用于SIP系統(tǒng)的三維多層LTCC延遲線設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　低溫共燒陶瓷(LTCC)是用于實(shí)現(xiàn)高集成度、高性能電子封裝的三維多層封裝技術(shù)。在微波、毫米波系統(tǒng)中，可廣泛應(yīng)用于多芯片模塊(MCM)電路設(shè)計(jì)中。在三維MCM系統(tǒng)集成技術(shù)中，LTCC技術(shù)集高密度多層互連、內(nèi)埋無(wú)源元件和氣密性封裝于一體，使多種電路封裝在同一多層結(jié)構(gòu)中，可集成數(shù)字、模擬、RF/微波電路，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)的首選技術(shù)。

　　在瞬時(shí)測(cè)頻、測(cè)量?jī)x器及高速數(shù)字電路等領(lǐng)域中，寬帶微波延遲線是關(guān)鍵部件，其性能指標(biāo)主要取決于延遲線的長(zhǎng)度和相位精度。傳統(tǒng)的延遲線一般用同軸電纜實(shí)現(xiàn)，不僅體積龐大，而且制作過程引入許多人為因素，一致性較差，對(duì)后級(jí)電路處理帶來不良影響。也有采用平面彎折的帶線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)延遲線，但這種二維結(jié)構(gòu)的相鄰線段間距離必須保持足夠大，以減小線間耦合，這無(wú)疑增加了延遲線的尺寸;而采用LTCC多層基板制作的延遲線通過三維互連技術(shù)，將彎折線分別置于不同層，不但體積大大縮小，而且一致性獲得了提高。

　　2 LTCC多層結(jié)構(gòu)中帶線之間的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　在LTCC多層基板中，位于表層的微帶線與埋置于中間層的帶狀線之間，以及中間層間的帶狀線之間的轉(zhuǎn)換可以通過一種“類同軸垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)。其概念來自于同軸傳輸線結(jié)構(gòu)，它是由一組連接不同金屬化地層的通孔作為外圈屏蔽層組成，被這些屏蔽通孔圍繞的中心通孔類似于同軸線的中心導(dǎo)體以連接不同層間的信號(hào)線，如圖1所示。

　　(a)俯視圖

　　(b)微帶線與帶狀線的類同軸垂直轉(zhuǎn)換

　　圖1 LTCC多層基板中的類同軸垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)同軸傳輸線理論，圖1所示的多層類同軸垂直轉(zhuǎn)換可以采用同軸線的特性阻抗公式(1)，通過調(diào)整外層屏蔽通孔圈的直徑D0，來獲得50W標(biāo)準(zhǔn)阻抗。

(1)

　　由(2)式可以計(jì)算出50W傳輸線的外徑D0。

(2)

　　對(duì)于er=5.9的LTCC基板，由式(2)算得D0=1.5mm，而中心通孔直徑Di=0.1mm，外圈屏蔽通孔直徑為0.1mm。經(jīng)仿真在保證獲得良好信號(hào)傳輸性能的條件下，外圈屏蔽通孔的最小數(shù)量約為6。在有足夠屏蔽通孔數(shù)(如8~10個(gè))的情況下，過多地增加通孔個(gè)數(shù)對(duì)S參數(shù)傳輸性能沒有太大地改善。正如圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)所示，信號(hào)通孔在穿越微帶線地層(帶狀線上層地)時(shí)，在地層上開孔，使地包圍垂直通孔，起到較好的屏蔽作用，其傳輸結(jié)構(gòu)不是50W標(biāo)準(zhǔn)阻抗，所以這種三維通孔結(jié)構(gòu)是重要的設(shè)計(jì)考慮。通過在頻域進(jìn)行三維全波電磁仿真優(yōu)化，可得到地層開孔直徑dT=0.54mm。

　　此外，帶狀線與垂直通孔連接處的焊盤尺寸對(duì)傳輸性能也有一定影響，為了有助于將電磁信號(hào)較好地通過垂直通孔傳輸?shù)较聦拥膸罹€上，經(jīng)優(yōu)化其焊盤直徑為0.21mm。圖2給出了圖1(b)所示結(jié)構(gòu)(微帶-帶狀線-微帶)的仿真和測(cè)量S參數(shù)，結(jié)果顯示：隨著頻率增加，插損逐漸增大;測(cè)量結(jié)果較仿真值插損大，最大值在-1dB。這主要是由于LTCC基板介質(zhì)的實(shí)際損耗會(huì)隨頻率增加而增大引起的。此外，實(shí)測(cè)插損值中還包括了測(cè)試架及輸入輸出SMA接頭的插損。

　　圖2 LTCC基板類同軸垂直轉(zhuǎn)換的測(cè)試和仿真結(jié)果

　　3 LTCC多層延遲線設(shè)計(jì)

　　利用LTCC基片設(shè)計(jì)了0.2nS和0.55nS兩種延遲線，層數(shù)分別為8層和20層，每層厚度：0.1mm。0.2nS多層延遲線的結(jié)構(gòu)與S參數(shù)測(cè)試、仿真結(jié)果如圖3所示，LTCC基板厚0.8mm。其中，微帶線基片為兩層，厚度0.2mm;帶狀線基片為六層，導(dǎo)帶居中，上、下基片對(duì)稱各為三層，厚度0.6mm。微帶線、帶狀線及類同軸垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)均按50W特性阻抗來設(shè)計(jì)。類同軸轉(zhuǎn)換的接地通孔貫穿整個(gè)LTCC基板，連接上下兩層地面，為信號(hào)線提供良好的屏蔽。微帶線作為輸入/輸出饋線，帶狀線采用彎折線結(jié)構(gòu)來獲得所需的延遲效果。根據(jù)式(3)，可以計(jì)算出所需彎折線的長(zhǎng)度l:

(3)

　　其中，t為延遲時(shí)間，c為光速。再利用三維全波電磁仿真優(yōu)化該多層延遲線，獲得4~8GHz頻率內(nèi)，延遲時(shí)間為0.2nS時(shí)，所需的彎折帶線長(zhǎng)度。

　　(a)0.2nS LTCC多層延遲線

　　(b)0.2nS LTCC多層延遲線測(cè)試和仿真結(jié)果

　　圖3 0.2nSLTCC多層延遲線

　　由于彎折線段間的串?dāng)_影響，彎折帶狀線間的水平間距一般為在4Ws左右，Ws為帶狀線的線寬;從而在盡可能小的線間距下，減小互擾。為了獲得良好的屏蔽及傳輸效果，除了頂層及其表面以外，LTCC基板側(cè)面及底層均覆金屬地(鍍銀)，且所有金屬地均與各層地相連接。

　　0.55nS延遲線的LTCC基板總厚度：2mm.其中，微帶線基片為兩層，厚度0.2mm。帶狀線分三層垂直放置，而每個(gè)帶狀線的基片有六層，導(dǎo)帶居中，上、下基片對(duì)稱各為三層，厚度0.6mm.類同軸垂直轉(zhuǎn)換通孔為不同層之間的帶狀線提供連接。不同層的延遲線仍采用彎折帶狀線，其設(shè)計(jì)如同0.2nS延遲線，圖4所示為結(jié)構(gòu)與測(cè)試、仿真結(jié)果。正如圖4(a)所示，自基片頂層向下，信號(hào)從頂層輸入微帶線經(jīng)轉(zhuǎn)換過孔傳輸至第一層帶狀線;再以同樣方式傳至第二、第三層帶狀線;最后，由第三層帶狀線經(jīng)轉(zhuǎn)換過孔直接傳至頂層微帶線輸出。輸入輸出微帶線周圍的地過孔自上而下，貫穿整個(gè)基板;第一層帶狀線至第二層帶狀線轉(zhuǎn)換周圍的地過孔由微帶線地層穿至第三層帶狀線的上地層，共六層基片，此接地過孔長(zhǎng)度0.6mm。文獻(xiàn)[7]報(bào)道的兩層帶狀延遲線的輸入輸出端口在同一側(cè)，且相距較近;而本文所提出的三層帶狀延遲線輸入輸出端口分別位于基板的兩側(cè)，有利于與系統(tǒng)其它部件電路相連接;且彎折線為半圓弧線平滑過渡拐彎，其傳輸線線寬不變，以保持傳輸線阻抗連續(xù)性彎折線直角拐彎不連續(xù)性，可以減小反射，獲得較好的微波信號(hào)傳輸性能。

　　利用我所8 英寸LTCC 產(chǎn)品生產(chǎn)線加工制作的0.2nS、0.55nS延遲線，其實(shí)物照片如圖5所示，尺寸分別為：10×5×0.8mm、5.6×7.1×2mm。

　　(a)0.55nS LTCC多層延遲線

　　(b)0.55nS LTCC多層延遲線測(cè)試和仿真結(jié)果

　　圖4 0.55nS LTCC多層延遲線

　　(a) 0.2nS延遲線 (b) 0.55nS延遲線

　　圖5 LTCC多層延遲線實(shí)物圖

　　4 結(jié)論

　　本文提出的基于多層LTCC基片的三維彎折延遲線在4~8GHz頻段內(nèi)，提供了所需的延遲時(shí)間，并獲得了較好的傳輸特性。類同軸垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)除了提供不同層間傳輸線的連接以外，還可以極大地改善多層電路傳輸性能。對(duì)于給定的延遲時(shí)間，多層LTCC延遲線以其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和良好的信號(hào)完整性，可以與其它多層功能電路一起集成在同一封裝內(nèi)，構(gòu)成SIP系統(tǒng)。