基于LTCC技术的低通滤波器研制

2017-02-09贾少雄

电子与封装 2017年1期

关键词：截止频率低通滤波器通孔

秦超，张伟，贾少雄，何英，李俊

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024）

基于LTCC技术的低通滤波器研制

秦超，张伟，贾少雄，何英，李俊

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024）

滤波器作为通信系统的关键器件，其小型化具有重要意义。设计了一款带有衰减极点的层叠式LTCC低通滤波器，该无源滤波器截止频率fr=1 GHz，实际测试结果与仿真结果吻合较好。器件外形尺寸为3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm，与EIA1206尺寸代码的封装尺寸兼容，具有较强的实用性。

LTCC；低通滤波器；层叠

1 引言

随着现代通讯技术的迅猛发展，小体积、轻量化、高可靠性已经成为现代通讯系统发展的必然趋势。低温共烧陶瓷技术（LTCC）[1]凭借其出色的三维空间优势，已成为主流的无源集成技术，在提高电路的集成度、可靠性以及高频性能方面发挥了重要作用[2]。

滤波器作为收发系统中的选频器件，在通信系统中的作用是分离或整合不同频率的信号。与传统的LC滤波器相比，基于LTCC叠层技术的滤波器采用电阻率较低的金、银、铜等作为导电介质，通过金属孔连接将电路内埋于陶瓷内部，大大降低了器件的损耗，提高其可靠性。本文拟采用层叠式LTCC工艺，在3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm的封装尺寸内集成2个串联电感和2个并联电容以及1个串联谐振的带衰减极点低通滤波器（LPF），其截止频率为1 GHz。

2 低通滤波器电路原型

低通滤波器具体的设计指标如表1所示。

表1 低通滤波器设计指标

滤波器由2个串联电感和2个并联电容以及1个串联谐振组成[3]，图1为低通滤波器的等效电路图，串联谐振在阻带内形成一衰减极点以获得较高的阻带衰减性能。

图1 低通滤波器等效电路图

图2为电路在仿真软件ADS中的仿真结果。由仿真结果可以看出，电路结构满足设计指标要求。

图2 电路仿真结果

3 滤波器的结构实现与仿真

目前市面上较为成熟的LTCC材料包括Ferro公司的A6M、A6S系列，DuPont公司的951、943系列等。综合考虑材料的微波性能以及器件的最终尺寸，该款滤波器采用DuPont 951C2材料制作，其生瓷介电常数在1 MHz下测试结果为7.8，损耗值为0.002，介质层厚度为45 mm。

3.1 电感结构

电感的布线如图3所示，由图3可知，电感采用垂直螺旋结构。本文采用直径为0.2 mm的圆形通孔实现电感的互联，出于工艺容差的考虑，导体层和通孔的连接处适当拓宽了一定宽度。另外，这种连接方式有利于将电磁信号导入通孔以及异层导体[4]。电感堆叠层数为13层，电感量约为10.5 nH。

图3 电感结构示意图

3.2 电容结构

目前LTCC内埋电容常见的实现方式有两种：金属-绝缘体-金属电容（MIM）和垂直插指电容（VIC）。为了缩小电容极板面积从而有效减小滤波器尺寸，本文内埋电容采用插指式电容结构。考虑到实际生产情况，采用侧电极封端和通孔连接两种连接方式相结合实现电容极板的互联，其结构如图4所示。电容堆叠层数为9层，容值约为2.4 pF。

图4 VIC电容结构示意图

3.3 滤波器物理结构

低通滤波器采用集总参数方式实现，器件两端作为输入输出端，两侧封银接地，其三维叠层结构如图5所示。器件尺寸为3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm，生瓷堆叠层数为27层，单层介质厚度45 μm，印刷导体采用DuPont 6142D银浆，导体厚度10 μm。

图5 1 GHz低通滤波器物理模型

利用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真，物理模型经过优化后的仿真结果如图6所示。对比物理模型和电路模型仿真结果发现HFSS仿真曲线中衰减极点向左偏移。这是由于集总元件存在一定的寄生效应[5]，此外两串联电感间存在一定的互感，从而导致衰减极点向左偏移。考虑到寄生效应以及边缘效应，元件模型计算值要小于其电路理论值以弥补偏移量。经过结构尺寸优化后仿真结果符合设计要求。

图6 低通滤波器仿真结果

4 滤波器的制作与测试

LTCC滤波器主要工艺流程如图7所示。

图7 LTCC滤波器工艺流程图

其中印刷是整个过程中最关键的工序，印刷线条的质量直接关系到整个器件的通断以及器件内部元件的相关参数。考虑到生瓷在烧结后X、Y方向会产生15%左右的收缩，因此印刷丝网需要按比例进行放大。封印是连接电容极板以及器件接地的主要途径，在封印前需检测电容极板有无裸露，确保器件的电学性能及外观、可靠性。图8为低通滤波器实物照片，器件与1206封装尺寸兼容，大小为3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm。

图8 低通滤波器实物对比照片

样品测试使用矢量网络分析仪Aglient N5224A测试，其频率响应实测结果如图9所示。测得的器件截止频率为940 MHz，2 GHz时的带外抑制为42 dB，与仿真结果基本保持一致。

图9 滤波器实测结果

对比实测结果与仿真结果发现，二者整体趋势保持一致。但实测结果的截止频率与仿真结果有一定的偏移，这主要是由于叠层过程中引入层间对位偏差和介质层在烧结后厚度不均引起的。图10为器件的X射线照片，由图10可以看出层间对位偏差导致通孔形成波浪状导体。经测量，烧结后介质单层厚度变化范围为38 mm到42 mm，与仿真建模时单层介质层厚度45 mm存在偏差值。将实测介质层厚度平均值40 mm引入仿真模型，并且在模型中添加约为30 mm的对位偏差模拟器件的实际状态，其仿真结果如图11所示。由图11可以看出，滤波器的截止频率由1 GHz偏移到了920 MHz，进一步验证了截止频率偏移是由层间对位偏差和介质层厚度变化引起的。因而提高工艺精度，保证LTCC工艺一致性是制作高性能产品的关键。

图10 滤波器实物X射线照片

图11 引入偏差后的仿真结果

5 结论

设计并制作了一款截止频率为1 GHz的低通滤波器。该滤波器凭借LTCC的三维堆叠优势，使用垂直螺旋电感和插指电容搭建，与EIA1206尺寸代码的封装尺寸兼容，具有体积小、结构紧凑以及可靠性高等优点。测试结果与仿真结果吻合较好。

[1]杨邦朝，付贤民，胡永达.低温共烧陶瓷（LTCC）技术新进展[J].电子元件与材料，2008，27（6）：1-5.

[2]LI R L，DEJEAN G，MANG M，et al.Design of compact stacked-patch antennas in LTCC multilayer packing modules for wireless applications[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging，2004，27（4）：581-589.

[3]苏宏，杨邦朝，杜晓松，等.叠层式LTCC低通滤波器的设计[J].电子元件与材料，2006（7）：72-74.

[4]李元勋，边丽菲，刘颖力，等.叠层片式LTCC低通滤波器的设计与制作 [J].电子科技大学学报，2009，38（4）：521-524.

[5]Tang C W.Harmonic-suppression LTCC filter with the step-impedance quarter-wavelength open stub [J].IEEE Trans Microwave Theory Tech，2001，52（2）：617-624.

Design and Fabrication of Multilayer LTCC Lowpass Filter

QIN Chao,ZHANG Wei,JIA Shaoxiong,HE Ying,LI Jun
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute,Taiyuan 030024,China）

A low temperature co-fired ceramic(LTCC)multilayer low pass filter with attenuation poles in suppression band is presented in the paper.The filter's cut-off frequency is 1 GHz.The testing results show that the measured results coincide well with the simulated data.Being compatible with 1206 type of standard packaging of 3.0 mm×1.5 mm×1.2 mm outline dimension,this filter could be used for communication equipment.

LTCC;low pass filter;multilayer