DE102005037950B3 - Simplified construction of microwave circuits in LTCC technology with fewer through holes - Google Patents
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Abstract
Description
Ein Verfahren zum vereinfachten Aufbau von Mikrowellenschaltungen in LTCC-Technik mit reduzierter Anzahl von Durchgangslöchern.One Method for simplified construction of microwave circuits in LTCC technology with reduced number of through holes.
Mehrlagen-Keramikschaltungen werden zunehmend auch für Mikrowellenanwendungen in LTCC-Technik (low temperature cofired ceramic) realisiert. Die LTCC-Technik ist eine Keramik-Mehrlagen-Leiterplattentechnik und steht für ein Keramiksubstratsystem, das in der Elektrotechnik als preiswerte Substrattechnologie eingesetzt wird, wobei zehn bis fünfzig Lagen übereinander gestapelt werden können. Die Leiterbahnen bestehen üblicherweise aus gut leitenden, gebrannten Silber- oder Gold-Leitpasten. Die Metallisierungen werden zunächst als metallische Leitpasten im Siebdruckverfahren Lage für Lage auf die ungebrannte ("grüne") Keramik gedruckt und nach dem Stapeln und Pressen des vielschichtigen Aufbaus gemeinsam im Prozessofen gebrannt (cofired). Die Sintertemperatur der LTCC Glaskeramik liegt bei ca. 850°C. Diese relativ niedrige Temperatur ermöglicht erst den Einsatz von gut leitenden Gold- und Silberleiterbahnen anstelle von schlecht leitenden Molybdän- oder Wolframleiterbahnen, welche im Zusammenhang mit der HTCC-Technik (high temperature cofired ceramic) verwendet werden müssen. Diese Verfahren sind schon seit einiger Zeit bekannt.Multilayer ceramic circuits are increasingly being used for Microwave applications in LTCC technology (low temperature cofired ceramic) realized. The LTCC technology is a ceramic multilayer printed circuit board technology and stands for a ceramic substrate system that is considered inexpensive in electrical engineering Substrate technology is used, with ten to fifty layers on top of each other can be stacked. The tracks are usually from highly conductive, burned silver or gold conductive pastes. The Metallizations are first as metallic conductive pastes screen-printed on layer by layer the unfired ("green") ceramics printed and after stacking and pressing the multi-layered construction together burned in the process furnace (cofired). The sintering temperature of the LTCC Glass ceramic is at approx. 850 ° C. This relatively low temperature only allows the use of good conductive gold and silver conductors instead of bad conductive molybdenum or tungsten conductor tracks, which in connection with the HTCC technology (high temperature cofired ceramic) must be used. These procedures are already known for some time.
In
einer Patentschrift aus dem Jahr 1997 (
Im Vergleich zu herkömmlichen Keramikprodukten, deren Herstellung Sintertemperaturen von ungefähr 1300°C erfordert (HTCC), kommt die LTCC-Technik mit etwa 850°C aus, wodurch der bei der Produktion anfallende Energieverbrauch deutlich vermindert wird.in the Compared to conventional Ceramic products whose production requires sintering temperatures of about 1300 ° C (HTCC), the LTCC technology comes out with about 850 ° C, which in the production incurred energy consumption is significantly reduced.
Nicht zuletzt wegen der verwendeten Materialien steckt in der LTCC-Technologie ein großes Potential für Mikrowellenanwendungen. Zahlreiche für den Mikrowellenbereich geeignete Schaltungen sind bereits bekannt. So werden einfache Zirkulatorschaltungen (US 2003/0090335 A1), Feldeffekttransistormischer (US 2003/0151136 A1) oder komplexe, abstimmbare Filterstrukturen (US 2004/0178867 A1) in LTCC-Technik aufgebaut. Sowohl die Keramiksubstrate als auch die Gold- und Silberleiterbahnen weisen entsprechend gute physikalische und elektrische Eigenschaften auf, welche für die erforderlichen hohen Güten für verlustarme Schaltungen im Mikrowellenbereich erforderlich sind. Darüber hinaus sind die Material- und Herstellungskosten konkurrenzfähig zu anderen Substratsystemen wie HTCC und herkömmlicher Leiterplatten-Technik (PCB: printed circuit board) z. B. auf FR4 oder PTFE (Polytetrafluorethylen) Substraten.Not most recently because of the materials used is in the LTCC technology a big Potential for Microwave applications. Many suitable for the microwave range Circuits are already known. So are simple circulator circuits (US 2003/0090335 A1), field effect transistor mixer (US 2003/0151136 A1) or complex tunable filter structures (US 2004/0178867 A1) in LTCC technology. Both the ceramic substrates as well the gold and silver conductors have correspondingly good physical properties and electrical properties, which for the required high grades for low-loss Circuits in the microwave range are required. Furthermore the material and manufacturing costs are competitive with others Substrate systems such as HTCC and conventional printed circuit board technology (PCB: printed circuit board) z. B. on FR4 or PTFE (polytetrafluoroethylene) substrates.
Ein
Verfahren zum vereinfachten Aufbau von Mikrowellenschaltungen ist
aus der Vorrichtung zur Übertragung
von breitbandigen Hochfrequenzsignalen (
Weitere kennzeichnende Merkmale sind, dass ein stufenloser Wellenwiderstandsübergang in einem Übergangsbereich der symmetrischen Koplanarleitung auf eine Mikrostreifenleitung ausgestaltet ist und dass zwischen ausgewählten Teilstücken der Leiterbahnstruktur eine Durchkontaktierung angebracht ist, die einen konduktiven Signalübergang zwischen den ausgewählten Teilstücken der Leiterstruktur bewirkt.Further Characteristic features are that a stepless characteristic impedance transition in a transition area the symmetrical coplanar line on a microstrip line is designed and that between selected sections of the conductor track structure a via is attached, which has a conductive signal transition between the selected sections the conductor structure causes.
In dieser Vorrichtung werden also bereits die zur elektrischen Verkopplung der jeweiligen Schaltungskomponenten dienenden elektromagnetischen Felder bzw. dielektrischen Verschiebungsströme verwendet. Dazu dienen spezielle Schaltungsmaßnahmen wie die Verwendung von am Ende leer laufenden Leitungen, die an ihrem Ende ein elektrisches Streufeld erzeugen, die Verwendung von in unterschiedlichen Ebenen lateral überlappender planarer Leiterstrukturen, die zueinander Koppelkapazitäten bilden und die Verwendung von resonanten Kopplerstrukturen und resonanten Koppelleitungen an lokal begrenzten Stellen direkt und überwiegend senkrecht durch die zum Aufbau verwendeten Substratschichten, wobei die jeweiligen zu verkoppelnden planaren Leiterstrukturen in unterschiedlichen Ebenen der Schaltungsstruktur liegen. Der gesamte Aufbau ist so auch in LTCC-Technik möglich.In This device will therefore already the electrical coupling the respective circuit components serving electromagnetic fields or dielectric displacement currents used. Serve with special circuit measures like the use of at the end of empty running lines connected to produce an electric stray field at the end, the use of in different levels of laterally overlapping planar conductor structures, which form mutually coupling capacities and the use of resonant coupler structures and resonant ones Coupling lines at localized places directly and predominantly perpendicular through the substrate layers used for the construction, wherein the respective planar conductor structures to be coupled in different Layers of the circuit structure lie. The whole setup is like that also possible in LTCC technology.
Wegen des überwiegenden Aufbaus der Vorrichtung in Koplanartechnik sind die jeweiligen Erdungsebenen (hier Bezugspfade genannt) seitlich symmetrisch zum Signalpfad angeordnet. Dadurch gibt es hier keine geschlossene Erdungsebene zwischen den Signalpfaden im Überlappungsbereich. Auch sind die verschiedenen Erdungsebenen ohne definiertes Bezugspotential und lediglich kapazitiv angekoppelt. Dies ist hier leicht möglich, weil keine empfindliche und komplexe elektronische Mikrowellenschaltung integriert ist, sondern es sich hier lediglich um eine rein passive Kopplungsverbindung zwischen z. B. einer koaxialen Leitung und einer Leiterbahnstrukturen in Mikrostreifenleitertechnik (microstrip) handelt, wobei die jeweiligen Erdungsebenen durch diese Vorrichtung ja gerade voneinander isoliert sein sollen.Because of the predominant structure of the device in Koplanartechnik the respective ground planes (called reference paths here) are arranged laterally symmetrical to the signal path. As a result, there is no closed ground plane between the signal paths in the overlap area. Also, the different ground planes are without defined reference potential and only capacitively coupled. This is easily possible because no sensitive and complex electronic microwave circuit is integrated, but it is only a purely passive coupling connection between z. B. a coaxial line and a conductor track structures in microstrip technology (microstrip) is, the respective ground planes are to be isolated by this device so straight from each other.
Die galvanische Trennung bei gleichzeitig guten Übertragungseigenschaften bei Frequenzen größer 6 GHz ist die Aufgabe dieser beschriebenen Vorrichtung.The Galvanic isolation with good transmission properties at the same time Frequencies greater than 6 GHz is the task of this described device.
Im Bereich der unsymmetrischen Mikrostreifenleitertechnik (microstrip) sieht die Vorrichtung keinerlei Überlappung vor. Beim Übergang zwischen der Koplanartechnik und der unsymmetrischen Mikrostreifenleitertechnik sieht die Vorrichtung vielmehr eine gewöhnliche galvanische Verbindung in Form eines metallisierten Durchgangsloches (via) vor, um eine breitbandige Verbindung zu gewährleisten.in the Range of single-ended microstrip technology (microstrip) the device does not see any overlap in front. At the transition between the coplanar technique and the unbalanced microstrip technology Rather, the device sees an ordinary galvanic connection in the form of a metallized through hole (via) in front of a to ensure broadband connection.
Danach finden noch weitere abschließende Bearbeitungsschritte (post-firing, dicing), die Bestückung (SMT) und Kontaktierung mit hybriden Bauelementen (wire bonding) sowie eine optische Kontrolle (inspection) statt, bevor die fertige LTCC-Schaltung hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften vermessen (RF-characterization) wird.After that find further final processing steps (post-firing, dicing), the assembly (SMT) and contacting with hybrid components (wire bonding) as well as a visual inspection (inspection) before the finished Measured the LTCC circuit with regard to its electrical properties (RF characterization) becomes.
Diese kurze Erläuterung der LTCC-Technik zeigt auf, dass die wesentlichen und aufwendigen Prozessschritte also im Zusammenhang mit der galvanischen Kontaktierung der Leiterbahnen in den unterschiedlichen Ebenen durch die mit leitender Paste gefüllten und dadurch metallisierten Durchgangslöcher (vias) auftreten. Eine Reduktion der Anzahl dieser Durchgangslöcher würde die Herstellung somit vereinfachen.These short explanation The LTCC technique shows that the essential and complex process steps So in connection with the galvanic contacting of the tracks in the different levels through the filled with conductive paste and thereby metallized through holes (vias) occur. A Reducing the number of these through holes would thus simplify manufacture.
Es
zeigt
Neben dem fertigungstechnischen Aufwand für die zahlreichen Bearbeitungsschritte zur gezielten, ortgenauen Erzeugung und Herstellung der mit leitender Paste gefüllten und dadurch metallisierten Durchgangslöcher (vias) gibt es noch einen weiteren gravierenden Nachteil. Die Durchgangslöcher (vias) benötigen ein relativ großes Volumen. Zum einen müssen die Durchgangslöcher selbst genügend groß sein. So wird der kleinste Durchmesser für den Standart-Prozess typischerweise mit 150μm angegeben. Zum anderen muss die Kontaktierungsfläche der Durchgangslöcher (via cover pad) genügend groß sein. Hier ist für den Standart-Prozess etwa der doppelte Lochdurchmesser erforderlich, also ca. 300 μm, wenigstens (Sonderprozess) aber 250 μm. Der minimale Abstand der Mittelpunkte zweier Durchgangslöcher voneinander (via pitch) ist mit 400 μm zu berücksichtigen.Next the production engineering effort for the numerous processing steps for the targeted, accurate production and production of the with conductive Paste filled and thereby metallized through holes (vias) there is one more another serious disadvantage. The through holes (vias) require a relatively large Volume. For one thing must the through holes even enough be great. This is how the smallest diameter becomes typical for the standard process with 150μm specified. On the other hand, the contact surface of the through holes (via cover pad) enough be great. Here is for the standard process requires about twice the hole diameter, So about 300 microns, at least (Special process) but 250 microns. The minimum distance of the centers of two through holes from each other (via pitch) is with 400 μm to take into account.
Dieser, für die Realisierung der zur galvanischen Kontaktierung notwendigen mit leitender Paste gefüllten und dadurch metallisierten Durchgangslöcher (vias), notwendige Raum kann nicht für weitere funktionelle Zwecke genutzt werden und führt daher regelmäßig zu einer drastischen Vergrößerung der elektronischen Schaltung.This, for the Realization of the necessary for galvanic contacting with filled with conductive paste and thereby metallized through holes (vias), necessary space can not for be used for other functional purposes and therefore leads to a regular drastic enlargement of the electronic circuit.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Anzahl der zur galvanischen Kontaktierung notwendigen mit leitender Paste gefüllten und dadurch metallisierten Durchgangslöcher (vias), trotz der Verwendung einer zusammenhängenden Erdungsebene (ground) wie sie bei überwiegender Realisierung von Leiterbahnstrukturen in unsymmetrischer Mikrostreifenleitertechnik (microstrip) bzw. zur elektrischen Abschirmung der elektronischen Mikrowellenschaltung (Ringmischer, Mikrowellen-Leistungsverstärker, Mikrowellen-Oszillatorschaltung) vom Strahlungsfeld der Antennenanordnung benötigt wird, ganz erheblich zu verringern und dadurch einerseits den fertigungstechnischen Aufwand und andererseits die räumlichen Abmessungen der realisierten Mikrowellenschaltungen zu reduzieren.The object of the invention is to reduce the number of through holes (vias) filled with conductive paste and thereby metallized, despite the use of a coherent ground plane (ground) as in the case of predominant realization of printed conductor structures in single-ended microstrip technology (microstrip) or for electrical screening tion of the electronic microwave circuit (ring mixer, microwave power amplifier, microwave oscillator circuit) from the radiation field of the antenna array is required to significantly reduce and thereby reduce the one hand, the manufacturing cost and on the other hand, the spatial dimensions of the realized microwave circuits.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.These Task is achieved by the features listed in claim 1 solved.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass auf eine große Anzahl von Durchgangslöchern (vias) verzichtet werden kann. Fertigungstechnisch bedeutet dies, dass die Prozessschritte zur Erzeugung der Durchgangslöcher (via forming) und zum Füllen der Durchgangslöcher (via filling) vereinfacht werden. Weiterhin bedeutet dies, dass der Prozessschritt zur Kontrolle der Durchgangslöcher (inspection) verkürzt wird, wodurch Zeit und Geld eingespart werden kann. Ein weiterer, ganz erheblicher Vorteil besteht darin, dass die Abmessungen der LTCC-Schaltung bei gleicher Funktionalität signifikant reduziert werden kann, weil das nicht von den Durchgangslöcher verbrauchte Volumen durch schaltungstechnisch relevante Bauelemente besetzt werden kann. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.The particular advantages of the invention are that on a big one Number of through holes (vias) can be dispensed with. In terms of production technology, this means that the process steps for the creation of the through holes (via forming) and for filling the through holes (via filling). Furthermore, this means that the Process step to control the through-holes (inspection) is shortened, which saves time and money. Another, whole significant advantage is that the dimensions of the LTCC circuit with the same functionality can be significantly reduced because that did not consume from the through holes Volume occupied by circuitry relevant components can be. An embodiment of the The invention is illustrated in the drawing and will be described below described in more detail.
Es zeigenIt demonstrate
Zur Realisierung der Leiterbahnstrukturen in unsymmetrischer Mikrostreifenleitertechnik (microstrip) bzw. zur elektrischen Abschirmung der elektronischen Mikrowellenschaltung (Ringmischer, Mikrowellen-Leistungsverstärker, Mikrowellen-Oszillatorschaltung) vom Strahlungsfeld der Antennenanordnung wird eine Erdungsebene (ground) benötigt, die zur Erzielung eines definierten Potentials mit Hilfe von metallisierten Durchgangslöchern (vias) mit der Masseleitung der elektronischen Mikrowellenschaltung galvanisch verbunden ist. Der Schlüssel für die hier vorgestellte Erfindung liegt in der sehr geringen Schirmdämpfung einer Erdungsebene (ground) in LTCC-Technik. Im Gegensatz zu abschirmenden Gehäusen, deren Wandstärke der Metallisierung im Millimeterbereich liegt, sind bereits die durchgehenden Kupferflächen in der PCB-Technik nur noch 35 μm dick. In der LTCC-Technik jedoch werden für die Metallisierungen der Erdungsebenen typischerweise nur noch Schichtdicken von etwa 10 μm erreicht. Hinzu kommt, dass die Erdungsebenen in der LTCC-Technik keineswegs vollständig geschlossene Flächen sind, sondern vielmehr aus einem feinmaschigen Netz von Leiterbahnen gebildet werden, deren Metallisierung insgesamt weniger als 50 % der abgedeckten Fläche beträgt. Ein großer Teil der Erdungsebene besteht also aus nicht leitender Keramik. Dies ist erforderlich, um Ablösungen der jeweiligen Keramikschichten voneinander zu vermeiden, denn eine vollständig durchgehende Metallisierung würde als Zwischenschicht die Keramikebenen separieren. Diese könnten dann nicht miteinander verschmelzen und es könnten sich in einer durchgehenden Metallisierung laterale Risse bilden, die zur Ablösung der einzelnen Ebenen führen würde. Während in der Mehrlagen-PCB-Technik die Schichtdicke der einzelnen Lagen etwa 500 μm beträgt, können die Schichtdicken der einzelnen Lagen in der LTCC-Technik schon im Standart-Prozess bis auf 40 μm (nach dem Brennen) reduziert werden. Durch die dünne Metallisierung, die geringe Flächendeckung der Metallisierung und durch die geringen Abstände der einzelnen Ebenen untereinander ist die Schirmdämpfung einer Erdungsebene (ground) in LTCC-Technik sehr gering.to Realization of the interconnect structures in unbalanced microstrip technology (microstrip) or for electrical shielding of the electronic Microwave circuit (ring mixer, microwave power amplifier, microwave oscillator circuit) from the radiation field of the antenna arrangement becomes a ground plane (ground) needed, to achieve a defined potential with the help of metallized Through holes (vias) with the ground line of the electronic microwave circuit is galvanically connected. The key to the invention presented here lies in the very low shielding attenuation of a ground plane in LTCC technology. In contrast to shielding housings whose Wall thickness metallization in the millimeter range, are already the continuous copper surfaces only 35 μm thick in PCB technology. In the LTCC technique, however, the metalizations of the Grounding levels typically reached only layer thicknesses of about 10 microns. In addition, the grounding levels in the LTCC technology by no means Completely are closed surfaces, but rather formed from a fine-meshed network of tracks whose metallization total less than 50% of the covered area is. A large Part of the ground plane thus consists of non-conductive ceramic. This is required to detachments the respective ceramic layers to avoid each other, because a Completely continuous metallization would as intermediate layer separate the ceramic layers. These could then not merge together and it could be in a continuous Metallization form lateral cracks, which replace the lead to individual levels would. While in multi-layer PCB technology, the layer thickness of the individual layers about 500 microns is, can the layer thicknesses of the individual layers in LTCC technology already in the Standard Process up to 40 μm (after firing) are reduced. Due to the thin metallization, the low coverage the metallization and the small distances between the individual levels is the screen attenuation a ground plane in LTCC technology very low.
Auch liegt der Wert für die Permittivität der Keramik mit einem Wert von 7,8 fast doppelt so hoch wie bei einem FR4-Substratmaterial der PCB-Technik.Also is the value for the permittivity The ceramic with a value of 7.8 almost twice as high as at a FR4 substrate material the PCB technology.
Es bietet sich also an, immer dann, wenn in einer Mikrowellenschaltung dielektrische Verschiebungsströme fließen müssen, diese durch die Erdungsebene hindurch fließen zu lassen, d. h. die speziellen Gegebenheiten der Erdungsebene (ground) in der LTCC-Technik geschickt für die Realisierung von Schaltungen zu nutzen, um vermeidbare Durchgangslöcher einzusparen.It So it makes sense, whenever in a microwave circuit dielectric displacement currents flow have to, to let them flow through the ground plane, d. H. the special ones Conditions of the ground plane in LTCC technology for the Realization of circuits to use to avoid avoidable through holes.
Den
Schichtaufbau für
eine typische Mikrowellen-Filterstruktur,
aufgebaut aus planaren Resonanzleitungen in unsymmetrischer Mikrostreifenleitertechnik
(microstrip), zeigt
Die in der zuführenden Leitung (Filter 1) zugeführte elektromagnetische Energie gelangt also über die Streufelder der jeweiligen am Ende leerlaufenden Leitungen durch die Erdungsebene (Ground 1) hindurch über die Resonanzleitung (Filter 2) nochmals durch eine Erdungsebene (Ground 2) auf die abführende Leitung (Filter 3). Es werden aber nur jene Frequenzanteile der elektromagnetischen Energie nennenswert übertragen, die einem Einfachen oder Vielfachen der Resonanzfrequenz der Resonanzleitung entsprechen, d. h. die elektrische bzw. physikalische Länge der Resonanzleitung (Filter 2) bestimmt das übertragene Frequenzspektrum, weil das Streufeld am Ende der Resonanzleitung im Resonanzfall durch die Spannungsüberhöhung auf der Leitung besonders ausgeprägt ist.The in the afferent Line (Filter 1) supplied Electromagnetic energy thus passes through the stray fields of the respective at the end idle lines through the ground plane (Ground 1) across the resonance line (filter 2) again through a ground plane (Ground 2) on the laxative Line (filter 3). But only those frequency components of the Electromagnetic energy transmitted to a simple or Multiples of the resonant frequency of the resonant line, d. H. the electrical or physical length of the resonant line (Filter 2) determines the transmitted Frequency spectrum, because the stray field at the end of the resonant line in case of resonance by the voltage overshoot on the line especially pronounced is.
Die
hier beispielhaft beschriebene Mikrowellen-Filterstruktur lässt sich
beliebig erweitern. Es ist in der Regel sinnvoll, mehrere Resonanzleitungen
zu verwenden. Diese können
entweder in immer neuen weiteren Keramikebenen liegen, oder wieder
auf die obere Keramikschicht zurückgeführt werden.
So ist beispielsweise eine Mikrowellen-Filterstruktur denkbar, bei
der drei Resonanzleitungen verwendet werden. Demnach könnte die
in
Es
ist in
Die Kopplung von Leiterbahnstrukturen ist auch für nicht-resonante Schaltungsstrukturen sinnvoll. Insbesondere dann, wenn Rückwirkungen der einzelnen aktiven Schaltungskomponenten untereinander gering gehalten werden sollen, ist eine geringe Ankopplung erwünscht. So darf beispielsweise die Rückwirkung einer modulierten Sender-Endstufe oder eines zur Modulation (direct sequence spread spectrum) mit digitalen Signalen verwendeten Ringmischers auf die Mikrowellen-Oszillatorschaltung keinesfalls zu Leistungs- oder Frequenzeinbrüchen führen. Oft ist man daher gezwungen, das Oszillatorsignal zunächst zu verstärken und dann mit Hilfe von Dämpfungsgliedern wieder abzuschwächen, um die Rückwirkungen auf die Mikrowellen-Oszillatorschaltung gering zu halten.The Coupling of interconnect structures is also useful for non-resonant circuit structures. In particular, if repercussions the individual active circuit components with each other low to be held, a low coupling is desired. So may, for example, the retroactivity a modulated transmitter output stage or one for modulation (direct sequence spread spectrum) used with digital signals ring mixer to the microwave oscillator circuit in no case lead to power or frequency dips. Often, therefore, one is forced the oscillator signal first to reinforce and then with the help of attenuators to weaken again about the repercussions to keep the microwave oscillator circuit low.
In
solchen Fällen
empfiehlt sich der in
Diese Überlappung
ist in
Ein
Ausführungsbeispiel
für die
Verkopplung einer nicht-resonanten
Leiterbahnstruktur mit einer resonanten Leiterbahnstruktur wird
in
Die
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