CN111244594B - 一种基于ltcc技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法，包括以下步骤：S1：基于LTCC技术分别构建多层双螺旋电感模型、三端式多层陶瓷电容器；S2：基于多层双螺旋电感模型和三端式多层陶瓷电容器构建一体化的LC低通滤波器；S3：基于多层双螺旋电感模型构建宽带高频谐波抑制器；S4：将LC低通滤波器与宽带高频谐波抑制器集合为一体构建宽带谐波抑制低通微型滤波器。本发明通过LTCC技术及无源元器件埋置，分别构建LC低通滤波器与宽带高频谐波抑制器，进一步集成为宽带谐波抑制低通微型滤波器能够有效抑制高频噪声，同时提高了电路集成度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路封装与制造技术领域，更具体地，涉及一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法。
背景技术
在硬件电路系统中，高频噪声的存在不仅会影响系统的工作稳定性，还会引起电磁辐射并导致产品质量不合格。在考虑印制电路板的电磁兼容设计时，工程师们通常会将一些抗噪声干扰组件应用于电源接口或芯片外围电路，例如铁氧体磁珠、电感、去耦电容等。但是芯片周围采用过多的电磁干扰抑制元件不可避免地会占用印制电路板较大的面积，进而影响整个电路的集成度。此外，由于表面贴装器件的引脚与焊盘相接触的地方存在寄生电感，此电感不可避免地削弱了表面贴装器件相应的性能，进而影响电路的整体性能。
为了解决以上问题，芯片封装设计技术、多芯组件(MCM)技术等领域应运而生。从1958年第一块集成电路芯片诞生以来，芯片和板级电路的集成度不断提高，为了更好地实现彼此之间的信号传输和处理，需要把芯片和各种元器件通过导带连接起来，这就必须对它们进行组合和封装。国内、外已有较多学者及研究人员在芯片封装技术研究这一领域取得了阶段性的成果。例如，相关文献表明可以根据多芯组件(MCM)技术，采用低温共烧陶瓷(LTCC)或高温共烧陶瓷(HTCC)在横向面积利用已发挥到极致的情况下，可拓展纵向空间，通过增加叠层进一步优化电路布局和布线。由于LTCC多层布线基板可以实现裸芯片直接组装，允许芯片之间靠得更近，使得互联线变短，既缩小了封装尺寸又缩短了信号延迟，同时解决了串扰噪声、杂散电感、杂散电容耦合以及电磁辐射干扰等问题。LTCC可以实现三大无源器件(电阻、电容、电感)及多种无源组件(如滤波器、变压器等)封装于多层布线基板中，并与有源器件(如功率MOS、晶体管、IC模块等)共同集成为完整的电路系统。长期以来，电路中多采用PCB板实现电气互联，但是由于阻、容、感、滤波器等基于陶瓷材质的无源器件需要高温烧结，因此无法集成在多层PCB板中。因此如何抑制电路中的高频噪声和提高电路集成度是当前滤波器技术研究的重要方向。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的滤波器抑制电路中的高频噪声效果不理想，电路集成度不高的缺陷，提供一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法，包括以下步骤：
S1：基于LTCC技术分别构建多层双螺旋电感模型、三端式多层陶瓷电容器；
S2：基于多层双螺旋电感模型和三端式多层陶瓷电容器构建一体化的LC低通滤波器；
S3：基于多层双螺旋电感模型构建宽带高频谐波抑制器；
S4：将LC低通滤波器与宽带高频谐波抑制器集合为一体构建宽带谐波抑制低通微型滤波器。
进一步地，步骤S1所述的多层双螺旋电感模型其电感线圈的面积是为36*36mils2，每层厚度为4.1mils。
进一步地，步骤S1所述的多层双螺旋电感模型导体材料为铂-银合金，线圈叠层介质材料为Ferro A6或Motorola T-2000。
进一步地，所述多层双螺旋电感模型参数包括：外部线圈边长A、内部线圈边长B、导线宽度C、导线间距D、最小线距E、叠层介质厚度F、导线厚度G、过孔直径φ1、过孔焊盘φ2。
进一步地，所述三端式多层陶瓷电容器介电材料为ESL4146，其中，ESL4146生带厚度为1.8mils。
进一步地，所述三端式多层陶瓷电容器容量根据层叠数量的差异容值为1pF至10nF。
进一步地，所述宽带高频谐波抑制器其内部的电感线圈周围介质为铁氧体，电感线圈的不同分段采用若干种铁氧体材料。
进一步地，所述宽带高频谐波抑制器通过调节其内部的电感线圈的间距、介质材料、线圈周围挂载谐振调节叠片电容实现宽带谐波抑制或吸收设定频点的谐波噪声。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过LTCC技术及无源元器件埋置，分别构建LC低通滤波器与宽带高频谐波抑制器，进一步集成为宽带谐波抑制低通微型滤波器能够有效抑制高频噪声，提高了电路集成度。
附图说明
图1为本发明基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的等效电路原理图。
图2为本发明基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器三维结构示意图。
图3为多层双螺旋电感模型结构示意图。
图4为集成电路封装中同时具备多个宽带谐波抑制低通微型滤波器的三维叠层结构侧视图。
图5为集成电路封装中同时具备多个宽带谐波抑制低通微型滤波器的三维叠层结构前视图。
图6为多层双螺旋结构电感线圈三维视图及其等效电路模型。
图7为多频点谐波抑制电路拓扑结构及其阻抗特性曲线。
图8为本发明中基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器及其他滤波元器件插入损耗曲线。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示为本发明基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的等效电路原理图，其中，L1至L4是LTCC埋置螺旋线圈，埋置螺旋线圈采用双螺旋多层结构，当其周围填充的介质材料为Ferro A6时，螺旋线圈的性能类似于电感；当其周围填充的介质材料为铁氧体时，螺旋线圈的性能则类似于磁珠。CPAR1是螺旋电感线圈之间的寄生电容，C1是LTCC多层叠片电容器，C2至C4是用于调节LC谐振频率的电容器。RAC1，RAC2和RAC3分别是在谐振频率ω1，ω2和ω3处表现出的峰值阻抗。
图2所示为本发明基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器三维结构示意图，图中显示了本发明所提出滤波器的物理结构布局，每个独立的模型对应于图1中的电路原理图。图中多个互联组件高度集成于一体，每个滤波器之间保持适当的间距且相互独立。用于低通滤波的电容器C1和用于LC谐振器的其他三个电容器由嵌入式LTCC多层叠片电容器实现。如果需要较大的电容值(≥10nF)，则可以用封装内分立的埋置电容器代替。另外，铁氧体带的磁导率为50到1100，并且被开发用于LTCC磁珠的设计。由于本发明的无源滤波器体积较小，因此也适用于某些引脚密集型BGA封装。
本发明提供了一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法，包括以下步骤：
S1：基于LTCC技术分别构建多层双螺旋电感模型、三端式多层陶瓷电容器；
如图3所示，在一个具体的实施例中多层双螺旋电感模型尺寸。
图4是封装无源滤波器的三维叠层结构侧视图；
图5是封装无源滤波器的三维叠层结构前视图；
在一个具体的实施例中，所述的多层双螺旋电感模型其电感线圈的面积是为36*36mils2，每层厚度为4.1mils，电感线圈的导体材料选择具有较低电阻率、高导电性和良好可焊性的铂-银合金(953-CT-1G)，将低损耗材料Ferro A6(或Motorola T-2000)作为线圈叠层间的介质材料；
在一个具体的实施例中，多层双螺旋电感模型具体参数为：外部线圈边长A＝36mils、内部线圈边长B＝36mils、导线宽度C＝4mils、导线间距D＝4mils、最小线距E＝3mils、叠层介质厚度F＝3.7mils、导线厚度G＝0.4mils、过孔直径φ1＝4mils、过孔焊盘φ2＝6mils。
综合考虑电感线圈的匝数以及它们之间的寄生电容效应，利用高频结构体仿真软件提取出多层双螺旋结构电感模型相应的RLC参数，并建立精确的等效电路拓扑结构；
在一个具体的实施例中，三端式多层陶瓷电容器电极片间的介电材料ESL4146，其中，ESL4146生带厚度为1.8mils。电容值可通高频结构体仿真软件提取或通过计算式C＝ε0εrns/d获得，其中，ε0为真空中的相对介电常数，εr为介质材料的相对介电常数，s为电极片的面积，d为介质材料的厚度，n为叠层的数量；本发明电容器其端口包含信号的输入及输出端，以及一个接地端子，该三端滤波电容将普通双端贴片电容引脚接触端所存在的寄生电感转移到信号传输路径，增强了其对高频噪声的吸收能力；
所述三端式多层陶瓷电容器容量根据层叠数量的差异容值为1pF至10nF。
S2：基于多层双螺旋电感模型和三端式多层陶瓷电容器构建一体化的LC低通滤波器；
本发明所构建的一体化的LC低通滤波器体积小巧、集成度高、对高频噪声敏感的特性；当滤波器中的电容量满足不了工作需求时，本发明的滤波器可以较方便地通过扩展LTCC埋置实体电容来满足工作需求；但由于多层双螺旋结构电感线圈之间存在寄生电容，以及LTCC三端滤波电容的接地引脚存在寄生电感，当频率较高时会引起它们的自谐振现象，进而使得LC低通滤波器的性能减弱，因而本发明在此基础上做了改进，设计了谐波抑制电路即宽带高频谐波抑制器；
S3：基于多层双螺旋电感模型构建宽带高频谐波抑制器；
如图6所示为多层双螺旋结构电感线圈三维视图及其等效电路模型。
需要说明的是，宽带高频谐波抑制器其电感线圈周围介质材料，采用具有较高磁导率的铁氧体，并且线圈的不同分段间采用的是若干种铁氧体材料，所述的铁氧体材料具有不同的相对磁导率，根据实验需要相对磁导率范围控制在μ＝50～1100；
所述宽带高频谐波抑制器通过调节其内部的电感线圈的间距、介质材料、线圈周围挂载谐振调节叠片电容实现宽带谐波抑制或吸收设定频点的谐波噪声。
更具体的，在新建立的多层双螺旋结构线圈模型周围填充具有较高相对磁导率的铁氧体材料，设计性能类似于磁珠的LTCC埋置元器件；
将具有不同阻抗特性的磁珠在LTCC叠层中串联组合，根据“多频点集合方案”，利用单个双螺旋结构线圈实现宽带谐波抑制器的设计；其中，一体化共享双螺旋结构线圈实现的宽带谐波抑制器3D结构如说明书附图5所示，L11，L21，...，Ln1和L12，L22，...，Ln2分别是其内部线圈和外部线圈，C12，C23，...，C(n-1)n是线圈叠层之间的寄生电容；
调节多层双螺旋结构线圈的间距，合理修改介质材料参数，同时在线圈周围设计并挂载谐振调节叠片电容进行谐振频率的微调，进而实现宽带谐波抑制或吸收特定频点谐波噪声的功能；
S4：将LC低通滤波器与宽带高频谐波抑制器集合为一体构建宽带谐波抑制低通微型滤波器。
对所设计的滤波器建立等效电路拓扑，并分别对滤波器的三维结构模型和电路拓扑进行分析验证，如图7给出了相应的数据分析结果，从实验结果可以看出：集成了谐波抑制功能的LPF比普通滤波器件具有更强的高频噪声衰减能力，尤其是在宽带谐波抑制方面表现更为突出，在100MHz至5GHz的频率范围内，本发明的滤波器对噪声的衰减均大于20dB。
图8是本发明中基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器及其他滤波元器件插入损耗曲线，虚线和实线分别表示本发明的滤波器物理模型和电路模型的实验结果，其余的是磁珠、电容器的实验结果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基于LTCC技术分别构建多层双螺旋电感模型、三端式多层陶瓷电容器，所述的多层双螺旋电感模型其电感线圈的面积是为36*36mils2，每层厚度为4.1mils，所述的多层双螺旋电感模型导体材料为铂-银合金，线圈叠层介质材料为FerroA6或MotorolaT-2000，所述多层双螺旋电感模型参数包括：外部线圈边长A、内部线圈边长B、导线宽度C、导线间距D、最小线距E、叠层介质厚度F、导线厚度G、过孔直径φ1、过孔焊盘φ2；
S2：基于多层双螺旋电感模型和三端式多层陶瓷电容器构建一体化的LC低通滤波器；
S3：基于多层双螺旋电感模型构建宽带高频谐波抑制器；
具体过程为：所述宽带高频谐波抑制器其内部的电感线圈周围介质为铁氧体，电感线圈的不同分段采用若干种铁氧体材料，所述的铁氧体材料具有不同的相对磁导率，在新建立的多层双螺旋结构线圈模型周围填充具有较高相对磁导率的铁氧体材料，设计LTCC埋置元器件，将具有不同阻抗特性的磁珠在LTCC叠层中串联组合，根据多频点集合方案，利用单个双螺旋结构线圈实现宽带高频谐波抑制器的设计；
S4：将LC低通滤波器与宽带高频谐波抑制器集合为一体构建宽带谐波抑制低通微型滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法，其特征在于，所述三端式多层陶瓷电容器介电材料为ESL4146，其中，ESL4146生带厚度为1.8mils。
3.根据权利要求1所述的一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法，其特征在于，所述三端式多层陶瓷电容器容量根据层叠数量的差异容值为1pF至10nF。
4.根据权利要求1所述的一种基于LTCC技术的宽带谐波抑制低通微型滤波器的设计方法，其特征在于，所述宽带高频谐波抑制器通过调节其内部的电感线圈的间距、介质材料、线圈周围挂载谐振调节叠片电容实现宽带谐波抑制或吸收设定频点的谐波噪声。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20220426 |