基于DFM方法提高LTCC設(shè)計

低溫共燒陶瓷(LTCC)電路技術(shù)支持緊湊型多層設(shè)計并被廣泛用于無線應(yīng)用，特別是在RF模塊和包內(nèi)系統(tǒng)(SiP)設(shè)計中。相對于層壓技術(shù)，它具有一系列優(yōu)勢，盡管其工藝與層壓印刷電路板材料的處理工藝類似。其典型好處是較低的介電損耗，更高的封裝密度以及集成/內(nèi)嵌的無源部件(電阻、電感和電容)。有較大范圍的磁帶材料和工藝可用于LTCC設(shè)計。

多層LTCC結(jié)構(gòu)通常會在低溫共燒過程中發(fā)生收縮。不過，有一些制造商提供“零收縮”材料，其收縮僅限于Z方向。這些材料會比標(biāo)準(zhǔn)LTCC磁帶材料和工藝昂貴許多。收縮對采用LTCC材料獲得高性能帶來了挑戰(zhàn)，并且限制了LTCC部件或者子系統(tǒng)產(chǎn)出。因此，它可能會妨礙LTCC在那些要求高性能和高產(chǎn)量的產(chǎn)品中的應(yīng)用。盡管如此，采用制造方法設(shè)計(DFM)能幫助實現(xiàn)一次LTCC設(shè)計成功，連收縮都可接受。

LTCC的DFM方法包括開發(fā)一種設(shè)計流程來為LTCC內(nèi)嵌無源部件生成寬帶模型。這些模型同一些從DFM技術(shù)發(fā)展而來的無源LTCC電路一起出現(xiàn)，被用來實現(xiàn)一次設(shè)計成功。無源電路采用先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)(ADS)和動力(Momentum)軟件工具開發(fā)，這些軟件工具來自安捷倫技術(shù)(www.agilent.com/find/eesof)。ADS是一種流行的電子設(shè)計自動化軟件工具，它包括RF集成電路(RF IC)、單片微波集成電路(MMIC)、SiP、模塊和電路等的電路/系統(tǒng)仿真器和布線工具。用ADS還能進(jìn)行統(tǒng)計設(shè)計研究，例如蒙特卡洛分析(Momentum是一種三維(3D)平面電磁場(EM)仿真工具，可用于研究很寬范圍內(nèi)的3D平面高頻電流和平面場行為)Momentum接受任意的幾何尺寸設(shè)計，如多層結(jié)構(gòu)，然后它準(zhǔn)確仿真復(fù)雜的EM效應(yīng)如耦合與寄生。多層LTCC非常適合于采用像Momentum這樣的3D平面工具來仿真。

無線手持設(shè)備的典型前端包含帶有定向耦合器的發(fā)射級，定向耦合器用作功率控制測量，功率控制的目的是確保發(fā)射功率在給定手持設(shè)備所規(guī)定的限制范圍之內(nèi)，保持發(fā)射功率在這些限制之內(nèi)對規(guī)范頻譜是必要的，因為對于幅度調(diào)制(AM)信號，手持設(shè)備RF功率放大器的工作范圍必須在其線性范圍之內(nèi)。功率控制環(huán)依賴定向耦合器來感應(yīng)入射功率，任何從其它方向到達(dá)定向耦合器的的功率可能會造成錯誤讀取測量功率，因為手持設(shè)備的功率放大器能產(chǎn)生無用的諧波能量電平，一種低通濾波器被專門加到發(fā)射器架構(gòu)中來維持發(fā)射頻譜能量在規(guī)定范圍內(nèi)。

為保證手持設(shè)備功率符合規(guī)定限制，設(shè)計定向耦合器和低通濾波器需要一種健壯性設(shè)計技術(shù)。這兩種部件將被用作實例來明如何用DFM方法來研究過程變差和LTCC布線參數(shù)及其對某些輸出參數(shù)的影響，如插損。一些變差在設(shè)計無源LTCC電路中是可預(yù)期的，典型的變差包括介電常數(shù)改變，基底厚度改變，傳輸線寬度改變和層間對齊改變。希望使一些變差在制造過程中得到監(jiān)控，而為了實現(xiàn)一次設(shè)計成功，這個問題必須得到解決。

圖1的流圖說明了這些參數(shù)對某些定向耦合器輸出參數(shù)間的相互影響，這些輸出參數(shù)是插損，方向性和耦合比。圖表中ε、T、W和AL分別代表介電常數(shù)、基底厚度、線寬和對齊度。還有“加”、“減”符號分別表示極端情況下上端和下端指標(biāo)。根據(jù)LTCC材料供應(yīng)商的數(shù)據(jù)，介電常數(shù)變化最小，而其它三個參數(shù)，基底厚度、線寬和對齊度必須被加以考慮。

這里給出的定向耦合器例子具有側(cè)面嵌入耦合線。耦合器有四個端口：射頻輸入，耦合端口，隔離端口以及射頻輸出端口。圖2顯示了布線(具有端口定義)情況。用Momentum仿真了定向耦合器性能，圖3是耦合器插損和耦合比的測量與仿真結(jié)果比較。仿真數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)接近一致。為了說明這種方法，還采用該方法設(shè)計了低通濾波器實例(圖4)。

在設(shè)計周期期間，制造過程和布線參數(shù)的這些變差可能不可避免。電路部件參數(shù)值甚至可能受這些變差的影響，通常用部件容忍度來表示。在設(shè)計周期中，部件參數(shù)值、制造過程變差以及跟布線參數(shù)變差有關(guān)的這些改變通常難以事后修正。因此，設(shè)計早期把它們考慮進(jìn)來將有助于保證高產(chǎn)量一次設(shè)計成功。

在所有可能的過程和布線參數(shù)變差中，一些變差對輸出參數(shù)造成的影響比其它變差更為關(guān)鍵。要理解輸出參數(shù)對這些關(guān)鍵參數(shù)變差的敏感度并不難，但有效的首要步驟是DFM方法。例如，插損可以受到布線寬度或基底厚度變差不同的影響。為了在設(shè)計中實現(xiàn)性能偏差更小，關(guān)鍵是首先理解和控制最為敏感的參數(shù)。仿真軟件里的靈敏度分析包括將性能響應(yīng)函數(shù)對有用設(shè)計變量取偏導(dǎo)數(shù)，這就有助于準(zhǔn)確找到那些對性能變化有不同程度影響的變量。作為其基本統(tǒng)計包的一部分，ADS軟件提供了靈敏度分析功能。

定向耦合器的插損、方向性和耦合比作為基底厚度、線寬和對齊度三種不同參數(shù)的函數(shù)而發(fā)生變化。這三種情況代表標(biāo)稱、低端和高端極端情形。例如，W0代表線寬標(biāo)稱值而W0+代表上端極端情況。大量采用Momentum EM仿真收集變差數(shù)據(jù)來研究此問題。

盡管設(shè)計人員可以從這些曲線對敏感度做出一些類推，但使用圖形表示結(jié)果就更容易和更有用。例如排列圖(Pareto)顯示了某個參數(shù)變差對性能影響的百分比。圖5給出了對定向耦合器性能變差造成影響的參數(shù)或因子的Pareto圖。該圖顯示基底厚度變差對插損的影響超過其它參數(shù)或它們的組合。例如，在性能上有60%的變差來自于基底厚度變差的作用。

本文中低通濾波器實例采用一個三階橢圓濾波器設(shè)計，使用了一個電感來使插損最小。實際上，濾波器損耗的根本原因來自電感響應(yīng)或品質(zhì)因素(Q)。濾波器的全部元件實現(xiàn)為具有內(nèi)嵌式無源元件的LTCC層。

任何設(shè)計始于確定性能要求，接下來是可行性研究，這一時期可能設(shè)計出電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于濾波器，設(shè)計人員常常依賴濾波器綜合工具來試驗不同的結(jié)構(gòu)。這個階段之后，要確定出基線電路模型及其合適的理想集總元件參數(shù)值。由于設(shè)計人員必須為LTCC制作一個內(nèi)嵌式無源部件來代替理想集總元件部件，這就需要進(jìn)行EM仿真來準(zhǔn)確建模和仿真這些內(nèi)嵌的無源部件。

利用仿真產(chǎn)生的S參數(shù)可以抽取出包含寄生電路元件的寬帶集總無源模型。抽取過程使用數(shù)值優(yōu)化程序，用解析表達(dá)式計算電路模型的各初值。寬帶集總無源模型有助于進(jìn)行統(tǒng)計分析，包括比直接用EM仿真器更為快速實的優(yōu)化實現(xiàn)。

提取的寬帶模型用來代替簡單的集總元件模型。然后，用電路仿真器通過對每個元件尋找給定一組性能條件下的最優(yōu)元件參數(shù)值使新的基線電路得到優(yōu)化。這個過程要反復(fù)進(jìn)行直到所有先前的理想部件被內(nèi)嵌物理部件所代替。一旦設(shè)計滿足其性能要求，就該進(jìn)行蒙特卡洛分析以了解性能作為制造過程的函數(shù)的統(tǒng)計特性。

在抽取出寬帶模型，獲得內(nèi)嵌電容和電感后，低通濾波器例子的最終布局示于圖4。圖6針對濾波器插損將EM仿真跟提取的集總部件模型結(jié)果進(jìn)行了比較，集總元件模型與EM模型之間一致性很好。圖7把EM仿真響應(yīng)與測量數(shù)據(jù)作了對比，結(jié)果又一次接近一致。

統(tǒng)計分析(基于蒙特卡洛分析)是采用規(guī)定的概率分布，在設(shè)計范圍內(nèi)改變一組參數(shù)的過程，用來確定性能如何隨參數(shù)變化而發(fā)生改變。這種分析通常用于項目產(chǎn)出，其定義為滿足或超過性能期望(指標(biāo))項的數(shù)量與在統(tǒng)計分析期間分析項總數(shù)之比。產(chǎn)出還是給定設(shè)計樣本達(dá)到性能指標(biāo)的概率。因為將要制造的設(shè)計總數(shù)會很大或者未知，產(chǎn)出通常是用更小的樣本數(shù)量或試驗次數(shù)估計得到，試驗數(shù)被稱作產(chǎn)出估計函數(shù)。隨著試驗次數(shù)增加，產(chǎn)出估計就接近真實的設(shè)計產(chǎn)出。產(chǎn)出優(yōu)化使設(shè)計性能對于部件變差的敏感度最小化。產(chǎn)出優(yōu)化估計產(chǎn)出和產(chǎn)出敏感度，并且改變電路統(tǒng)計參數(shù)標(biāo)稱值，這是為了同時使統(tǒng)計敏感度最小和電路產(chǎn)出最大。

統(tǒng)計設(shè)計流程的第一個步驟是收集廠商的過程變差數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)，就能得到用于抽取出的電路模型的統(tǒng)計參數(shù)。然后，用這些相關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計參數(shù)對設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)計分析。如果設(shè)計滿足產(chǎn)出指標(biāo)，就結(jié)束分析過程開始制造過程，否則，就要對抽取的電路模型進(jìn)行產(chǎn)出優(yōu)化來修正設(shè)計以達(dá)到給定的產(chǎn)出指標(biāo)。用于抽取模型的優(yōu)化后部件參數(shù)值必須被實現(xiàn)成內(nèi)嵌的無源物理部件。其后，從重設(shè)計的內(nèi)嵌無源物理部件再次抽取出寬帶電路模型，并再次進(jìn)行統(tǒng)計分析直到滿足產(chǎn)出指標(biāo)。LTCC設(shè)計過程可以用圖8所示的流程圖來描述。

對低通濾波器電路實例的6,000次試驗進(jìn)行蒙特卡洛/產(chǎn)出分析(圖9)，低通濾波器插損、二階諧波抑制和三階諧波抑制的統(tǒng)計分析結(jié)果(未給出)表明，這些情形中設(shè)計未滿足指標(biāo)，并顯示設(shè)計通過6000次試驗達(dá)到100%產(chǎn)出。

圖10給出了總共5個測量樣本跟單次EM仿真數(shù)據(jù)的比較。圖中參數(shù)S11和S21是EM仿真結(jié)果，其它曲線反映測量數(shù)據(jù)的情況。測量樣本數(shù)據(jù)同仿真結(jié)果具有良好的一致性。

兩個實例顯示DFM提供了獲得一次性設(shè)計成功的實用手段，甚至在像LTCC具有固有變差那樣的過程里。成功依賴于一個經(jīng)十分慎重選擇后得到的設(shè)計流程，選用寬帶模型尤其重要。在整個設(shè)計過程中應(yīng)用DFM提高了一次性設(shè)計成功的機會。盡管這兩個說明DFM的例子是基于LTCC，該設(shè)計流程同樣能用到其它過程。