本文将介绍低温共结陶瓷基板可以怎样提高性能...。

　　蓝牙(bluetooth)无线电规格的出现使得在计算机、通信和消费电子中可以出现新一套先进的无线应用¹。最初的实施现在正在生产中，使用低温、共结陶瓷(LTCC, low temperature, co-fired ceramic)技术来建造，该技术包括若干形成一个多层模块的共结带层。本文讨论使用LTCC技术可能达到的集成高水平，和为什么它对蓝牙设计是理想的。

蓝牙的规格要求

　　蓝牙无线电规格是现在可用于新一代的小型、高性能移动电子产品的最具创造性和令人兴奋的技术之一。最初由瑞典的爱立信公司构想和开发，蓝牙是一个针对短范围(大约10-100米)无线声音与数据发送的全球性规格，用来取代电缆，使得可以在便携式设备之间进行无线连接，也可以在静态的电子设备之间或之中进行。一个基于在2.4-2.5GHz的工业-科研-医疗(ISM, industrial-scientific-medical)频带内无线发射的开放式规格，随着供应商将具有蓝牙功能的产品介绍到市场，蓝牙标准现在正得到人们接受。

　　基于蓝牙的无线电正作为一个高度集成的子系统模块设计出来，该模块使用一种频率跳跃模式(frequency hopping scheme)来减小在杂乱的ISM频带内的信号干扰。这对于消费、计算机、工业和许多其它无线应用的潜力是巨大的。预计，通过允许手机、个人电脑、个人数字助理和其它设备交换信息而无须任何硬线连接，蓝牙将对个人通信进行一次革命。因此，实施蓝牙技术是非同寻常的事情。一个蓝牙系统必须包括一个有天线的微波无线电、一个调制解调器、无线电控制硬件、数据处理能力与工作内存。为了得到最广泛的接受，蓝牙解决方案必须不只是成本非常低，而且必须将尽可能多的必要功能集成到最少数量的半导体芯片内。集成的部分可以包括一个RF电子合成器、低噪音放大器、0-dBm功率放大器、电压受控震荡器(VCO, voltage controlled oscillator)与限幅器、以及数字处理和无线电控制器硬件。尽管如此，由于取决于使用的半导体技术，现在还保留了一些功能，这些功能最好是预留着，因为现在实施不实际或者有电气性能的原因。

外部功能

　　有时很难集成到半导体内的一些功能可能包括天线、各种过滤器、阻抗匹配、VCO调谐、RF开关、以及几乎总是存在的电源去耦(decoupling)。这些功能一般用各种有源和无源的离散元件来实现，如通过布线连接于IC的电阻、电容、电感、和二极管，或者在主PCB上或者在模块级的基板上。在无线电设计中的许多地方都需要过滤器，而且有些集成在半导体上特别麻烦。许多设计在接收器上使用中频(IF, intermedia frequency)滤波，因为多数使用相对低的中频，所以这种滤波器容易地结合进半导体芯片内。可是，在天线处，需要射频(RF, radio frequency)过滤来使强的外频信号不会过载接收器的输入，并且在2.4GHz频率上，这个过滤器集成到半导体上一般是不实际的。由于性能的原因，这些RF过滤器通常外部实现。非常低频的过滤器一般也用作频率合成器的一部分。除非这些低频过滤器可以用数字信号处理(DSP, digital signal processing)来实现，否则也不容易集成，由于需要相对较大的元素值。

　　过滤与阻抗匹配所需要的大量无源元件可以迅速地增加大量的电路板空间。可是，认真的设计和材料选择可允许一些元件或整个功能结合到下面的电路板或基板材料中去。将尽可能多的这些元件作为基板中集总的电感和电容、或者作为使用受控的阻抗传输线的分布元素，这样可以实现成本与尺寸的优势。

　　另一个好处是，嵌入式元素可以直接位于敏感的表面贴装电路之下，形成尽可能最短的连接长度，达到最高性能。这对基板内电源至表面贴装半导体连接之下的电源旁通电容可能特别有用。视所选择的基板技术而定，设计者可以决定哪些元件最好嵌入基板材料内，以优化性能、尺寸、成本和功耗。

一种最佳技术

　　用于制造那些必须嵌入关键无源结构的收发器模块的一个最理想技术是LTCC基板。几个特征使它对于新兴的高频应用如蓝牙是理想的。LTCC基板提供将RF设计结构在三维上与高密度互连和先进装配技术结合的能力。LTCC材料是容易获得的，技术是成熟的，显示可以提供蓝牙元件所要求的高密度与小尺寸。工艺类似于厚膜混合结构，但是更便宜，因为各层可以并列处理，而不是一次一层，一旦排序整理好，所有的绝缘层和导体同时烧结，而不是按顺序。

　　在表一中有LTCC基板的替代材料。例如，高温共结陶瓷(HTCC, high-temperature co-fired ceramic)材料是使用诸如氧化铝这样绝缘材料的多层结构。HTCC基板已经在航空及其它广泛的应用显示出可靠性，但是HTCC材料所需要的大约1500°C的烧结高温要求使用耐熔金属，如钨或钼-锰，这些是相对较差的导体。相反，LTCC的800-900°C的烧结温度允许使用高导电性的银和金等喷涂金属。还有，烧结期间发生的收缩在HTCC技术中不如在LTCC技术中好控制，这样就产生较差的尺寸精度，因此放松了嵌入式电路单元中可得到的元件公差。

　　当与有机材料比较时，LTCC材料也具有优势。LTCC材料的绝缘损耗角切线可以比传统的PCB材料如FR4好一个数量级。虽然相对较贵的、高性能的聚四氟乙烯(PTFE)材料可以满足高频损失特性，但是低绝缘常数意味着嵌入电容和发射线必须大得多。LTCC技术也提供比大多数有机基板材料更好的层厚度控制，得到在传输线阻抗和嵌入元素值上更紧的公差。没有哪一种有机材料可以与LTCC基板的高频性能、尺寸和成本进行综合比较。

　　有时面对的一个挑战是在高频元件中功率损耗水平增加。在一级的蓝牙设备中的发射器必须产生达到100毫瓦的输出功率，这可能导致在微型模块中的温度大大升高。 LTCC基板可以提供温度上的优势。例如，LTCC的导热率为2-4W/m/°K，这比有机材料的0.3W/m/°K要好。通过使用LTCC中的散热通孔(thermal vias，只用于导热，不用作电气互连)，有效的导热率可达到25W/m/°K。

　　LTCC基板的另一个温度特性是相对较低的T^f，这是谐振频率的温度系数 - 电容温度系数(TCC, thermal coefficient of capacitance)与温度膨胀系数(CTE, coefficient of thermal expansion)的结合。它是频率决定元件的温度稳定性的一个度量。对于LTCC材料，T^f可以低至10 ppm/°C，这个值比大多数有机材料高许多倍。一般，陶瓷封装提供适于较广环境的优点。与其它基板材料相比，其低至大约6-7ppm/°C的CTE提供对大多数表面贴装元件更近的匹配，特别是倒装芯片的半导体元件。

LTCC构造

　　LTCC基板是通过将金属导体图案印刷在各种预制的绝缘带层上而制成的。层之间的互连是通过冲压的旁路孔和在堆叠与层压之前填充的金属来完成的。带层由介于50-250微米厚度的玻璃陶瓷合成物组成，而导电层通常是贵重金属如金或银，虽然一些LTCC系统可以使用铜。

　　除了提供互连之外，印刷在带层上的金属图案也可以用来在陶瓷内形成电容、电感、受控的阻抗输送线和各种其它RF结构。也可以在叠层之前通过丝印厚膜电阻配方在带层上将电阻嵌入基板。

图一、三维LTCC基板的截面图

　　然后单个的带层排序整理或堆叠，在高压之下合层，再烧结形成单一的均质多层陶瓷结构。使用该工艺可以装配的带层层数几乎是无限的。对于诸如无线电收发器模块这样的应用，有源元件可以安装在模块的最外层上，通过作为预封装的元件焊接，如倒装芯片模、或引线结合(wirebond)。另外的无源元件也可以焊接安装，图一所示是一个三维LTCC基板的截面图。LTCC模块已经显示出成本低廉，和在VCO与高频过滤设计中提供空间的节省。LTCC工艺使得可以达到一个高度的集成，它为高频过滤、阻抗匹配和电源旁路提供嵌入广泛的电容、电感和其它RF结构的能力。LTCC模块通常是以排列形式制造的，有各种的排列尺寸。设计者可以在一个原形排列上制造多个设计排列。然后最终的设计可以转换成一个大型的生产排列。当需要大批量制造时，多片处理对于基板的加工，以及后面的模块装配运行是有好处的。

图二、蓝牙RF模块和LTCC基板排列

一个样品模块

　　在图二中所显示的蓝牙无线模块，尺寸大约是14x10x1.6mm，使用了九个带层的LTCC基板，带层的厚度略小于50微米。该模块使用一个1.27mm间距的背面焊盘格栅排列，用于连接到下一级的装配。互连布线主要是0.13mm的迹线与间隔。层到层之间的旁路孔是100微米的通孔，有多层内部接地面用来屏蔽，并形成受控的阻抗带状线。有四个电感、16个电容和10条传输线嵌入该LTCC基板内。大约40个另外的有源和无源元件焊接安装在顶面上，包括一个倒装BiCMOS IC。

结论

　　虽然有其它选择，低温共结陶瓷显然是蓝牙无线模块的一个好的选择。完整的无线电路可以集成在该模块内，因此简化了设计者将广泛的无线电路嵌入OEM产品中的任务，减少投放市场的时间(time-to-market)。使用裸IC的直接安装和将无源元件嵌入基板中达到了集成化的一个重要水平，比其它技术减小尺寸和减低成本。

Reference
• www.bluetooth.org.

　　Dean Marshall, senior project engineer, can be contacted at CTS Corp., 1202 Cumberland Avenue, W. Lafayette, IN 47906; 765-463-2565; Fax: 765-497-5399; E-mail: dmarshall@mw.ctscorp.com.    

(A 06/21/2001)