性能影响。

5 结论

随着现代无线通信产品小型化高性能的发展趋势，对微波滤波器的设计和研发提出了相应的要求。如何在更小的尺寸内实现高性能的滤波器是目前的研究热点。目前LTCC滤波器面临着其他形式滤波器的严峻挑战，其电性能提升还有很大的空间，版图结构需要进一步调整以期获得更高的性能，并且在工艺过程中严格控制打孔精度、印刷精度以及堆叠准确度，这些都是提升滤波器性能的关键因素。

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