基于LTCC的DFM方法來實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計成功

低溫共燒陶瓷(LTCC)電路技術(shù)支持緊湊型多層設(shè)計并被廣泛用于無線應(yīng)用，特別是在RF模塊和包內(nèi)系統(tǒng)(SiP)設(shè)計中。相對于層壓技術(shù)，它具有一系列優(yōu)勢，盡管其工藝與層壓印刷電路板材料的處理工藝類似。其典型好處是較低的介電損耗，更高的封裝密度以及集成/內(nèi)嵌的無源部件(電阻、電感和電容)。有較大范圍的磁帶材料和工藝可用于LTCC設(shè)計。

多層LTCC結(jié)構(gòu)通常會在低溫共燒過程中發(fā)生收縮。不過，有一些制造商提供“零收縮”材料，其收縮僅限于Z方向。這些材料會比標(biāo)準(zhǔn)LTCC磁帶材料和工藝昂貴許多。收縮對采用LTCC材料獲得高性能帶來了挑戰(zhàn)，并且限制了LTCC部件或者子系統(tǒng)產(chǎn)出。因此，它可能會妨礙LTCC在那些要求高性能和高產(chǎn)量的產(chǎn)品中的應(yīng)用。盡管如此，采用制造方法設(shè)計(DFM)能幫助實(shí)現(xiàn)一次LTCC設(shè)計成功，連收縮都可接受。

LTCC的DFM方法包括開發(fā)一種設(shè)計流程來為LTCC內(nèi)嵌無源部件生成寬帶模型。這些模型同一些從DFM技術(shù)發(fā)展而來的無源LTCC電路一起出現(xiàn)，被用來實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計成功。無源電路采用先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)(ADS)和動力(Momentum)軟件工具開發(fā)，這些軟件工具來自安捷倫技術(shù)(www.agilent.com/find/eesof)。ADS是一種流行的電子設(shè)計自動化軟件工具，它包括RF集成電路(RF IC)、單片微波集成電路(MMIC)、SiP、模塊和電路等的電路/系統(tǒng)仿真器和布線工具。用ADS還能進(jìn)行統(tǒng)計設(shè)計研究，例如蒙特卡洛分析(Momentum是一種三維(3D)平面電磁場(EM)仿真工具，可用于研究很寬范圍內(nèi)的3D平面高頻電流和平面場行為)Momentum接受任意的幾何尺寸設(shè)計，如多層結(jié)構(gòu)，然后它準(zhǔn)確仿真復(fù)雜的EM效應(yīng)如耦合與寄生。多層LTCC非常適合于采用像Momentum這樣的3D平面工具來仿真。

無線手持設(shè)備的典型前端包含帶有定向耦合器的發(fā)射級，定向耦合器用作功率控制測量，功率控制的目的是確保發(fā)射功率在給定手持設(shè)備所規(guī)定的限制范圍之內(nèi)，保持發(fā)射功率在這些限制之內(nèi)對規(guī)范頻譜是必要的，因?yàn)閷τ诜日{(diào)制(AM)信號，手持設(shè)備RF功率放大器的工作范圍必須在其線性范圍之內(nèi)。功率控制環(huán)依賴定向耦合器來感應(yīng)入射功率，任何從其它方向到達(dá)定向耦合器的的功率可能會造成錯誤讀取測量功率，因?yàn)槭殖衷O(shè)備的功率放大器能產(chǎn)生無用的諧波能量電平，一種低通濾波器被專門加到發(fā)射器架構(gòu)中來維持發(fā)射頻譜能量在規(guī)定范圍內(nèi)。

為保證手持設(shè)備功率符合規(guī)定限制，設(shè)計定向耦合器和低通濾波器需要一種健壯性設(shè)計技術(shù)。這兩種部件將被用作實(shí)例來明如何用DFM方法來研究過程變差和LTCC布線參數(shù)及其對某些輸出參數(shù)的影響，如插損。一些變差在設(shè)計無源LTCC電路中是可預(yù)期的，典型的變差包括介電常數(shù)改變，基底厚度改變，傳輸線寬度改變和層間對齊改變。希望使一些變差在制造過程中得到監(jiān)控，而為了實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計成功，這個問題必須得到解決。

圖1的流圖說明了這些參數(shù)對某些定向耦合器輸出參數(shù)間的相互影響，這些輸出參數(shù)是插損，方向性和耦合比。圖表中ε、T、W和AL分別代表介電常數(shù)、基底厚度、線寬和對齊度。還有“加”、“減”符號分別表示極端情況下上端和下端指標(biāo)。根據(jù)LTCC材料供應(yīng)商的數(shù)據(jù)，介電常數(shù)變化最小，而其它三個參數(shù)，基底厚度、線寬和對齊度必須被加以考慮。

這里給出的定向耦合器例子具有側(cè)面嵌入耦合線。耦合器有四個端口：射頻輸入，耦合端口，隔離端口以及射頻輸出端口。圖2顯示了布線(具有端口定義)情況。用Momentum仿真了定向耦合器性能，圖3是耦合器插損和耦合比的測量與仿真結(jié)果比較。仿真數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)接近一致。為了說明這種方法，還采用該方法設(shè)計了低通濾波器實(shí)例(圖4)。

在設(shè)計周期期間，制造過程和布線參數(shù)的這些變差可能不可避免。電路部件參數(shù)值甚至可能受這些變差的影響，通常用部件容忍度來表示。在設(shè)計周期中，部件參數(shù)值、制造過程變差以及跟布線參數(shù)變差有關(guān)的這些改變通常難以事后修正。因此，設(shè)計早期把它們考慮進(jìn)來將有助于保證高產(chǎn)量一次設(shè)計成功。

在所有可能的過程和布線參數(shù)變差中，一些變差對輸出參數(shù)造成的影響比其它變差更為關(guān)鍵。要理解輸出參數(shù)對這些關(guān)鍵參數(shù)變差的敏感度并不難，但有效的首要步驟是DFM方法。例如，插損可以受到布線寬度或基底厚度變差不同的影響。為了在設(shè)計中實(shí)現(xiàn)性能偏差更小，關(guān)鍵是首先理解和控制最為敏感的參數(shù)。仿真軟件里的靈敏度分析包括將性能響應(yīng)函數(shù)對有用設(shè)計變量取偏導(dǎo)數(shù)，這就有助于準(zhǔn)確找到那些對性能變化有不同程度影響的變量。作為其基本統(tǒng)計包的一部分，ADS軟件提供了靈敏度分析功能。

定向耦合器的插損、方向性和耦合比作為基底厚度、線寬和對齊度三種不同參數(shù)的函數(shù)而發(fā)生變化。這三種情況代表標(biāo)稱、低端和高端極端情形。例如，W0代表線寬標(biāo)稱值而W0+代表上端極端情況。大量采用Momentum EM仿真收集變差數(shù)據(jù)來研究此問題。

盡管設(shè)計人員可以從這些曲線對敏感度做出一些類推，但使用圖形表示結(jié)果就更容易和更有用。例如排列圖(Pareto)顯示了某個參數(shù)變差對性能影響的百分比。圖5給出了對定向耦合器性能變差造成影響的參數(shù)或因子的Pareto圖。該圖顯示基底厚度變差對插損的影響超過其它參數(shù)或它們的組合。例如，在性能上有60%的變差來自于基底厚度變差的作用。