LTCC als Materialsystem für Mikrowellenanwendungen

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Lukas Flater
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1 IMST.DE LTCC als Materialsystem für Mikrowellenanwendungen Reinhard Kulke IMST GmbH, Kamp-Lintfort, Germany R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 1

2 Mikrowellen-Anwendungen 1. Daten- und Informationsübertragung (Funktechnik) 2. Sensorik, RADAR-Technik (Messtechnik) 1 m 1 dm 1 cm 1 mm 0,1 m 3 dm 3 cm 3 mm Wellenlänge 1GHz 10GHz 100GHz Frequenz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz L T C C ISM-Bänder: 433MHz 868MHz (915MHz) 2,45GHz 5,8 GHz 24 GHz... Mobil-Funk: 900MHz 1,8GHz 1,9GHz 2 GHz... GSM DCS DECT UMTS... Point-Multipoint (GHz): 1,5 2,2 2,4 2,6 3,5 3,7 10, Point-Point (GHz): 3, , RADAR, Luftfahrt + Militär: X-Band (11 GHz) Ka-Band (35 GHz)... Satellitenfunk : 20GHz 30GHz... R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 2

3 Überblick LTCC Materialsysteme: Kermamik-Substrate und Leiterbahnen Vergleich: HF-Leiterplatte <=> LTCC HF-Anwendungen: optimierte Leitungsübergänge DC bis 50 GHz planare Patch-Antennen für 24 GHz LMDS T/R-Modul bei 25 GHz LTCC HF-Benchmark von 5 GHz bis 40 GHz R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 3

LTCC Substratmaterialien DuPont 951: k = 7,5 (standard tapes: CT, AT, A2, AX) 943: k = 7,8 (low loss tape) Ferro A6M: A6S: k = 5,9 (microwave tape) k = 5,9 (low cost microwave tape) Heraeus CT2000: k

4 LTCC Substratmaterialien DuPont 951: k = 7,5 (standard tapes: CT, AT, A2, AX) 943: k = 7,8 (low loss tape) Ferro A6M: A6S: k = 5,9 (microwave tape) k = 5,9 (low cost microwave tape) Heraeus CT2000: k = 9,1 CT700: k = 7,5 7,9 CT800: k = 7,5 7,9 (zero shrink tape) Electro-Science Laboratories (ESL) C: k = 4,3 4, C: k = 7 8 und andere... Details: LTCC An Introduction and Overview R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 4

5 Leiterbahnen für LTCC Verfahren Auflösung Kosten Standard Siebdruck > 100/150µm Innen/Außenlagen, Co-Fire Siebdruck hochauflösend > 50µm Innen/Außenlagen, Co-Fire Fotostrukturierte Leitbahnen > 50µm Innen/Außenlagen, Co-Fire Geätzte Leitbahnen < 50µm... nur Außenlagen, Post-Fire Dünnfilm Leitbahnen < 10µm... nur Außenlagen, Post-Fire R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 5

6 Vergleich PCB - LTCC Anbieter Rogers Arlon Substrat h µm ε r ε r tol. % tan(δ) % TCE** ppm/k TC *** W/mK relativer Preis **** RO ,3 0, ,5 1,2 RO ,2 6,15 2,4 0, ,61 RO ,7 RO ,4 10,2 2,9 0, ,66 RO ,1 AR ,5 0, ,43 6,1 AR , ,65 4,8 RF ,15 4,1 0, ,5 1,1 Taconic CER , ,3 1,8 951-AX, Au 1,5 DuPont 210 7,8 1,3 0,5 5, AX, Ag 1,0 Ferro A6M, Au 7 2, ,9 2,5 0,2 2 A6S, Ag 8 0,6 Material PTFE, keramikgefüllt PTFE, glasfaserverstärkt, keramikgefüllt PTFE, glasfaserverstärkt, keramikgefüllt Glaskeramik Glaskeramik * Verlustfaktor des 10 GHz ** TC: Thermal Conductivity *** TCE: Thermal Coefficient of Expansion **** relativer Preis für PCB-Substrate mit Cu-Leiterbahnen; für LTCC: Dickschicht-Gold (Au) oder Silber (Ag) mit einem Deckungsgrad von 20% R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 6

7 IMST 24 GHz P-MP 25 GHz Bandpass Filter P-to-P 28 GHz Dual-Band-PA Verdreifacher MMIC-LNA Balanced Push-Pull PA R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 7

8 HF - Anwendungen HF-Leitungen und Optimierte Leitungsübergänge Planare Patch-Antennen 2x2 und 4x4 Patches ISM-Bandfrequenz: 24,125 GHz LMDS Transceiver-Modul Point-to-Multipoint Anwendung ETSI TM : 24, ,5 GHz R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 8

9 Optimierte Leitungsübergänge Leitungstyp: I II III Leitungstyp in Sektion I II III Frequenzbereich Übergang A B C D CPW CPW MSL MSL CPW STRIP CPW STRIP CPW CPW MSL MSL DC to 31 GHz DC to 35 GHz DC to 45 GHz DC to 22 GHz R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 9

10 Planare Patch-Antenne 2 x 2 Patches Aperturkopplung MS-Leitungen Massegitter Wilkinson-Teiler Patch Slot Ground RF-Signal R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 10

11 LTCC 24 GHz Patch-Antenne Positioner Absorbers Antennen-Gain: 14.5 dbi Anpassung: 15 db Wirkungsgrad: 65 % R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 11

12 Antennen-Messung Ampl. rel. to Max / GHz H-plane co-fired thin-film SMD post-fired t-junction front view Angle / deg R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/ x 35 mm 2

13 LMDS T/R-Modul 5 Layer LTCC-Substrate: FERRO A6-M DC f Tx = 25GHz, 28dBm f IN =1.7 GHz f LO = 4.5 GHz f OUT =725 MHz 55 mm DC f Rx = 26 GHz R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 13

14 Sende-Pfad TX IN TX OUT MIXER MS SL AMP ASL DC BP SL ASL ATT SL PA MS GPO Wärmeableitung MS Microstrip Line Ground SL Stripline ASL Asymmetric Stripline GND-Via DC DC Line Thermal Via R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 14

15 25 GHz BP-Filter Insertion Losses / db S11_sim S21_sim S11_meas S21_meas Specs Vergleich: Spezifikation 3D-Simulation mit mit EMPIRE S-Parameter-Messungen Frequency / GHz Sehr gute gute Übereinstimmung R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 15

16 Visualisierung: SL-Filter Durchlassfrequenz: 25 GHz R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 16

17 LTCC HF-Benchmark microstrip line h = 130µm h = 200µm ground DuPont 951: ε r = 7.8 h = 200µm h = 130µm h = 130µm h = 200µm stripline ground Conductors Vias Cavities VISPRO Division ThinkCera R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 17

18 Foto eines Testsubstrates Vorderseite Rückseite R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 18

19 MS: Messung der Verluste Leitungsversluste [db/cm] LTCC A, Au LTCC A, Ag MS w = 385µm 0.7 LTCC B, Ag LTCC C, Au LTCC D, Au LTCC D, Ag w = 385µm w = 370µm w = 390µm 0.4 w = 385µm 0.3 w = 445µm Mikrostreifenleiterbahnbreite = 390 µm Frequenz / GHz R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 19

20 SL: Messung der Verluste SL Leitungsversluste [db/cm] LTCC A, Au LTCC A, Ag LTCC B, Ag LTCC C, Au LTCC D, Au Einfluss MS-SL-Übergang MS SL 0.6 LTCC D, Ag SL-Leiterbahnbreite = 145 µm Frequenz / GHz R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 20

21 Zusammenfassung LTCC-Materialsysteme für µw-anwendungen geeignet! HF-Eigenschaften und Kosten konkurrenzfähig zu: Leiterplatte, Dünnfilm, Dickschicht Weltweit Hersteller für unterschiedlichste Anforderungen verfügbar LTCC ist etabliert im Telekom-Markt (bis 2,5 GHz): Dual-Band-PA, GSM-Switch, Bluetooth-Modul, WLAN Potential (Kosten, Integrationsdichte ) bis 40 GHz: RADAR, LMDS, Satellitenkommunikation F&E bei Substraten und Leiterbahnen (bis 100 GHz) Weitere Informationen unter: R. Kulke, IMAPS Göppingen Feb/02 21

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