LTCC濾波器綜述及制造工藝研究

李 俊，李海燕，喬海靈，王穎麟

（中國電子科技集團公司第2研究所，太原 030024）

1 引言

濾波器是一種對頻率具有選擇性的二端口網絡。微波濾波器被廣泛應用于微波通信、雷達導航、電子對抗、衛星通信和測試儀表等系統中，是微波系統中不可缺少的重要器件，其性能的優劣往往直接影響整個通信系統的性能指標。隨著信息產業和無線通信系統的蓬勃發展，微波頻帶出現了相對擁擠的狀態，頻帶資源的劃分更加精細，分配到各類通信系統的頻率間隔也越來越密，因此對濾波器的性能提出了更高的要求。近年來隨著微波毫米波系統小型化要求的提高, 各種電路工藝如薄膜技術、多層電路板技術、陶瓷技術受到越來越多的關注。LTCC以其優異的電學、機械、熱學及工藝特性，成為未來電子器件集成化、模塊化的首選式。

2 LTCC濾波器版圖優劣性分析

1985年，M.Sagawa提出了多層陶瓷濾波器的概念，由于LTCC技術在器件小型化方向的巨大優勢，在LTCC技術提出以后很快就應用到濾波器、雙工器等無源器件的開發中。此后研究者們圍繞著如何利用LTCC技術來解決濾波器的小型化和提高濾波器性能進行了大量的研究，提出了很多不同結構來實現LTCC多層濾波器。

目前LTCC濾波器有兩種結構形式。一種是集總結構，集總元件構成的濾波器電路由串、并聯交叉連接的諧振器構成，通過MIM電容以及螺旋電感，并將這些器件通過通孔連接，來實現特點功能的濾波器，考慮到LTCC工藝制作的因素，濾波器一般不會超過3階。另一種是微帶線耦合結構，包括交指形耦合、梳狀線、寬邊耦合等。目前一般通過插入損耗法來設計濾波器，通過電路和電磁場相結合的方法，即迅速又準確地設計出相應指標的濾波器。集總參數電路適用于較低頻率，采用通孔連接，版圖直觀，低插入損耗高阻帶衰減。耦合結構適用于較高頻率，體積可以做到很小，缺點是各諧振器間的耦合對傳輸線的間距很敏感，對工藝要求較高，阻帶衰減特性不如集總元件理想，在其他頻率處存在另外一些寄生通帶。

3 濾波器設計

本文設計的LT C C工藝所采用的材料為DuPont951PT型LTCC陶瓷材料及配套漿料，其相對介電常數為7.8，損耗角正切0.006，燒結前基板厚度114μm，整個濾波器共17層介質基板，電路拓撲結構如圖1所示。整個器件的尺寸為5.1mm×3.3mm×1.6mm，器件封裝尺寸為標準的2012型。使用Agilent ADS和Ansoft HFSS分別進行電路仿真和物理模型的電磁場仿真，然后再進行場路結合，根據電磁場仿真結果來修改電路中某些元件的參數，從而改變物理模型的尺寸，直到物理模型仿真滿足設計需求為止。圖2是濾波器樣品照片。

圖1 LTCC濾波器ADS仿真電路圖

圖2 濾波器樣品照片

在西安電子科技大學微波實驗室，通過矢量網絡分析儀N5244A測量，所得結果表示該濾波器的性能已經滿足設計指標要求。如圖3所示。

圖3 600MHz LTCC濾波器實測波形

4 濾波器加工過程中的關鍵工藝問題

通過在中國電科2所的LTCC生產線上試制，總結出以下幾點在工藝過程中需要注意的問題。

4.1 打孔

由于單個濾波器體積很小，一張8×8的生瓷片上可以制作上千個器件，所以導致要加工的通孔數急劇上升，這樣加工時間就相應延長（如果采用激光打孔機則打孔速度很快），另外打孔精度也要保證在±10μm以內。本次工藝采用機械打孔，不存在通孔的錐度問題。

由于器件都有著朝小型化發展的趨勢，在LTCC濾波器上的導電通孔不會超過0.3mm，這就導致在通孔填充時對工藝提出很高的要求，很難保證100%盲孔率，盲孔率的高低取決于漿料黏度、刮板速度等因素。

4.2 疊片

疊片精度是影響LTCC濾波器電性能的主要因素，通孔之間的錯位將導致電性能指標偏差嚴重或者成為不合格品。在通孔直徑為0.2mm的情況下，疊片精度不應超過±10μm。在對LTCC濾波器進行三維電磁場仿真的時候（利用Ansoft公司三維電磁場仿真軟件HFSS），應將通孔偏差的因素考慮在內，以免造成很多不合格品。圖4是該濾波器在X射線檢測系統下的照片，可以清楚看到通孔之間的互對準很高。

圖4 LTCC濾波器內部結構

4.3 熱切及端印

由于濾波器的小型化，并且輸入輸出端頭在側面引出，這樣就對熱切機的切割精度提出了很高的要求。

目前LTCC濾波器的端印分為燒前端印和燒結后端印。燒前端印是在基板被切開成單個器件后進行，封端后烘干再統一燒結。這種做法的好處是端印漿料的附著力好，成品率高，缺點是器件還沒有燒結成型，器件容易損壞。燒結后端印的優點是器件不易損壞，但燒結后的線條與燒結前的漿料匹配性不一致，導致良品率不如上一種高，具體采用哪種方法根據所加工的器件特點而定。

4.4 燒結

可以說，LTCC基板在燒結時的收縮性是LTCC技術亟待解決的一個主要問題，燒結工藝的關鍵是燒結曲線和爐膛溫度的均勻性，并且在升溫時，速度不宜過快，否則會使基板發生翹曲，平整度變差。在同批成品和不同批次產品中燒結后介電常數的離散應小于1%。一般來說0.2%到0.5%的收縮精度對于小尺寸的LTCC功能元器件來說，影響并不很大，但是為了降低工藝敏感度，提高成品率，我們在設計時應該充分考慮收縮精度帶來的性能影響。

5 結論

隨著現代無線通信產品小型化高性能的發展趨勢，對微波濾波器的設計和研發提出了相應的要求。如何在更小的尺寸內實現高性能的濾波器是目前的研究熱點。目前LTCC濾波器面臨著其他形式濾波器的嚴峻挑戰，其電性能提升還有很大的空間，版圖結構需要進一步調整以期獲得更高的性能，并且在工藝過程中嚴格控制打孔精度、印刷精度以及堆疊準確度，這些都是提升濾波器性能的關鍵因素。

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