基于LTCC技术的无源器件设计方法

秦 舒

（华进半导体封装先导研发中心有限公司，江苏 无锡 214135）

1 引言

在无线通信领域迅猛发展的时代，电子整机正在朝着低成本、小型化、高集成度、低功耗、高可靠性的方向发展。为了适应这一发展，以多芯片组件（Multi-Chip Module，MCM）为代表的微组装技术得到了迅速的发展[1]。

LTCC技术作为多芯片组件（MCM）技术中的一种，利用新型的陶瓷多层基板技术来开发射频模块中的无源器件，是目前设计无源器件的主流技术。相对于传统的印制板电路而言，利用LTCC技术实现的功能电路模块（包括组件、子系统、系统等）具有小型化、高性能、高集成度、高可靠性等优点，同时基于LTCC技术实现的射频微波模块可以取代通信、雷达和军用武器系统等领域中的各种常规形式的微波电路。作为无线通信产品射频前端必不可少的无源器件，随着产品市场的不断增长，其用量也越来越大。一般的电子系统所用的有源器件与无源器件相比，典型的比例为1：10；而在某些无线通信系统中，其比例可为l：50，特别是手机、蓝牙、无线局域网等模块中，无源器件所占的比例更大。由此可见研究如何利用LTCC技术开发高性能的小型化无源器件对于无线通信产品的发展是有实际意义的。

目前，人们对射频电路模块性能的要求越来越高，随着无线通信领域的飞速发展，低成本、小型化、高集成度、低功耗、高可靠性已成为模块发展的必然趋势。利用LTCC技术开发的无源器件具有很好的高频特性，同时可以满足低成本、高性能、小体积的设计要求，并且可以缩短整个模块的设计周期。巴伦、滤波器等无源器件作为射频及微波电路的重要组成部分，在军用和民用无线通信设备中都有广泛需求。目前市场上出现的大多数巴伦、滤波器等无源器件都是设计在PCB基板上的，这使得器件在小型化和集成度方面得不到改善，如何利用LTCC技术来开发高性能无源器件，满足无线通信发展的需求，研究意义重大，本文的工作将在这个前提下展开讨论。

2 技术概述

随着蓝牙、无线局域网等无线通信技术的广泛使用，高密度、小尺寸及具有良好高频电路性能的产品成为通信产品发展的必然趋势。低温共烧陶瓷即LTCC技术是多芯片组件（Multi-chip Module，MCM）技术中的一种，相对于高温共烧陶瓷（HTCC）技术而言，LTCC技术工艺烧结热匹配性较好，与传统的PCB工艺相比，LTCC技术能充分利用三维空间发展多层基板技术，其产品在封装和小型化方面具有明显的优势。此外LTCC技术还具有损耗小、高频性能稳定、温度特性良好等特点。利用LTCC技术的种种优势，可以开发出体积小、重量轻、高性能、高稳定性、低成本的电子产品，满足新一代电子设备的要求，因此LTCC技术已在很多领域得到了应用，如手机、数码产品、汽车电子等。

2.1 低温共烧陶瓷技术的概念

低温共烧陶瓷是Low Temperature Co-fired Ceramic的意译，英文缩写是LTCC。 LTCC技术是将低温烧结的陶瓷粉制成厚度精确并且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等一系列工艺生成所需的电路图形，期间将多个无源元件埋入其中，然后将这些含有通孔的生带叠压在一起，经过800～900 ℃的烧结，制成立体多层无源集成组件，也可制成内置无源的三维电路基板，在其表面还可贴装有源器件及IC组件，形成高密度组装的功能电路模块。图1为应用LTCC技术开发的典型模块。

图1 应用 LTCC技术开发的典型模块

2.2 低温共烧陶瓷技术的特点

按基板材料与基板工艺来分，LTCC技术和HTCC技术都属于MCM技术中的陶瓷厚膜型组装技术即MCM-C，实现电路的高密度组装是MCM技术的一个突出优点。这种技术之所以在目前迅速发展，有以下主要原因：

第一，MCM技术有利于提高电子产品的可靠性。封装和电路板互连引起的问题主要导致了电子产品的失效。由于MCM技术集无源元件（如电容、电阻等）于一体，避免了元件级的组装，而且使系统级的组装层次得以简化，组装层次越少，产品的可靠性就越高，从而大大降低了产品的成本，提高了电子整机的可靠性。

第二，MCM技术有利于实现电子组装的高密度化和小型化。由于MCM技术是将多个IC裸芯片高密度地安装在同一多层布线基板上，这样便使单个IC芯片的封装得以省去，从而可以减小组装电路的体积、减少焊点数量和端口数等。这样便简化了制造工艺，而且节约了原材料，还极大地缩小了电路体积和重量。

第三，MCM技术有利于实现组件或系统的高性能和高速化。因为MCM技术是将高密度的互连布线基板和裸芯片进行组装，这样可以极大地缩短芯片间距，使连线电感值降低，因而可以在提高组装密度的同时，明显减小信号的传输延迟时间，提高信号传输的速度。

第四，MCM技术有利于实现高散热的封装。由于MCM技术可以使单块IC芯片封装带来的一系列问题（如热阻、引线及焊接等问题）得以避免，所以这种技术可以提高产品的可靠性，而且可以实现高效率的散热封装设计。

与HTCC技术相比，LTCC技术在一些方面有着明显的优势。较之HTCC技术而言，LTCC的导体金属与陶瓷材料的热匹配性要好，易于多层布线。LTCC共烧时的温度为800～900 ℃左右，其单层生瓷片主要由三氧化二铝( Al2O3)和玻璃相构成，导体可使用如Ag、Au、Cu等高导电率的金属(由于使用这些金属配制的电子浆料中也含有玻璃相，印刷在陶瓷基片后烧结温度同样为800～900 ℃，即可形成共烧)；而HTCC的生瓷片主要是三氧化二铝(Al2O3)，但是没有加入玻璃相，并且烧结温度较高（一般为1630 ℃），只能使用一些耐高温的金属，如Mo、Mn、电镀Ni、Au等，烧结热匹配性比较差，工艺也比较复杂，不易于封装焊接。

与传统的PCB板相比，基于LTCC技术的多层无源集成器件和模块具有许多优势。第一，LTCC技术可适应大电流及耐高温的需求，并且具有比普通PCB电路基板更为优良的热传导性；第二，LTCC技术使用电导率高的金属导体材料，如Ag、Au、Cu，有利于提高电路系统的品质因子；第三，LTCC陶瓷材料具有优良的高频性能和高Q特性；第四，LTCC技术可将无源组件埋入多层基板中，有利于提高电路的组装密度；第五，LTCC技术具有较小的膨胀系数、较小的介电常数[14]和温度系数，可以制作层数极高的电路基板，而且LTCC基板的集成密度高、RF性能好、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PCB板。

LTCC技术与其他技术相比，主要优点归纳如下：

（1）可以充分利用三维空间，开发制作层数很高的电路基板，能将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度，可表贴有源芯片实现模块的多功能化。

（2）能够满足大电流及耐高温等特性的要求，比传统的PCB电路基板具有更为突出的抗大电流能力和良好的热传导特性。

（3）LTCC技术所采用的陶瓷基板材料具有优良的高频特性和高Q特性，使用频率高，可达几十GHz。

（4）可以使用电导率高的金属材料作为导体，有利于提高电路系统的品质因子，这样的电路高频性能好、响应速度快，极其适应于高频通信组件。

（5）温度特性良好，有较小的热膨胀系数和较小的共振频率温度系数。

（6）基板间多层互连，提高了模块可靠性，减少了体积，使生产效率得以提高，适合批量生产。

（7）集成能力强，集成的元件种类多且范围大，除电感、电容、电阻外，还可以集成一些敏感元件、电路保护元件、抗电磁干扰的抑制元件等。

（8）制作工艺只需一次烧结，且印制的精度高，多层基板的生瓷带还可以进行逐步的检查，这样有利于降低成本、提高生产效率，还可以同时避免因多次高温烧结及制造过程中的一些错误而使得产品性能降低与废品率提高的问题。

作为无源集成技术的主流，基于LTCC技术开发的电路在提高电路高频特性、缩小电路模块体积、降低器件损耗方面有着突出的优势。LTCC的多层布线基板技术，使其可以与MMIC芯片直接组装；多层基板中可以埋置大量无源元件，并通过通孔互连，使芯片间距离减小，从而大大提高了组装密度，改善了频率特性和传输速度。正因为LTCC技术出众的优点，使其得到了越来越广泛的应用。

3 低温共烧陶瓷无源器件设计方法

基于LTCC技术开发的微波无源器件如滤波器、定向耦合器、巴伦、功分器、电容、电感在射频前端应用广泛并且发展迅速。为了满足无线通信高速发展的需求，器件的性能指标将被定义得越来越高，因此LTCC微波无源器件在设计方面将面临许多的挑战。由于LTCC微波无源器件通常内含多个等效分立元件，如电感和电容，所以其内部的电磁耦合效应相当复杂，通过传统的结构进行分析，并且通过经验公式进行计算，这样的设计变得越来越困难；而且由于电路层数越来越多，多层电路之间的电磁耦合效应会随之加大，用传统的方法进行设计更是困难重重。

随着EDA软件工具的快速发展，计算机辅助设计所扮演的角色越来越重要，已成为设计高性能、复杂结构无源器件的必然趋势和主流方式。以下简要介绍利用仿真软件工具来设计LTCC无源器件的具体方法。

3.1 定义指标

一个射频前端中含有不同功能的电路模块，每个模块具有不同的指标。比如巴伦的指标包括它的中心频点回波损耗、工作带宽、输出信号幅值差、相位差等；而滤波器的指标包括它的工作频率、工作带宽、回波损耗和插入损耗、驻波比等。确定电路的指标关系到后续电路设计方案的确定，对下面的工作具有指导意义。

3.2 原理电路和元件参数的设计

根据定义的指标确立等效电路。等效电路的设计在高频电路的整个设计过程中至关重要，由于LTCC相邻层之间、元件之间等存在耦合因素的影响，虽然可以找到能满足指标的原理电路，但是通过LTCC技术构建实际的物理模型后，其测试结果可能会有些偏差。这时需要着重考虑通过元件参数值的调谐来满足原理电路可行的问题，因为每个元件的参数是电路指标与物理电路间的桥梁。在原理电路的设计过程中既要考虑设计的电路是否满足性能指标，又要考虑后面的物理电路是否可以实现。

3.3 三维模型的建立和仿真优化

首先对电路中高频元件进行建模，分析不同传输线或R、L、C的结构和等效电路。由于射频电路中元件会受到寄生效应的影响，所以在设计时将不得不考虑元件值的变化。对建立好的三维物理结构进行全波电磁场仿真分析，不断地优化各个元件的尺寸和拓扑结构来达到预定的性能要求。但实际的模型结构中，每个元件都会产生寄生效应，当这些元件组合在一起时，元件之间就存在各种难以预料的寄生耦合，从而对电路的性能产生很大的影响。这时需要重新考虑各个元件的结构并调整它们的位置布局，以减小或尽量消除元件间的寄生参数，最终实现电路指标。

3.4 模型的加工和测试

当三维模型的仿真结果满足指标要求后，接下来的工作是对模型物理结构的版图进行提取，在布版完成后便可加工流片。在对加工出来的产品测试后，将测试的结果与仿真的结果进行对比。如果测试与仿真结果存在较大的差异，需查找原因，做出调整，直到测试和仿真结果达到要求为止。导致差异的原因可能是由于设计的三维电路的结构出现了问题，这时需要回到第三步，调整模型三维物理结构中元件的参数和尺寸；也可能是由于制造过程中的一些因素造成的。如果测试与仿真结果相关吻合性良好，则设计成功。

利用电磁仿真软件对无源器件进行设计，可以降低设计成本，提高设计效率。特别是在对微波无源器件进行设计优化时，使原本复杂、繁琐的工作变得快速、方便。现在国外有多款适合于开发微波射频器件与系统的EDA软件，如ADS、Ansoft Designer、Ansoft HFSS、Ansoft Serenade、Microwave office、CST、Sonnet 等设计软件。微波射频软件都是基于麦克斯韦方程利用不同的数值方法来对实际的物理电路进行模拟仿真的，不同的软件运用不同的算法进行仿真计算。其中，ADS、Ansoft Designer、Microwave Office、Zeland IE3D、Ansoft Esemble、Super NEC和FEKO使用矩量法（MoM），Ansoft HFSS和ANSYS使用有限元法（FEM），EMPIRE和XFDTD使用时域有限差分法（FDTD），CST Microwave Studio和CST Mafia使用有限积分法（FIT）。

4 结论及展望

LTCC材料具有成本低和易于集成、布线线宽和线间距性价比高、设计多样、灵活及优良的高频微波性能等优点，近年来的发展令人瞩目。它是新型EMI/EMC(抗电磁干扰)元件的主流制造技术，是电子元件复合化、集成化和模块化的首选技术，是设计和制造射频微波集成元件、模块和实现SIP高密度集成子系统或系统的关键技术，已经成为无源元件领域的重要发展方向和元件产业新的经济增长点。我国LTCC产品技术的开发比国外发达国家至少落后5～10年，特别在LTCC材料及其配套浆料方面差距更大。加速发展我国LTCC技术将对我国的电子工业具有重要意义。