第五章 微波混合集成技術(shù)電子科大-5.3MCM

1、電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.1 概述概述5.3.2 LTCC工藝和技術(shù)工藝和技術(shù)5.3.3 微波微波LTCC電路設(shè)計電路設(shè)計5.3.4 微波毫米波微波毫米波LTCC系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用第五第五章章 微波混合集成電路微波混合集成電路5.3 5.3 微波微波多芯片組件多芯片組件MCMMCM電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.1 概述概述p 多芯片組件（多芯片組件（Multichip Module）技術(shù)）技術(shù)多芯片組件（多芯片組件（MCMMCM）：）：將將多個多個裸裸芯片、芯片、微型微型封裝封裝元器件元器件、貼片、貼片元元器件器件集成在集成在同一塊同一塊多層多層高密度互連

2、基板上高密度互連基板上, ,并封裝在同一外并封裝在同一外殼內(nèi)殼內(nèi)，構(gòu)成具有一定部件或系統(tǒng)功能構(gòu)成具有一定部件或系統(tǒng)功能的的高密度微電子組件。高密度微電子組件。電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.1 概述概述p MCMMCM基本構(gòu)成：基本構(gòu)成：(1) 電路電路/系統(tǒng)小型化，輕重量：系統(tǒng)小型化，輕重量：p MCMMCM特點特點：MCM中，無源電路制作在多層互連基板中，形成中，無源電路制作在多層互連基板中，形成3-D多層高密度集成無多層高密度集成無源電路結(jié)構(gòu)；源電路結(jié)構(gòu)；將多個將多個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，裸芯片、片式或微型封裝元器件集成在同一多層互連基

3、板上，封裝在同一外殼內(nèi)的電路封裝在同一外殼內(nèi)的電路/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；元器件組裝密度高，元器件組裝密度高，芯片面積與基板面積之比可在芯片面積與基板面積之比可在20%以上，同一功能以上，同一功能的部件，重量可減輕的部件，重量可減輕80%90%電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.1 概述概述(2) 電路電路/系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能在同一封裝內(nèi)可集成在同一封裝內(nèi)可集成模擬、數(shù)字模擬、數(shù)字電路，電路，功率、光電、微波器件及各類片式功率、光電、微波器件及各類片式元器件元器件，可實現(xiàn)，可實現(xiàn)部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)功能功能; ;各種無源電路一體化設(shè)計，減小了系統(tǒng)連接接口，具有各種無源電

4、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；綜合性能更優(yōu)良；各功能電路單元各功能電路單元互連線長度短，信號傳輸延時互連線長度短，信號傳輸延時小小，傳輸速度傳輸速度可可大幅提升，大幅提升，可滿足高速電路需求；可滿足高速電路需求；微系統(tǒng)微系統(tǒng)p MCMMCM特點特點：(3)可靠性提升可靠性提升MCM避免了單塊避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問題；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)，電路為一體封裝結(jié)構(gòu)，電路組裝層次組裝層次，可靠性可靠性高高電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.1 概述概述p MCM分類分類uMCM-L（Laminate）：疊層）

5、：疊層MCM，使用傳統(tǒng)，使用傳統(tǒng)PCB 工藝工藝和材料制造高密度疊層基板的和材料制造高密度疊層基板的MCM 與與PCB 技術(shù)的根本區(qū)別在于技術(shù)的根本區(qū)別在于: (1)安裝裸芯片、微封裝安裝裸芯片、微封裝/片式元件片式元件;(2)無源功能電路埋置于多層無源功能電路埋置于多層 特點：特點：（1） 成本低、工藝基礎(chǔ)好、工藝靈活性高；成本低、工藝基礎(chǔ)好、工藝靈活性高；（2）一般用于）一般用于30MHz系統(tǒng)系統(tǒng)MCM-LMCM-L、MCM-CMCM-C、MCM-DMCM-D電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.1 概述概述uMCM-C（Ceramic）：厚膜陶瓷型）：厚膜陶瓷型MCM，采用絲網(wǎng)

6、印刷成，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?；褰Y(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）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?？啃?、電性能與熱性能。（3）成本適中）成本適中 特點特點（1）有兩種類型：）有兩種類型：高溫共燒陶瓷（高溫共燒陶瓷（HTCC）工藝（燒結(jié)溫度）工藝（燒結(jié)溫度1500C）采用高熔點金屬W/Mo，但損耗大，難以用于高頻電路低溫共燒陶瓷（低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝（燒結(jié)溫度）工藝（燒結(jié)溫度850900C）

7、Ag-Pd，Au-Pd-Cu，低電阻率材料布線，可用于微波毫米波電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.1 概述概述uMCM-D（Deposited）：淀積薄膜型）：淀積薄膜型MCM，是在，是在Si、陶瓷或、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。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）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)。頻高性能系統(tǒng)。 特點特點（1）薄

8、膜工藝，電路性能最佳）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，涂覆聚酰亞胺采用真空蒸發(fā)、濺射、電鍍等成膜工藝，涂覆聚酰亞胺PI（ r =3.4）或苯并環(huán)丁烯或苯并環(huán)丁烯BCB（ r =2.7）介質(zhì)，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕等技術(shù)介質(zhì)，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕等技術(shù)制作電路圖形。制作電路圖形。（3）成本高）成本高電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.2 LTCCu近些年發(fā)展起來的多層集成電路技術(shù)，即近些年發(fā)展起來的多層集成電路技術(shù)，即LTCCLTCC技術(shù)，技術(shù)，具有優(yōu)具有優(yōu)異的高頻性能，已成為異的高頻性能，已成為微波毫米波高密度集成技術(shù)研究發(fā)展微波毫米波高密度集成技術(shù)研究

9、發(fā)展的熱點的熱點微系統(tǒng)，微系統(tǒng)，SOPu低溫共燒陶瓷（低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired CeramicLow Temperature Co-fired Ceramic：LTCCLTCC） 技術(shù)技術(shù)：以厚膜技術(shù)和陶瓷多層技術(shù)為基礎(chǔ)，在生瓷以厚膜技術(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，在后疊壓在一起，在850850左右燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無左右燒結(jié)，制成三維電路

10、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，在其表面貼裝其表面貼裝ICIC和有源器件，制成無源和有源器件，制成無源/ /有源集成的功能模塊。有源集成的功能模塊。u應(yīng)用領(lǐng)域包括應(yīng)用領(lǐng)域包括：雷達雷達T/RT/R組件、移動通信前端設(shè)備、無組件、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)備等線互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、醫(yī)療電子設(shè)備等電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.2 LTCCuLTCCLTCC工藝流程工藝流程生瓷帶生瓷帶制備制備常見的生瓷帶制造商如下：常見的生瓷帶制造商如下：DupontDupont, , Ferro, Ferro

11、, HeraeusHeraeus, IKTS, CERAMTEC, , IKTS, CERAMTEC, NAMICS, NAMICS, DupontHERAEUSDP951PXCT2000DP951A2/P2HL2000DP951AT/PTCT700DP951 C2CT701DP951 C1CT702DP943 P5CT703DP9K7VAHT 03-003DP951 RTCT 707 Pb-frei電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義5.3.2 LTCCp應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例波導(dǎo)到微帶 過渡隔離開關(guān) 低噪聲放大器混頻器低通濾波器放大器中頻放大器本振功分器波導(dǎo)到微帶 過渡射頻波導(dǎo)到微帶 過渡隔

12、離開關(guān) 低噪聲放大器混頻器低通濾波器中頻放大器射頻放大器開關(guān)控制器中頻中頻接收機輸入信號頻率為35GHz500MHz,中頻輸出信號為60MHz 接收前端原理框圖 pLTCC應(yīng)用應(yīng)用指標(biāo)分配指標(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 5.87過渡開關(guān)低噪聲放大器混頻器放大器功分器放大器混頻器本振濾波器濾波器中放中放低噪聲放大器過渡開關(guān)RFRFpLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成

13、電路講義13工藝及布局LTCC基板采用FERRO A6 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。接地通孔接地通孔接地通孔第九層第八層第七層第六層第五層第四層第三層第二層第一層中頻電路焊盤接地通孔芯片電容MMICLTCC接收前端橫截面示意圖pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義14LTCC基板形狀為規(guī)則的矩形表面電路 背面電路pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義15LTCC接收前端第二次加工裝配圖加工樣品pLTCC應(yīng)

14、用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義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60mm50mm10mm，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。pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義18l Designer-電路圖的設(shè)計L1Q=Q1C1Q=Q2L2Q=Q1C2Q=Q2L1Q=Q1C1Q=Q2濾波器電路原理圖濾波器電路仿真結(jié)果pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大

15、學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義19l Designer-LTCC原理圖設(shè)計Port1Port2AN04_LC1_TRLn1n2AN04_LC1_AN05_LC2_Ind_100umXdim=1.3172mmYdim=1.3172mmLine_Width=100umModel=LC1_LC2AN05_LC2_TRLAN05_LC2_CrossAN05_LC2_TRLAN05_LC2_CrossAN05_LC2_TRLn1Un1LAN03_LC0_AN05_LC2_ViaU1M1AN02_C0_AN03_LC0AN03_LC0_TRLAN02_C0_TRLAN04_LC1_TRLn1Un1LAN0

16、2_C0_AN09_C2_ViaAN02_C0_TRLU1M1AN02_C0_AN03_LC0AN03_LC0_TRLn1Un1LAN03_LC0_AN05_LC2_ViaAN04_LC1_TRLAN04_LC1_CrossAN04_LC1_TRLAN04_LC1_TRLn1n2AN04_LC1_AN05_LC2_Ind_100umXdim=1.3172mmYdim=1.3172mmLine_Width=100umModel=LC1_LC2AN05_LC2_TRLn1n2AN04_LC1_AN05_LC2_Ind_100umXdim=0.5704mmYdim=0.5704mmLine_Widt

17、h=100umModel=LC1_LC2n1UAN05_LC2_AN12_G1_ViaU1AN09_C2_AN10_G0AN09_C2_TRLLTCC濾波器原理圖pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義20l Designer-拓撲結(jié)構(gòu)的導(dǎo)出物理拓撲圖濾波器三維結(jié)構(gòu)pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義21l 導(dǎo)入Hfss驗證 在Designer主菜單layout項選擇export to HFSS, 出現(xiàn)export to HFSS對話框，顯示VBScript Script 腳本文件。在存儲位置雙擊文件類型為VBScript Script File圖標(biāo)，A

18、nsoft Hfss自動生成相應(yīng)的LTCC濾波器模型。VBScript Script 腳本文件pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義22設(shè)定變量進行仿真優(yōu)化l Hfss-三維調(diào)諧和優(yōu)化pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義23l Hfss-三維EM驗證濾波器立體模型LTCC濾波器S11和S21參數(shù)圖pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義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 pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 X波段LTCC接收前端pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 根據(jù)系統(tǒng)

19、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）。pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 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44d

20、B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。pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 接收前端中關(guān)鍵部件設(shè)計接收前端中關(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)：設(shè)計目標(biāo)：中心頻率中心頻率9.5GHz9.5GHz，帶寬帶寬1GHz1GHz，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于20dB20dB，對對6.76-7.76GHz6.76-7.76GHz抑制優(yōu)于抑制優(yōu)于25dB25dB。 該濾波器的介質(zhì)基板有二十層介質(zhì)，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)，帶通濾波器被埋置在上面的四層

21、介質(zhì)內(nèi)，微帶地在第五層金屬層，剩余的十六層介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。質(zhì)可以埋置其它電路結(jié)構(gòu)和走線。pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Frequency(GHz)24681012141618S-Parameter(dB)-80-60-40-200Simulated (S11)Simulated (S21)Measured (S11)Measured (S21)測試樣品仿真結(jié)果與測試結(jié)果整個濾波器的面積是整個濾波器的面積是8.17.4 mm2。測試結(jié)果波形與仿真結(jié)果吻合的非常好。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，在實

22、測結(jié)果顯示，在9-10GHz的頻率范圍內(nèi)，插入損耗小于的頻率范圍內(nèi)，插入損耗小于2.9dB（包括兩個（包括兩個SMA接頭），回波損耗優(yōu)于接頭），回波損耗優(yōu)于11dB，對，對6.76-7.76GHz抑制優(yōu)于抑制優(yōu)于35dB，達到了設(shè)計要求。，達到了設(shè)計要求。pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義新型的準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器立體結(jié)構(gòu)圖新型的準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器立體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計目標(biāo)：中心頻率中心頻率1.14GHz1.14GHz，帶寬帶寬0.08GHz0.08GHz，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于15dB15dB，對對1GHz1GHz的抑制優(yōu)于的抑制優(yōu)于25dB25dB，對

23、對7.88-8.88GHz7.88-8.88GHz的抑制優(yōu)于的抑制優(yōu)于20dB20dB。pLTCC應(yīng)用應(yīng)用電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Frequency (GHz)246810Magnitude (dB)-80-60-40-200S21 SimulatedS11 Simulated 仿真結(jié)果顯示，通帶插入損耗小于仿真結(jié)果顯示，通帶插入損耗小于4.5dB4.5dB，回波損耗優(yōu)于，回波損耗優(yōu)于16.2dB16.2dB，在阻帶內(nèi)，在阻帶內(nèi)，對對1GHz1GHz的抑制優(yōu)于的抑制優(yōu)于53dB53dB，對，對7.88-8.88GHz7.88-8.88GHz的抑制優(yōu)于的抑制優(yōu)于21dB21dB。另外，在濾波器的。另外，在濾波器的阻帶內(nèi)有四個傳輸零點，分別是：阻帶內(nèi)有四個傳輸零點，分別是：0.85GHz0.85GHz，1GHz1GHz，1.28GHz1.28GHz和和2.48GHz2.48GHz，其中，其中，傳輸零點傳輸零點1GHz1GHz和和1.28GHz1.28GHz是由于諧振器是由于諧振器1 1和和4 4之間的跨偶產(chǎn)生的，而傳輸零點之間的跨偶產(chǎn)生的，而傳輸零點0.85GHz0.85GHz和和2.48GHz2.48GHz是由于輸入輸出結(jié)構(gòu)引入的。顯然，本文設(shè)計的是由于輸入輸出結(jié)構(gòu)引入的。顯然，本文設(shè)計的L L波段帶通