CC BY
69
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.372.543
ЧАСТОТНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ LTCC МАТЕРИАЛОВ
А.Ю.Беляков, Е.В.Петров, В.В.Попов, А.Р.Рычко FREQUENCY CERAMIC FILTERS BASED ON DOMESTIC LTCC MATERIALS
A.Iu.Beliakov, E.V.Petrov, V.V.Popov, A.R.Rychko
ОАО «СКТБРТ», popov_vv@mail.ru
Представлены особенности LTCC технологии, а также основные этапы проектирования и производства устройств, выполненных по этой технологии. Приведен сравнительный анализ отечественных и импортных LTCC материалов. Изготовлен фильтр на отечественной керамике и проведен анализ рассчитанных и измеренных характеристик. Ключевые слова: LTCC, многослойные структуры, частотные фильтры
This paper presents some features of LTCC technology and main stages of design and manufacturing filters of this type. The specifics of application of LTCC materials for realization of frequency filters are shown. The comparative analysis of domestic and imported LTCC materials is given. The research model based on domestic LTCC material is designed and the analysis of calculated and measured characteristics is carried out. Keywords: LTCC, multilayer structures, frequency filters
В настоящее время основными направлениями развития устройств частотной селекции сигналов являются улучшение их электрических и эксплуатационных параметров, повышение технологичности и унификации габаритных размеров. В связи с этим все большее распространение получают интегральные фильтры, выполненные по технологии низкотемпературной керамики ^ТСС) [1].
Широкое применение данная технология получила благодаря своим особенностям [2]:
— возможность миниатюризации и прочность конструкции;
— высокие технические характеристики и надежность;
— высокая повторяемость параметров;
— расширенный диапазон рабочих температур и механических нагрузок;
— возможность организации массового производства с последующим изменением параметров;
— низкая себестоимость.
Качество конечного продукта во многом зависит от качества исходных материалов. В литературе [1-5] представлены результаты разработки и изготовления фильтров, фазовращателей, делителей и других устройств отечественными разработчиками, такими как ФГУП «РНИИРС», АО «ОНИИП», СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с использованием импортных материалов LTCC производства фирмы DuPont, фирмы КЕКО и
фирмы Ferro. Типовой состав керамики LTCC [6] — кристаллизованное стекло или смесь стекла и керамики (Al2O3, Si2O3, PbO и т. д.).
В АО «НПП «Исток» им. Шокина г. Фрязино разработан и производится отечественный материал LTCC - СКМ ТУ 6366-044-07622667-2012. Сравнение основных параметров материала СКМ с импортными аналогами LTCC материала производства фирмы DuPont серии Green tape 951, производства фирмы КЕКО серии SK47 и производства фирмы Ferro серии L8 приведены в табл.1.
Сравнение характеристик материалов показывает, что по основным параметрам отечественный материал не уступает зарубежным аналогам.
Важнейшая часть LTCC-систем — проводники, совместимые с низкотемпературной керамикой. При совместном обжиге важными параметрами металлизации являются усадка и тепловое расширение материалов, которые должны быть сопоставимы с параметрами используемой керамики.
Производители, как правило, предлагают комплексные LTCC-системы, в которых керамические материалы и проводящие/резистивные пасты подобраны так, что имеют полную совместимость [6].
Для отечественного LTCC-материала СКМ ООО «НПП «Дельта-Пасты» разработал ряд проводниковых паст ТУ 6365-023-59839838-2012. Основные параметры паст приведены в табл.2.
Таблица 1
Справочные данные по материалам ЦГСС
Наименование параметра Тип керамики
СКМ SK47 Ferro L8 Green tape 951
100 150 250 50 51
Толщина пленки, мкм 114 165 127 254 114 165
254 254
Диэлектрическая постоянная на 10 ГГц 7,0-0,2 7,1±0,2 7.3±0,2 7,8
Тангенс угла диэлектрических потерь 15^10-4 (20 ГГц) 30-10-4 (10 ГГц) 18^10-4 (1 ГГц) 1-10-3 (10 ГГц)
Сопротивление изоляции при 100 V, Омсм 1012 — 1012 1012
Напряжение пробоя > 10 КВ/мм — — >1000 V/Mil
Усадка (X, Y) * 8,5 ±0,3% 13±0,5% 13% 12,7% ± 0,3%
Усадка 12,4 ± 0,4% 15±0,5% 17% 15% ± 0,5%
Плотность, г/см3 3,1 2,9 3.1 3,1
Усилие на изгиб, МРа 210 200 275 320
ТКЛР, ррт 5,8-7,2 6,9 6 5,8
Коэффициент теплопроводности, W/mK 3,0 2,9 >3 3,0
Таблица 2
Значения параметров по типам паст
Наименование параметра ПП- 111 ПП- 112 ПП- ПП- 121 131 ПП- ПП- 132 141 ПП- 151 ПП- 152 ПП- 153
1. Внешний вид Вязкая однородная масса от темно-серого до черного цвета
2. Металлы проводящей фазы Ag Ag/Pb Ag Ag/Pb Au Au/Pt Au
3. Условная вязкость при температуре 20...22°С, мм 15-20 15-20 18-23 19-24 19-24 15-20
4. Степень перетира, мкм не более 20 15
5. Срок сохраняемости пасты в упаковке предприятия изготовителя, мес 6
Для оценки возможности замещения импортных ЦГСС материалов отечественными ЦГСС материалами — СКМ ТУ 6366-044-07622667-2012 и проводниковой пастой ТУ 6365-023-59839838-2012 на их основе был разработан фильтр низких частот в соответствии с типовой методикой [7,8].
Процесс проектирования интегрального фильтра на сосредоточенных элементах включал в себя следующие этапы:
1. Расчет по заданной рабочей характеристике (заданным параметрам) фильтра нормированных значений элементов низкочастотного фильтра-прототипа (НФП).
2. Определение значений сосредоточенных элементов эквивалентной схемы фильтра.
3. Выбор конструктивной реализации сосредоточенных элементов эквивалентной схемы фильтра.
4. Расчет геометрических размеров реализуемых конструктивов.
5. Многопараметрическая численная оптимизация 3D-модели конструкции фильтра с учетом паразитных связей и технологии изготовления:
а) создание расчётной модели;
б) расчет характеристик фильтра;
в) анализ результатов расчета, коррекция параметров модели.
6. Изготовление образцов фильтра, измерение их характеристик.
На рис.1 представлена эквивалентная схема и ЗО-модель интегрального ФНЧ седьмого порядка.
т т т
Рис.1. Эквивалентная схема и 3D-модель ФНЧ-7600
-20
-40
-60
50 5050 10050 15000
Частота, МГц
Рис.2. Характеристики затухания ФНЧ-7600 и LFCN-6700
Таблица 3
Значения основных показателей разработанного фильтра и аналога
Наименование параметра ФНЧ-7600 3D-модель ФНЧ-7600 Готовое изделие LFCN-6700 datasheet
Частота среза по уровню 3дБ, fр, МГц 7600 7599 7554
Вносимое затухание, авн, дБ на частоте 6700 МГц ' 0,8 1,69 0,79
Гарантированное затухание, агар, дБ на частоте 11000 МГц 41,35 44,62 45,43
Коэффициент прямоугольности по уровням 20/3 дБ 1,11 1,12 1,15
Габаритные размеры, мм 4,3x2,4x1 4,3x2,4x1,4 3,2x1,6x0,94
\ \\ V* V*
v^ \\\ Расчетная \ \\ характеристика \ \ ФНЧ-7600 V \ ^ Характеристика LFCN-6700 /
Измеренная \ д характеристика \J \ ФНЧ-7600 \ / / \ / \ /
i
На рис.2 представлены расчетная и измеренная (без учета потерь на подключающем устройстве) характеристики разработанного ФНЧ с частотой среза по уровню 3 дБ — 7600 МГц (габаритные размеры: 4,3^2,4x1,4 мм), а также характеристика фильтра аналога LFCN-6700 фирмы Mini-Circuits с частотой среза по уровню 3 дБ — 7600 МГц и граничной частотой полосы пропускания 6700 МГц (габаритные размеры: 3,2x1,6x0,94 мм). Для построения характеристики фильтра аналога использовались s-параметры, предоставленные в Data Sheet на сайте фирмы изготовителя [9].
Значения основных показателей, характеризующих технический уровень и конкурентоспособность разработанного фильтра в сравнении с аналогом, представлены в табл.3.
Сравнение характеристик и основных показателей фильтра, спроектированного и изготовленного на основе отечественных LTCC-материалов, и им-
портного аналога показывает, что отечественные LTCC-материалы позволяют производить фильтры с параметрами близкими к импортным аналогам.
1. Борейко Д., Хроленко Т., Яковлев А. Унифицированные полосовые LC-фильтры, выполненные по интегральной технологии // Современная электроника. 2015. №7. С.38-40.
2. Шистик Л. Руководство по разработке продуктов на основе многослойных керамических плат, выполненных по LTCC-технологии. Заказная тонкопленочная продукция, American Technical Ceramics, 2004. 34 с.
3. Егоров Г., Капкин С., Стельмахович Л. и др. Многослойные керамические микросхемы на основе LTCC // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. №7. С.44-46.
4. Вендик И.Б. Миниатюрные СВЧ устройства с применением LTCC-технологии [Электронный ресурс]: http://www.mwelectronics.rU/2012/Plenary/U08_I.B.%20Ve ndik_Miniatyumy%60e%20SVCh%20ustroystva%20.pdf.
5. Перцель Я., Яковлев А. Преимущества использования технологии низкотемпературной керамики для реализа-
ции радиоэлектронных устройств // Современная электроника. 2012. №8. С.16-198.
6. Кондратюк Р. LTCC —низкотемпературная совместно обжигаемая керамика / Нано индустрия. 2011. №2. С.26-30.
7. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.1 / Пер. с англ.; под ред. Л.В.Алексеева и Ф.В.Кушнира. М.: Связь, 1971. 440 с.
8. Ханзел Г. Е. Справочник по расчету фильтров / Пер. с английского; под ред. А.Е.Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. 288 с.
9. www.minicircuits.com [Электронный ресурс].
References
1. Boreiko D., Khrolenko T., Iakovlev A. Unifitsirovannye polosovye LC-fil'try, vypolnennye po integral'noi tekhnologii [Conventional band-pass LC-filters implemented using IC technology]. Sovremennaia elektronika, 2015, no. 7, pp. 3840.
2. Shistik L. Rukovodstvo po razrabotke produktov na osnove mnogosloinykh keramicheskikh plat, vypolnennykh po LTCC-tekhnologii. Zakaznaia tonkoplenochnaia produktsiia [Manufacturing Design Guidelines for Low Temperature Cofired Ceramic Substrates and Packages. ATC Custom Film Products]. American Technical Ceramics, 2004. 34 p.
3. Egorov G., Kapkin S., Stel'makhovich L et al. Mnogosloinye keramicheskie mikroskhemy na osnove LTCC [LTCC multi-
layer ceramic chips]. Elektronika: nauka, tekhnologiia, biiznes (Elektronika: NTB) - Electronics: Science, Technology, Business (Electronics: STB), 2006, no. 7, pp. 44-46.
4. Vendik I.B. Miniatiurnye SVCh ustroistva s primeneniem LTCC-tekhnologii [LTCC miniature microwave devices]. Available at: http://www.mwelectronics.ru/2012/Plenary/ U08J.B.%20Vendik_Miniatyurny%60e%20SVCh%20ustr oystva%20.pdf
5. Pertsel' Ia., Iakovlev A. Preimushchestva ispol'zovaniia tekhnologii nizkotemperaturnoi keramiki dlia realizatsii ra-dioelektronnykh ustroistv [Benefits of LTCC technology in realization of radioelectronic devices]. Sovremennaia elektronika, 2012, no. 8, pp. 16-19.
6. Kondratiuk R. LTCC - nizkotemperaturnaia sovmestno obzhi-gaemaia keramika [LTCC - Low-Temperature Co-Fired Ceramics]. Nanoindustriia - Nanoindustry, 2011, no.2, p.26-30.
7. Matthaei G.L., Young L., Jones E.M.T. Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures, vol. 1. New-York, McGrow-Hill Book Company, 1964. (Russ. ed.: G.L. Mattei, L. Iang, E.M.T. Dzhons. Fil'try SVCh, so-glasuiushchie tsepi i tsepi sviazi, vol.1. Moscow, "Sviaz"' Publ., 1971, 439 p.).
8. Hansell G.E. Filter design and evaluation. New York, Van Nostrand Reinhold Co, 1969. 203 p. (Russ. ed.: Khanzel G.E. Spravochnik po raschetu fil'trov. Moscow, "Sovetskoe radio" Publ., 1974).
9. Available at: www.minicircuits.com.
