LTCC带通滤波器中心频率偏移的优化

王 亮，陈晓勇，钱 超，贾少雄，李 俊

(中国电子科技集团公司第二研究所，太原 030024）

1 引言

LTCC技术是一种先进的微组装技术，是实现电子系统小型化、多功能化、高可靠性、高集成度的解决方案之一，在电子对抗、机载雷达、汽车电子、手机通讯等领域具有广泛应用[1,2]。

LTCC带通滤波器是基于LTCC技术开发的LC叠层式滤波器，采用LTCC技术将平面的线路布局改为三维立体的线路布局，实现滤波器尺寸的小型化[3,4]。典型的LTCC滤波器加工工艺流程如图1所示。

图1 典型LTCC滤波器加工流程图

制备某型号中心频率为1000 MHz±5 MHz、带宽为240 MHz的LTCC带通滤波器，采用现有LTCC工艺进行加工，经过测试发现该批滤波器样品的中心频率与设计值偏移了约50 MHz，如图2、图3所示。本文针对这一问题展开研究，分析影响滤波器中心频率偏离的因素，找出其中的关键因素，然后针对该因素进行解决。

图2 优化前滤波器测试结果

图3 设计仿真结果

2 中心频率偏移分析思路

本文的分析思路是测试可能导致滤波器样品中心频率偏移的各工艺指标，提取出各工艺指标的实际参数，然后在HFSS仿真软件中进一步分析这些参数对该滤波器模型中心频率的影响，最终确认导致中心频率偏移的关键因素。

3 LTCC带通滤波器参数提取及仿真分析

3.1 LTCC带通滤波器参数提取

使用ADT公司的ADT7100砂轮切割机对滤波器样品进行剖切，使用三丰公司的QV-X302P1L-C型影像测量仪测试滤波器样品的线宽精度以及层间对位精度，使用Cyber公司的Cyberscan型激光测厚仪测试滤波器的介质层厚度，使用安捷伦公司的N9030B型频谱仪测试滤波器样品的微波特性。

3.1.1 电感线宽参数提取

对8组滤波器样品第10层电感的线宽进行测试，测试结果如表1所示。

表1 滤波器电感线宽测试结果对比

由测量结果可以发现电感线宽的平均值为120μm，比滤波器模型的电感线宽小了20 μm。

3.1.2 介质层厚度参数提取

对8组滤波器样品第17层的介质层厚度进行测试，测试结果如表2所示。

表2 滤波器介质层厚度测试结果对比

由测量结果可以发现介质层厚度的平均值为35μm，比模型的介质层厚度小了4 μm。

3.1.3 层间对位精度参数提取

测试8组滤波器样品第10层图形与第13层图形的对位精度，测试结果如表3所示。

表3 滤波器层间对位精度

由表3可以发现层间对位平均偏差为22 μm。

3.2 LTCC带通滤波器的再仿真

3.2.1 电感线宽再仿真

在HFSS仿真软件中滤波器模型的第10层电感线宽改为120 μm，仿真结果如图4所示，由仿真结果可以发现电感线宽改到120 μm后，中心频率往低频方向偏移了50 MHz左右，表明电感线宽偏差20 μm是导致滤波器中心频率偏移的关键因素。

3.2.2 介质层厚度再仿真

在HFSS仿真软件将仿真模型进行了修改，将仿真模型第17层的介质厚度由39 μm改到35 μm，仿真结果如图5所示，分析仿真结果可以发现电感线宽改到35 μm后，中心频率几乎没有偏移，表明介质厚度偏差4μm不是导致滤波器中心频率偏移的关键因素。

图4 电感线宽改为120 μm后的仿真结果

图5 介质层厚度改为35 μm后的仿真结果

3.2.3 层间对位精度再仿真

在HFSS仿真软件中将仿真模型进行了修改，将仿真模型中第10层和第13层图形对位偏差改到22μm，仿真结果如图6所示，分析仿真结果可以发现叠片对位偏差改到22 μm后，中心频率几乎没有偏移，表明层间对位偏差22 μm也不是导致滤波器中心频率偏移的因素。

图6 层间对位偏差改为22 μm后的仿真结果

4 LTCC带通滤波器中心频率偏移的纠偏

4.1 LTCC带通滤波器工艺尺寸的纠偏

通过前面的分析可以发现电感线宽偏移20μm是导致滤波器中心频率偏移的主要因素，为此针对电感线宽进行纠偏。根据LTCC工艺流程推测导致电感线宽偏移的工序可能为印刷或烧结工序，下面进行测试确认。

考虑到烧结后电感线宽会收缩，设计网版时根据Dupont951材料的收缩率12.7%，将电感线宽由140μm调整到160 μm。测试印刷后干膜的电感线宽，测试结果如表4所示，可以发现印刷干膜的电感线宽和设计值十分接近，偏差在±2 μm以内。这表明印刷工序不是导致电感线宽偏移的主要因素。

表4 印刷电感线宽精度对比

对比电感印刷线宽和剖切样品的线宽，可以计算出电感线宽实际的烧结收缩率为25%，与理论收缩率偏差较大，这表明电感线宽实际收缩率与理论收缩率的偏差是导致滤波器样品电感线宽偏移的主要因素。根据实际收缩率重新设计网版，将电感线宽调整到186μm，按照LTCC滤波器的加工工艺重新加工滤波器。

4.2 优化后线宽尺寸与设计尺寸的对比

测试优化后的滤波器电感线宽，测试结果如表5所示，可以发现按实际收缩率重新设计网版后制作的滤波器样品电感线宽与设计值的偏差可以优化到5μm以内。

表5 优化后滤波器线宽对比结果

4.3 LTCC带通滤波器优化后结果

对进行工艺优化后的滤波器样品进行测试，测试结果如图7所示，中心频率满足设计容差±5 MHz的要求，达到设计指标要求。

图7 优化后滤波器测试结果

5 结论

本文针对某型号LTCC带通滤波器产品中心频率偏移的问题展开研究。通过测试和分析确定电感线宽偏移20 μm是导致滤波器中心频率偏移的主要因素，通过改进工艺对电感线宽进行纠偏，最终使滤波器中心频率偏移优化到±5 MHz以内，满足设计要求。这一研究也表明要获得高性能的LTCC滤波器必须建立正确的工艺流程方案，保证产品工艺指标与设计指标一致。

[1]陈骁勇，王亮，王颖麟，贾少雄，李俊.LTCC电路基板金层表面斑点问题研究[J].电子与封装,2017,17(3):1-4.

[2]董兆文，李建辉，沐方清.LTCC微波一体化封装[J].电子与封装,2010,10(5):1-6.

[3]张伟，秦超，贾少雄.带通滤波器LTCC工艺优化研究[J].电子与封装,2017,17(3)：5-9.

[4]Zhenhai Shao,Masayuki Fujise.60 GHz Narrow Band pass Filter Based on Circle Patch and LTCC[C].IEEE 6thInternational Conference on ITS Telecommunications Proceedings,2006:1173-1174.