LTCC埋置电容分析与设计

第五章LTCC埋置电容分析与设计
在微波电路中，无源元件在整个电路系统中占有很大的比例，如果这些元件与有源电路都安装或者制作在微波电路基板的表面，那就大大增加了基板的面积，同时也增加了制作成本。而且由于是与有源电路制作在同一层，对整个电路性能的影响也比较大，目前技术发展的方向是尽可能多的把无源元件嵌入到基板内部，而LTCC技术采用内埋置的方法，将电容电感等无源部分埋置在基板内部，与表面的有源期间用金属层隔离，经通孔与表面的电路相连接［60］?［66］，大大减小了整个模块的体积，增加了可靠性，充分体现了 MCM技术的优势。

5.1埋置LTCC电容元件

5.1.1埋置LTCC电容的三维结构

在MCM技术之中，电容的实现形式有多种。第一种类型是传统的平板电容，为金属一绝缘体一金属的结构，上下极板之间可以通过通孔进行连接，主要要求极板之间的电容介质具有较好的平整度，才能有准确的电容值，因此在制作较小的电容值时，准确度较低。第二种类型包括两个电容通过一个共用的金属盘级连起来。用这种形式的电容可以减少寄生参量的影响。第三种电容形式是扇形短路电容，通常用在局部精确接地和设计低通滤波器。还有一种电容就是交指电容，这种电容是在同一层金属层进行电路实现，电容值对于间隙之间的变化非常敏感。在目前LTCC内埋置电容元件的设计上，主要有MIM(Mental-Insulator-Mental)与VIC(Vertically-Interdigitated-Capacitor两种结构，分别如图5-1、5-2所示。

S5-2内埋式?IC电容器

表头1不同结构的内埋置电容特性比较

结构形式	MIM	VIC
所占面积	人	小
（在相同有效电容值下）
SRF	略低	高
（在相同有效电容值下）
Q	略低	高
（在相同有效电容值下）
所需的层数	少

5.1.2电容模型参数提取
电容设计中最重要的参数之一是静电电容，静电容值取决于电容介质材料的介电常数、厚度和电极面积。采用图4.4所示的单n拓扑结构，建立如图5.3所示的内埋置电容等效电路模型来提取参数，此等效电路优点为电路简单、参数提取容易，可减少

设计所需的时间，但缺点是该模型只适用于较窄的频宽。

图5-3为内埋置电容元件的n型等效电路，其中L为等效串联电感，表示电容
引出端部分感性电抗；R为等效串联电阻，表示元件的损耗；C1和C2表示平行金属板对地寄生电容。内埋电容元件中由于电容和寄生的电感形成自我谐振，限定了其作为电容功能的频率范围，其中L和C3构成该电路模型中的串联自我谐振频

SRF

0—oPortl Poit2

Ci

c2

图5-3LTCC电容元件等效电路图

用导纳参数计算，图5-3中各参数的提取可由（5-1）、（5-2）、（5-3）、（5-4）、

（5-5）式获得。其中，为Im[1Z1（o）]=0时的频率，即为L和C仔发生串联谐SRF■1 eff
振的频率。

C	Im[Z (?)]		(5-1) (5-2) (5-3) (5-4)
	i
eff
R 二 Re[Z (e)]二一Re[
厂 C = i e	1 Im[Y (e)] Im[Y (①)+ Y (e)] 1 = 11 12 e
Im[Y (e)] Im[Y (e) + Y (e)] 2 ______ — ________22 12 ________________ e e

(5-5)

SRFeff

对于接地电容，可假设2端口接地，则C2短路，等效电路如图5-4所示。C1为电容引出端的对地寄生电容，C1同R、L、Ceff共同形成并联谐振，但C1远小于Ceff,从而通常可以忽略。

图5-4内埋置单端电容元件等效电路图

用导纳参数计算，忽略C1，图5-4中各参数的提取可由（5-6）、（5-7）、（5-8）式

获得：

C	Im[Y (e)] 11	(5-6) (5-7)
eff R — Re[X/Y (e) 11 e 2 x C
		(5-8)

SRFeff

5.2LTCC电容模型设计

图5-5是设计的一个5层电容的模型示意图，尺寸大小为

10mmX10mmX0.5mm,总共为6层介质，另外还有5层金属极板，面积为3mmX3mm,两端输入输出采用共面线方式，线宽已经匹配50 。

图5-55层电容模型图

经过仿真，得到模型的相关参数如下图5-5(a)-(d)，其中(a)是S曲线，(b)是提取的有效电容数值，(c)是幅值，(d)是Q值。从图中可以看出电容有效值在接近第一自谐振频率(2.03GHz)时急剧上升，在超过这一频率时下降为负，这是由于电容在整体已经呈现感性了。Q值是一个随频率变化的函数，在1.25GHz处最大是84,在2.03GHz处为零，过了之后呈现负值。

09 Apr 2007	Ansoft Corporation	10:13:44	Y1 —0—	02 Apr 2007	Ansoft Corporation	17:40:49	ql
					XY Plot 3
100.00	XY Plot 4		ang_deg(SQA^veP	■100.00	HFSSDesignl		Setupl : Sweepl
	HFSSDesignl		Setupl : Sweep-!
0.00
-100.00				-50.00
-200.00
	Freq [GHz]				Freq [GHz]

图5-7是4层电容的模型示意图，图5-8(a)-(d)是它的各种参数曲线图，可以看

02 Apr 2007	Ans oft Corporation	17:41:16	Y— dBi：； S(yVavePort1 Setupl : Sweepl dB(S(Wa?ePort2 Setupl : Sweepl
XY Plot 1 HFSSDesignl

Freq[GHz]

02 Apr 2007	Ansoft Corporation	17:40:04	cefl
	XY Plot 2
	HFSSDesignl		Setup! : Sweepl

Freq[GHz]

02 Apr 2007	Ansoft Corporation	15:37:14	Y1Y—
	X? Plot 5		ang_deg(S(Wave
	HFSSDesignl		Setupl : Sweepl

Freq[GHz]

27 Mar 2007	Ansoft Corporation	15:14:00	州一:A
	XY Plot 2
	HFSSDesignl		Setupl : Sweepl

Freq[GHz]

图5-84层电容仿真曲线

图5-9是3层电容的模型示意图，图5-10(a)-(b)是它的各种参数曲线图，可以看出第一谐振频率上升，最大Q值也上升，在1.63GHz处为98。

图5-93层电容模型图

12:00:30 09 Apr 2007 Ansoft Corporatioi XY Plot 1 HFSSDesignl L r|f| _ - - — - -- ■--u- - - - 、 、 - 、 、、 、 - 、 、、 、 / - 、 、 - - - ./ - - / - zz ■ ■- - J - > ，1nnn o.c 1.C 0 2.C Zi [G 电] 3.i： 3 4 J ：i 5.0 0 ： Fre	?1—0— dB(S(WavePort1 ? Setupl : Sweepl
	Y1——I— dB(S(WavePort2? Setupl : Sweepl

09 Apr 2007	Ansoft Corporation	12:00:53	?1—0—
	XY Plot 2		ang_deg(S(Wave
	HFSSDesignl		Setupl : Sweepl

09 A|>r 2007	Ans oft Corporation	12:01:19	ceff
	X? Plot 3
	HFSSDesignl		Setup1! : Sweep!

Freq[GHz]

09 Api 2007 Ans oft Corporation 12:01:31 XY Plot 4 HFSSDesignl 屮1 Y 一C|1 Setup1! : Sweep-! / \ / / \ \ / \ ， ■5 门 fn'i l ri nri_ \ / -- / \ / \ / \ / / / \ / / / \ / 耳门|-||-| .■inn nn_ / / 1 □J. 0 -1.C 0 2.0 J Fre [G Hz] 3.C □ 4 0 s.o'o . 匚 图5-10 3层电容仿真曲线

5.3LTCC电容设计实例
本次一共设计加工10个电容。加工好的LTCC电容照片如下图所示，左边是加工的基片照片，右边是安装好腔体的照片。本来在设计过程中还有一种极板面积为3mmx6mm的电容，结果测试时候发现出现了全通的情况，经分析后认为有可能是通孔打穿所致，而且由于模型仿真和3mmx3mm完全一样，所以未列入本文。

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						____ >1:	4.5830	30 GHz	-37.59 dB
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