第五章微波混合集成技術(shù)電子科大-5.3MCM

5.3.1概述5.3.2LTCC工藝和技術(shù)5.3.3微波LTCC電路設(shè)計5.3.4微波毫米波LTCC系統(tǒng)應(yīng)用第五章微波混合集成電路5.3微波多芯片組件MCM5.3.1概述多芯片組件（MultichipModule）技術(shù)多芯片組件（MCM）：將多個裸芯片、微型封裝元器件、貼片元器件集成在同一塊多層高密度互連基板上,并封裝在同一外殼內(nèi)，構(gòu)成具有一定部件或系統(tǒng)功能的高密度微電子組件。5.3.1概述MCM基本構(gòu)成：(1)電路/系統(tǒng)小型化，輕重量：MCM特點(diǎn)：MCM中，無源電路制作在多層互連基板中，形成3-D多層高密度集成無源電路結(jié)構(gòu)；將多個IC裸芯片、片式或微型封裝元器件集成在同一多層互連基板上，封裝在同一外殼內(nèi)的電路/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；元器件組裝密度高，芯片面積與基板面積之比可在20%以上，同一功能的部件，重量可減輕80%～90%5.3.1概述(2)電路/系統(tǒng)性能在同一封裝內(nèi)可集成模擬、數(shù)字電路，功率、光電、微波器件及各類片式元器件，可實現(xiàn)部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)功能;各種無源電路一體化設(shè)計，減小了系統(tǒng)連接接口，具有綜合性能更優(yōu)良；各功能電路單元互連線長度短，信號傳輸延時小，傳輸速度可大幅提升，可滿足高速電路需求；微系統(tǒng)MCM特點(diǎn)：(3)可靠性提升MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問題；MCM為一體封裝結(jié)構(gòu)，電路組裝層次，可靠性高5.3.1概述MCM分類MCM-L（Laminate）：疊層MCM，使用傳統(tǒng)PCB工藝和材料制造高密度疊層基板的MCM與PCB技術(shù)的根本區(qū)別在于:(1)安裝裸芯片、微封裝/片式元件;(2)無源功能電路埋置于多層特點(diǎn)：（1）

成本低、工藝基礎(chǔ)好、工藝靈活性高；（2）一般用于＜30MHz系統(tǒng)MCM-L、MCM-C、MCM-D5.3.1概述MCM-C（Ceramic）：厚膜陶瓷型MCM，采用絲網(wǎng)印刷成膜工藝，制成的高密度多層厚膜布線和高密度多層布線陶瓷基板結(jié)構(gòu)的多芯片組件。（2）具有較高的布線層數(shù)、布線密度、封裝效率和優(yōu)良的可靠性、電性能與熱性能。（3）成本適中特點(diǎn)（1）有兩種類型：高溫共燒陶瓷（HTCC）工藝（燒結(jié)溫度>1500°C）

采用高熔點(diǎn)金屬W/Mo，但損耗大，難以用于高頻電路低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝（燒結(jié)溫度850~900°C）

Ag-Pd，Au-Pd-Cu，低電阻率材料布線，可用于微波毫米波5.3.1概述MCM-D（Deposited）：淀積薄膜型MCM，是在Si、陶瓷或金屬基板上采用薄膜工藝形成高密度互連布線而構(gòu)成的多芯片組件。（2）布線線寬和線間距最小，具有更高的布線密度、封裝效率以及更好的傳輸特性，適用于要求組裝密度高、體積小的高頻高性能系統(tǒng)。特點(diǎn)（1）薄膜工藝，電路性能最佳采用真空蒸發(fā)、濺射、電鍍等成膜工藝，涂覆聚酰亞胺PI（εr=3.4）或苯并環(huán)丁烯BCB（εr=2.7）介質(zhì)，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕等技術(shù)制作電路圖形。（3）成本高5.3.2LTCC近些年發(fā)展起來的多層集成電路技術(shù)，即LTCC技術(shù)，具有優(yōu)異的高頻性能，已成為微波毫米波高密度集成技術(shù)研究發(fā)展的熱點(diǎn)微系統(tǒng)，SOP低溫共燒陶瓷（LowTemperatureCo-firedCeramic：LTCC）技術(shù)：以厚膜技術(shù)和陶瓷多層技術(shù)為基礎(chǔ)，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在850℃左右燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件；也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。應(yīng)用領(lǐng)域包括：雷達(dá)T/R組件、移動通信前端設(shè)備、無線互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、醫(yī)療電子設(shè)備等5.3.2LTCCLTCC工藝流程生瓷帶制備常見的生瓷帶制造商如下：Dupont,Ferro,Heraeus,IKTS,CERAMTEC,NAMICS,……DupontHERAEUSDP·951PXCT2000DP·951A2/P2HL2000DP·951AT/PTCT700DP·951C2CT701DP·951C1CT702DP943P5CT703DP9K7VAHT03-003DP951RTCT707Pb-frei5.3.2LTCC毫米波LTCC系統(tǒng)應(yīng)用舉例接收機(jī)輸入信號頻率為35GHz±500MHz,中頻輸出信號為60MHz

接收前端原理框圖

LTCC應(yīng)用指標(biāo)分配參量過渡SPSTLNAMixerLPF中放增益分配(dB)-1.5-1.521-6.5-120總增益(dB)-1.5-31811.510.5

30.5部件噪聲(dB)1.51.52.66.514.5總噪聲(dB)1.535.65.665.69

5.87LTCC應(yīng)用13工藝及布局LTCC基板采用FERROA6生瓷帶，共燒后單層厚度為0.094mm基板共9層，4層介質(zhì)層，5層金屬層層間內(nèi)層金屬及通孔填充采用銀漿料,基板表面金屬導(dǎo)體采用金毫米波傳輸線采用厚膜光刻技術(shù)，提高厚膜導(dǎo)體的分辨率。LTCC接收前端橫截面示意圖LTCC應(yīng)用14LTCC基板形狀為規(guī)則的矩形表面電路背面電路LTCC應(yīng)用15LTCC接收前端第二次加工裝配圖加工樣品LTCC應(yīng)用16測試結(jié)果射頻輸入功率：-15dBm，本振輸入功率：2dBm系統(tǒng)增益大于24.8dB，噪聲系數(shù)小于9.4dB。

制作出的LTCC接收前端外形尺寸約為60mm×50mm×10mm，該模塊的設(shè)計實現(xiàn)為LTCC技術(shù)在毫米波部件和系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。LTCC應(yīng)用LTCCAnsoft仿真設(shè)計實例——帶通濾波器的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)：多層基板；通帶頻率：L波段相對帶寬：40%;

插入損耗<3dB;LTCC應(yīng)用18

Designer-電路圖的設(shè)計濾波器電路原理圖濾波器電路仿真結(jié)果LTCC應(yīng)用19

Designer-LTCC原理圖設(shè)計LTCC濾波器原理圖LTCC應(yīng)用20

Designer-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)出物理拓?fù)鋱D濾波器三維結(jié)構(gòu)LTCC應(yīng)用21導(dǎo)入Hfss驗證在Designer主菜單layout項選擇exporttoHFSS,出現(xiàn)exporttoHFSS對話框，顯示VBScriptScript腳本文件。在存儲位置雙擊文件類型為VBScriptScriptFile圖標(biāo)，AnsoftHfss自動生成相應(yīng)的LTCC濾波器模型。VBScriptScript腳本文件LTCC應(yīng)用22設(shè)定變量進(jìn)行仿真優(yōu)化

Hfss-三維調(diào)諧和優(yōu)化LTCC應(yīng)用23

Hfss-三維EM驗證濾波器立體模型LTCC濾波器S11和S21參數(shù)圖LTCC應(yīng)用24帶通濾波器設(shè)計3的S21實測數(shù)據(jù)和濾波器外形圖LTCC應(yīng)用X波段LTCC接收前端LTCC應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，選取器件如下：前兩級低噪聲放大器均選用HMC516，第一個混頻器選用HMC130，第二個混頻器選用HMC277MS8，兩個中頻放大器均采用ERA-5，X波段鏡頻抑制帶通濾波器采用多層五級切比雪夫交指型帶通濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，L波段鏡頻抑制帶通濾波器采用一種新型的四級準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，最后的中頻帶通濾波器采用集總電感電容實現(xiàn)（外購）。LTCC應(yīng)用工藝實現(xiàn)方面，介質(zhì)材料FerroA6M，介電常數(shù)5.7，每層厚度0.094mm（燒結(jié)后）。根據(jù)以上所選器件的性能指標(biāo)（部分為估算），可以大約估算出接收前端的增益和噪聲系數(shù)，分別是44dB和3.1dB。估算過程未考慮傳輸線，接頭，互聯(lián)，器件裝配引入的損耗，所以，實際測試結(jié)果與估算值之間會有些出入。LTCC應(yīng)用接收前端中關(guān)鍵部件設(shè)計X波段LTCC交指型帶通濾波器設(shè)計目標(biāo)：中心頻率9.5GHz，帶寬1GHz，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于20dB，對6.76-7.76GHz抑制優(yōu)于25dB。該濾波器的介質(zhì)基板有二十層介質(zhì)，帶通濾波器被埋置在上面的四層介質(zhì)內(nèi)，微帶地在第五層金屬層，剩余的十六層介質(zhì)可以埋置其它電路結(jié)構(gòu)和走線。LTCC應(yīng)用測試樣品仿真結(jié)果與測試結(jié)果整個濾波器的面積是8.1×7.4mm2。測試結(jié)果波形與仿真結(jié)果吻合的非常好。實測結(jié)果顯示，在9-10GHz的頻率范圍內(nèi)，插入損耗小于2.9dB（包括兩個SMA接頭），回波損耗優(yōu)于11dB，對6.76-7.76GHz抑制優(yōu)于35dB，達(dá)到了設(shè)計要求。LTCC應(yīng)用新型的準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器立體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計目標(biāo)：中心頻率1.14GHz，帶寬0.08GHz，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于15dB，對1GHz的抑制優(yōu)于25dB，對7.88-8.88GHz的抑制優(yōu)于20dB。LTCC應(yīng)用仿真結(jié)果顯示，通帶插入損耗小于4.5dB，回波損耗優(yōu)于16.2dB，在阻帶內(nèi)，對1GHz的抑制優(yōu)于53dB，對7.88-8.88GHz的抑制優(yōu)于21dB。另外，在濾波器的阻帶內(nèi)有四個傳輸零點(diǎn)，分別是：0.85GHz，1GHz，1.28GHz和2.48GHz，其中，傳輸零點(diǎn)1GHz和1.28GHz是由于諧振器1和4之間的跨偶產(chǎn)生的，而傳輸零點(diǎn)0.85GHz和2.48GHz是由于輸入輸出結(jié)構(gòu)引入的。顯然，本文設(shè)計的L波段帶通濾波器達(dá)到了設(shè)計要求。LTCC應(yīng)用X波段LTCC接收前端系統(tǒng)布局X波段LTCC接收前端的截面圖正面板圖背面板圖1.包含二十層介質(zhì)層和十二層金屬層。2.為了方便安裝MMIC芯片，在介質(zhì)基板1到3層內(nèi)預(yù)留有小空腔。3.整個介質(zhì)基板的尺寸26×16×2mm3，結(jié)構(gòu)非常緊湊。X波段LTCC接收前端實現(xiàn)測試樣品1.介質(zhì)基板是FerroA6M，介電常數(shù)5.7，每層厚度0