Исследование причин несоответствий изготовленных по ltcc технологии СВЧ-фильтров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.372.543.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН НЕСООТВЕТСТВИЙ ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО LTCC ТЕХНОЛОГИИ СВЧ-ФИЛЬТРОВ

А.Р.Рычко, И.С.Телина INVESTIGATION OF NON-CONFORMITY OF LTCC MICROWAVE FILTERS

A.R.Rychko, LS.Telina

Институт электронных и информационных систем НовГУ, bruane@yandex.ru

Рассматриваются СВЧ-фильтры, выполненные по технологии низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC). Описан типовой технологический процесс изготовления многослойной керамической платы, даны основные характеристики керамического материала. В ходе данной работы исследовался полосовой фильтр, изготовленный из отечественных материалов по LTCC-технологии. При сопоставлении измеренных и рассчитанных характеристик были обнаружены несоответствия. Для установления причин несоответствия изделий был использован метод рентгенографии. По результатам исследования даны рекомендации.

Ключевые слова: LTCC, многослойные структуры, СВЧ-фильтры, рентгенография

This article focuses on microwave filters made on technology of low-temperature co-fired ceramics (LTCC). A typical technological process of manufacturing a multilayer ceramic structure is described, and the main characteristics of the ceramic materials are given. We investigated a band-pass filter made of domestic materials using LTCC technology. When comparing the measured and the calculated characteristics, some mismatches were found. To determine the causes of non-conformity, the method of X-ray diffraction was used. Based on the results of the study, we formulated some recommendations. Keywords: LTCC, multilayer structures, microwave filters, X-ray diffraction

Введение

В настоящее время основными направлениями развития устройств частотной селекции сигналов являются улучшение их электрических и эксплуатационных параметров, повышение технологичности и унификации габаритных размеров. Поэтому все большее распространение получают интегральные фильтры, выполненные по технологии низкотемпературной керамики (LTCC).

Анализ СВЧ-фильтров, выполненных по LTCC технологии

СВЧ-фильтрами называют четырехполюсники, осуществляющие передачу колебаний СВЧ от источника (генератора) в согласованную нагрузку в соответствии с заданной частотной характеристикой, которая включает в себя амплитудную и фазовую характеристики. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) описывается функцией затухания Цю) и функцией потерь на отражение Lr(ra).

Затухание определяется формулой:

L =10 lg (P^-] = -20 lgl^i |, (1)

К1 out J

где Рп и Рш — мощности на входе и выходе фильтра;

— матрица рассеяния фильтра; 1, 2 — номера входного и выходного портов фильтра.

ц ^ЦрР^^овда (2)

где Рг — отраженная от фильтра мощность.

Величины Ь и Ьг, определяемые формулами (1) и (2), положительны, если фильтр не содержит усилителей.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) описывается функцией сдвига фазы ф(ю). Сдвиг фазы выражается формулой:

ф = фои -фт = а^21), (3)

где ф,п и фо^ — фазы напряжения сигнала на входе и выходе фильтра. С функцией сдвига фазы тесно связано групповое время запаздывания:

т = dф / dю. (4)

Весь частотный диапазон СВЧ-фильтра условно разделяют на полосы пропускания и полосы заграждения, между которыми располагаются переходные области. В полосе пропускания затухание фильтра минимально, а в полосе заграждения — максимально. С точки зрения минимизации фазовых искажений сигна-

Рис.1. Пример многослойной структуры, выполненной по LTCC-технологии

ла, групповое время т(ю) должно быть максимально постоянным, т. е. должно иметь минимальную неравномерность Дт в полосе пропускания. Высокое затухание сигнала в полосе заграждения достигается за счет сильного отражения на входе фильтра [1].

По типу взаимного расположения полос пропускания и заграждения СВЧ-фильтры разделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающие (ППФ) или полосовые фильтры (ПФ), и полосно-заграждающие (ПЗФ) или режекторные фильтры (РФ).

Все большее распространение получают СВЧ-фильтры, выполненные по технологии низкотемпературной (850°С) керамики — LTCC. Аббревиатура LTCC расшифровывается как Low Temperature Cofired Ceramic, что в переводе на русский язык означает «низкотемпературная совместно обжигаемая керамика». На рис.1 представлен пример многослойной структуры, выполненной по данной технологии.

Основными достоинствами данной керамики являются [2]:

1) химическая стабильность (инертность к HCI, NaOH);

2) термическая стабильность (> 600°С);

3) высокая теплопроводность (3 Вт/мК при 600°С);

4) высокая твердость (8 по Моосу);

5) высокие диэлектрические показатели (низкие потери на высоких частотах);

6) высокая надежность и герметичность.

Стеклокерамический материал (СКМ) изготавливается в виде порошка. Цвет же стеклокерамиче-ского материала — от светло-голубого до голубого. В состав СКМ входят: порошок стекла Ст-15 (49 масс. %), порошок корунда (51 масс. %). В качестве основного материала LTCC для изготовления макетов интегральных фильтров был выбран отечественный стеклокерамический материал (СКМ) производства НПП «Исток» им. Шокина (г.Фрязино).

СКМ после обжига по свойствам должен соответствовать нормам, указанным в табл. 1.

Таблица 1

№ Наименование параметра Условное обозначение Норма

1 Кажущаяся плотность, г/см3, не менее Р 2,8

2 Механическая прочность при статическом изгибе, МПа, не менее 5 200

3 Температурный коэффициент линейного расширения, при 20-500°С ОГ10-6 5,0-7,0

4 Диэлектрическая проницаемость на 20 ГГц £ 7,0 - 0,2

5 Тангенс угла диэлектрических потерь на 20 ГГц, менее tg 5 1510-4

6 Объемное удельное электрическое сопротивление, Омхм, более R 1012

7 Пробивное напряжение, кВ/мм, более Цр 10

8 Усадка керамики при обжиге, %, фиксированная в пределах (8-13) ± 0,3

9 Температура обжига, °С Т 850-890

Материалы LTCC

Важнейшая часть LTCC-систем — проводники, совместимые с низкотемпературной керамикой. Металлизация может проводиться с использованием золота, серебра или при их совместном применении. При совместном обжиге важными параметрами металлизации являются усадка и тепловое расширение материалов, которые должны быть сопоставимы с параметрами используемой керамики. Крупные производители, как правило, предлагают комплексные LTCC-системы, в которых керамические материалы и проводящие/резистивные пасты подобраны так, что имеют полную совместимость [3].

Применяются пасты следующих марок: 1111-111, ПП-112, ПП-121, ПП-131, ПП-141, ПП-151, ПП-152,

ПП-153, отличающиеся по составу и назначению. В данном случае применялись пасты 1111-121 и ПП-141. Основные их параметры приведены в табл.2 [4].

Таблица 2

Наименование параметра Значения параметров по типам паст

ПП-121 ПП-141

Внешний вид Вязкая однородная масса от темно-серого до черного цвета

Металлы проводящей фазы Ае Ае^

Условная вязкость при температуре 20-22°С, мм 18-23 18-24

Степень перетира, мкм, не более 20

Технологические особенности изготовления ИС на основе LTCC

Для лучшего понимания возможностей данной технологии необходимо представлять процесс производства многослойной керамической платы.

В типовой технологический процесс изготовления многослойной керамической платы входят следующие стадии [5]:

— формирование «сырой» керамической ленты;

— обрубка заготовок;

— температурная стабилизация керамических заготовок;

— формирование переходных отверстий под межслойные контактные соединения;

— заполнение переходных контактных отверстий электропроводящим материалом;

— трафаретная печать проводящих цепей;

— формирования окон под монтаж компонентов;

— сборка слоев в пакет;

— прессование пакета;

— обрубка пакета до процесса обжига;

— спекание и обжиг;

— нарезка обожженного пакета на модули;

— дополнительная обработка после обжига;

— тестирование и контроль модулей.

Проанализируем некоторые из приведенных

выше стадий подробнее, одновременно рассматривая для каждой из них ряд требований и ограничений, накладываемых процессом изготовления подобных плат.

Квазисосредоточенные емкостные элементы выполняются в виде плоскопараллельных или встреч-но-штырьевых конденсаторов. Диапазон номиналов емкости, реализуемой с помощью плоскопараллельных конденсаторов, достаточно велик: 0,1-15 пФ. Однослойные встречно-штырьевые конденсаторы используются для реализации последовательных емкостей номиналом до 2 пФ.

Для реализации больших значений емкости применяются многослойные встречно-штырьевые конденсаторы, которые являются комбинацией первых двух типов. Обычно в качестве диэлектрика, заполняющего конденсатор, используются непосредственно диэлектрические слои НКТО.

Квазисосредоточенные индуктивные элементы выполняются в виде отрезков линий передачи, входной импеданс которых носит индуктивный характер.

В простейшем случае индуктивность представляет собой прямой отрезок линии передачи. Такие элементы применяют для реализации высокодобротных индуктивностей небольших номиналов (до 2 нГн). С целью эффективного использования площади подложки отрезкам линии придают форму петли или меандра.

Спиральная индуктивность позволяет получить большие номиналы за счет положительной взаимной индуктивности между витками, так как направление тока одинаково для всех витков. Номинал такой индуктивности может достигать 50 нГн в зависимости от геометрии структуры: количества витков, ширины по-лосковых проводников и расстояния между ними.

В многослойных ИС на основе ШСС также возможна реализация трехмерных индуктивных элементов, расположенных в нескольких слоях — так называемых «стековых» и «соленоидных» индуктивностей.

«Стековая» индуктивность представляет собой комбинацию из нескольких спиральных индуктивно-стей, расположенных друг над другом в разных слоях и связанных при помощи межслойных соединений. «Стековая» индуктивность позволяет получить большие номиналы и высокую добротность при малой занимаемой площади.

«Соленоидная» индуктивность представляет собой пространственную спираль, витки которой перпендикулярны слоям керамики. Подобная конструкция позволяет реализовывать наибольшие значения номиналов индуктивности (до 200 нГн) при высокой добротности. Недостатком же является сложность в реализации [7].

Результаты исследования

В ходе выполнения данной работы была рассчитана модель (рис.2) полосно-пропускающего фильтра на основе резонаторных элементов и построена ее АЧХ (рис.3). Полоса пропускания по уровню 2 дБ составляет 421 МГц, а номинальная частота — 2454,5 МГц. На первом этапе проектирования фильтра, в соответствии с типовой методикой [8], по заданным параметрам фильтра, а именно по граничным частотам полос пропускания и заграждения, неравномерности ослабления в полосе пропускания и уровню ослабления на граничных частотах полосы заграждения, по нагрузочным сопротивлениям фильтра и выбранному виду характеристики, определили число звеньев фильтра и нормированные значения элементов низкочастотного фильтра-прототипа.

Рис.3. АЧХ фильтра

Были изготовлены три партии полосовых фильтров из разных видов паст: ПП-121 (3 устройства), ПП-141 (3 устройства) и комбинации данных паст (5 устройств). Измерения производились на векторном анализаторе R&S 2'УГБ20. Были получены характеристики в диапазонах от 0,03 до 5 ГГц и от 0,03 до 10 ГГц. Примеры характеристик представлены на рис.4 и 5.

На данных характеристиках маркерами отмечены важные для анализа участки АЧХ: границы полосы пропускания по уровню 2дБ, заграждение, вносимое затухание, КСВН.

В табл.3 — значения ширины полосы пропускания и центральной частоты всех измеренных фильтров. Во второй части таблицы приведено расхождение с рассчитанным устройством в процентном соотношении.

Тгс1

т:

S21 dB Mag 10 dB/ Ref -40 dB Cal Mem3|Trc1|-

S11 SWR 7.75 U/ Ref 25 U Cal

521 dB Mag 10 dB/Ref-40 dB Invisible

10 * i^rv Л 1

\

/

у

Ban Ban Cen dpass d width er Ref to Max Ti 555.187980 M 2.404931 G ack Hz\ Hz \ ^____ M5 ....................▼

Upp Qui Los er Edge lity Factor (3dB; 2.698493 G 4.332 U 1.7585 d Hz

у

• M M 2.501150 GH 2.143305 GH z -1.7585 dB -4.7585 dB

-90 M M 2.404931 GH 4.396244 GH M1 2.210746 z -1.9762 dB г -36.8995 dB

Chi Start 300 kHz

Rwr 10 dBm Bw 10 kHz

Рис.4. АЧХ фильтра в диапазоне от 0,03 до 5 ГГц

Тгс1 Тгс4

S21 dB Mag 13 dB/Ref-3 dB Cal S11 SWR 1 U/Ref 1 ü Cal

Mem3|Trc1 ] -

521 dB Mag 13 dB/Ref-3 dB Invisible

Л-

Bandpass

tcrMax—Track" .193477 MHz .400749 GHz .180750 GHz .642943 GHz 4.330 U 5.194 ü 1.7764 dB—

Lower Ei

Quality Quality Loss

dth

Idge :dge

Factor (3dB) Factor (BW)

1 и -...............

Chi Start 300 kHz

Pwr 10 dBm Bw 10 kHz

Рис.5. АЧХ фильтра в диапазоне от 0,03 до 10 ГГц 12

Таблица 3

№ ПП-121 ПП-141 Комбинация паст Расчет

Центр. Ширина Центр. Ширина Центр. Ширина Центр. Ширина

частота, полосы, частота, полосы, частота, полосы, частота, полосы,

МГц МГц МГц МГц МГц МГц МГц МГц

1 2210,1 398 2257,8 461 2358,4 378

2 2261,2 462 2213,5 353 2406,1 83

3 2227,6 452 2320,8 523 2387,4 369

Отличие от рассчитанного фильтра, % 2454,5 421

1 10,5 5,6 8,4 9,1 4,0 10,8

2 8,2 9,3 10,3 17,6 2,0 134,1

3 9,7 7,1 5,6 21,6 2,8 13,2

Минимальное (2-4%) отклонение центральной частоты наблюдается на фильтрах с комбинацией паст, а максимальное (8,2-10,5%) — в устройствах, выполненных на основе пасты ПП-121. Минимальное (5,6-9,3%) изменение полосы пропускания (сужение, расширение) наблюдается на фильтрах, изготовленных на пасте ПП-121, максимальное (10,8-134,1%) наблюдается в фильтрах с комбинацией паст.

Общей тенденцией вне зависимости от использованной пасты является смещение измеренной АЧХ фильтров «вниз» по частоте (см. рисунок 6).

Результаты моделирования с изменением толщин тонких слоев представлены на рисунках 7 и 8. Было установлено, что брак вызван большей степенью усадки, чем было заявлено в ТУ.

1000 2000 3000 4000

Рис.7. АЧХ при изменении толщины слоев до 0,05 и 0,2 мм в диапазоне 1-4 ГГц

\ /У / у ^^

1 '. \ I 4000 MHz [ Ii" 'Д | -36.89 dB |

1 ■ ¿А

/ / ■ ••.....

/ /

/ /

. <••;.:; MHZ | 1-S1 04 dB |

300 2300 4300 6300 8300 10000

Рис.8. АЧХ при изменении толщины слоев до 0,05 и 0,2 мм в диапазоне 0,3-10 ГГц

Была рассчитана топология (рис.9) полосно-пропускающего фильтра на основе катушек индуктивности и конденсаторов и построена ее АЧХ (рис.10). Полоса пропускания по уровню 2 дБ составляет 178,9 МГц, а номинальная частота — 1130,15 МГц.

-20

-40

800

Рис.9. Модель фильтра

isl _1 4_ _ Л . 1 —ы— ш

\---------- Л\

/ ■г

/

1000 1200 Рис.10. АЧХ фильтра

1400 1500

Были получены характеристики в диапазонах от 0,8 до 1,5 ГГц и от 0,03 до 10 ГГц. Примеры характеристик представлены на рис. 11 и 12.

1 S21 dB Mag 10 dB/ Ref 0 dB Calir

I Start 800 MHz

Pwr 10 dBm Bw 10 kl

Рис.11. АЧХ фильтра в диапазоне от 0,8 до 1,5 ГГц

■ S21 dB Mag 13dB/Ref-3dB Cal Mem3[Trc1] -

м м м 9.372894 GH 2 9.191970 GH ! 9.685241 GH 4- 9.-435383 GH -17.2118 dB -20.1163 dB -18.6313 dB

^x/

Л Л,

V

V

ИМ

и Lower Ith E

11 Quality Quality r(3dB) r (BW) —

Pwr 10 dBm Bw 10 kHz

Stop 9.9988 GHz

Рис.12. АЧХ фильтра в диапазоне от 0,03 до 10 ГГц

Рис. 13. Результат рентгенографии. 1 — керамика, 2 — проводники, 3 — отверстия, 4 — разрывы

Ни одно из измеренных устройств не является фильтром, так как полученные АЧХ не соответствуют АЧХ фильтров. Не возникает полос пропускания и заграждения.

Для выяснения причин были предприняты попытки моделирования различных разрывов цепи. По итогу данного моделирования ни один из предположенных вариантов не показал изменений, приведенных на рис.11-12.

В итоге для установления причин несоответствия изделий был использован метод рентгенографии. Были выявлены две основные причины — разрывы в соединении нижнего и верхнего слоев, т.е. отсутствие контакта на «землю», а также появление трещин и разрывов в тонких слоях (толщина 50 мкм) шириной от 26 до 50 мкм, и, следовательно, отсутствие связи между конденсаторами и связанными с ними катушками индуктивности (рис.13).

Если первая причина вызвана единичным сбоем оборудования и ошибкой в выставлении реперных знаков на плате, то вторая причина объясняется несоответствием отечественного керамического материала заявленным характеристикам при использовании ее в производстве слоев с толщиной 50 и менее мкм.

Черным цветом (3) показаны отверстия, заполненные проводящей пастой. Конструктивно они должны представлять собой ровную линию, замыкая верхнюю и нижнюю металлизацию, но этого не происходит из-за множественных разрывов контакта. Темно-серым (2) отмечены пассивные элементы (катушки индуктивности и конденсаторы), на нижних слоях которых видны множественные разрывы и трещины (4), сквозь которые видно светло-серый цвет (керамический материал — 1).

Заключение

В данной работе исследовались полосовые фильтры, изготовленные по LTCC-технологии с использованием отечественных материалов. Было изучено несколько партий полосно-пропускных фильтров — на резонаторных элементах и на комбинации конденсаторов и катушек индуктивности. В результате выявлен большой процент несоответствия изготовленных устройств заданным и рассчитанным параметрам. Причины несоответствия — утоньшение слоев при спекании, возникновение разрывов проводников, а также разрывов на контактах с «землей».

Для их установления использовали метод рентгенографии.

Для устранения причин возникновения несоответствий были сформулированы следующие рекомендации:

— использовать более качественный материал или же отказаться от использования тонких слоев;

— при проектировании учитывать тенденцию к смещению АЧХ «вниз» и «вверх» по частоте;

— разработать более универсальные модели устройств для создания на одной плате устройств с одинаковой конструкцией, но разными номиналами частот.

1. Тюрнев В.В. Теория цепей СВЧ. Красноярск: КГТУ, 2006. 199 с.

2. Чигиринский С.А. Особенности и преимущества производства многослойных структур на основе керамики (LTCC, HTCC, MLCC) // Компоненты и технологии. 2009. №11. С.130-131.

3. Кондратюк Р.И. LTCC — низкотемпературная совместно обжигаемая керамика // Наноиндустрия. 2011. №2. С.29-30.

4. Технические условия 11-2012. Материалы LTCC. Технические условия ТУ-6366-004-07622667-2012.

5. Симин А., Холодняк Д., Вендик И. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига // Компоненты и технологии. 2005. №5. С.210-216.

6. Верхулевский К. Пассивные компоненты для ВЧ/СВЧ-применений // Компоненты и технологии. 2016. №1. С.92-97.

7. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи: / Пер. с англ. Т.1. М.: Связь, 1971. 440 с.

8. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Пер. с англ. М.: Советское радио, 1974. 288 с.

References

1. Tiurnev V.V. Teoriia tsepei SVCh [Microwave circuit theory]. Krasnoyarsk, KSTU Publ., 2006. 199 p.

2. Chigirinskii S.A. Osobennosti i preimushchestva proizvodstva mnogosloinykh struktur na osnove keramiki (LTCC, HTCC, MLCC) [Features and benefits of production of ceramic-based multilayer structures]. Komponenty i tekhnologii -Components & Technologies, 2009, no.11, p.130-131.

3. Kondratiuk R.I. LTCC - nizkotemperaturnaia sovmestno obzhigaemaia keramika [LTCC - low-temperature co-fired ceramics]. Nanoindustriia - Nanoindustry, 2011. №2. S.29-30.

4. Tekhnicheskie usloviia 11-2012. Materialy LTCC [Technical specifications 11-2012. LTCC Materials]. Tekhnicheskie usloviia TU-6366-004-07622667-2012.

5. Simin A., Kholodniak D., Vendik I. Mnogosloinye integral'nye skhemy sverkhvysokikh chastot na osnove

keramiki s nizkoi temperaturoi obzhiga [Multilayer integrated circuits based on low-temperature co-fired ceramics]. Komponenty i tekhnologii - Components & Technologies, 2005, no. 5, pp. 210-216.

6. Verkhulevskii K. Passivnye komponenty dlia VCh/SVCh-primenenii kompanii Johanson Technology [Johanson Technology passive components for application in high and ultra high frequencies]. Komponenty i tekhnologii -Components & Technologies, 2016, no. 1, pp. 92-97.

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, soglasuiushchie 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).