1 引言
低溫共燒陶瓷(LTCC)是用于實現(xiàn)高集成度、高性能電子封裝的三維多層封裝技術。在微波、毫米波系統(tǒng)中，可廣泛應用于多芯片模塊(MCM)電路設計中。在三維MCM系統(tǒng)集成技術中，LTCC技術集高密度多層互連、內(nèi)埋無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)點使其成為實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝(SIP)的首選技術。
在瞬時測頻、測量儀器及高速數(shù)字電路等領域中，寬帶微波延遲線是關鍵部件，其性能指標主要取決于延遲線的長度和相位精度。傳統(tǒng)的延遲線一般用同軸電纜實現(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，對后級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，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)換設計
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體以連接不同層間的信號線，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標準阻抗。
(1)
由(2)式可以計算出50W傳輸線的外徑D0。
(2)
對于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)的情況下，過多地增加通孔個數(shù)對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，信號通孔在穿越微帶線地層(帶狀線上層地)時，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標準阻抗，所以這種三維通孔結(jié)構(gòu)是重要的設計考慮。通過在頻域進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傳輸性能也有一定影響，為了有助于將電磁信號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)的仿真和測量S參數(shù)，結(jié)果顯示：隨著頻率增加，插損逐漸增大;測量結(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)的實際損耗會隨頻率增加而增大引起的。此外，實測插損值中還包括了測試架及輸入輸出SMA接頭的插損。
圖2 LTCC基板類同軸垂直轉(zhuǎn)換的測試和仿真結(jié)果
3 LTCC多層延遲線設計
利用LTCC基片設計了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，導帶居中，上、下基片對稱各為三層，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特性阻抗來設計。類同軸轉(zhuǎn)換的接地通孔貫穿整個LTCC基板，連接上下兩層地面，為信號線提供良好的屏蔽。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)，可以計算出所需彎折線的長度l:
(3)
其中，t為延遲時間，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)，延遲時間為0.2nS時，所需的彎折帶線長度。[!--empirenews.page--]
(a)0.2nS LTCC多層延遲線
(b)0.2nS LTCC多層延遲線測試和仿真結(jié)果
圖3 0.2nSLTCC多層延遲線
由于彎折線段間的串擾影響，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，而每個帶狀線的基片有六層，導帶居中，上、下基片對稱各為三層，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，其設計如同0.2nS延遲線，圖4所示為結(jié)構(gòu)與測試、仿真結(jié)果。正如圖4(a)所示，自基片頂層向下，信號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，此接地過孔長度0.6mm。文獻[7]報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。對于給定的延遲時間，多層LTCC延遲線以其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和良好的信號完整性，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)。
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