Fortschritte in LTCC Filter Designs

Einführung

Seit der Einführung der Netzwerksynthese-Theorie Ende des letzten Jahrhunderts haben Filter-Designer immer ausgereiftere Lösungen entwickelt, um die in Form von Polynomen vorliegenden Übertragungsfunktionen in funktionierende physische Komponenten zu übertragen. Umfassendes Wissen über konzentrierte Elemente ist in der bekannten Filterbibel "Microwave Filters, Impedance Matching Networks, and Coupling Structures" von Matthaei, Young und Jones, und über verteilte Elemente in "Microwave Filters for RF/Microwave Applications" von James Hong enthalten. Mit diesem Wissen in Kombination mit modernen Software-Tools für die Filtersynthese und computerunterstützten Feldberechnungsalgorithmen, wie der Method of Moments (MoM) und der Finite-Elemente-Methode (FEM), haben die Entwickler leistungsfähige Werkzeuge zur Verfügung, um sowohl bekannte als auch beliebige Topologien realisieren zu können.

Obwohl die Theorie und auch die aktuell verfügbare Filtersynthese- und Simulationssoftware inzwischen ausgereift sind, werden Simulationsergebnisse generell immer noch mit einer gewissen Skepsis betrachtet. Eine der wichtigsten Design-Herausforderungen besteht nach wie vor darin in einem angemessenen Zeitrahmen eine Übereinstimmung zwischen Simulation und der wirklichen Funktion des Designs zu erreichen. Abhängig von der verwendeten Technologie muss der Entwickler nicht selten mehrere Design- und Fertigungszyklen durchlaufen bevor die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Dieser Prozess erhöht den Zeit- und Kostenaufwand im Design-Zyklus und beeinflusst direkt die Time-to-Revenue.

Die Vorbereitung einer wirklich genauen Simulation erfordert die Erfassung aller physischen Parameter, welche die Filterleistung in der realen Welt beeinflussen können. Die Entwickler müssen dabei unterschiedlichste Faktoren berücksichtigen, wie zum Beispiel:

• Wurde das Simulationsmodell parametrisiert, so dass Variablen und Betriebsbedingungen der realen Welt berücksichtigt werden können, welche die physische Implementierung beeinflussen?

• Welche Interpolation soll zwischen den Frequenzpunkten genutzt werden?

• Erfasst das 3D-Modell die physische Manifestation der vorgegebenen Struktur?

• Gibt es ein unterschiedliches Meshing bei den verschiedenen Frequenzbändern?

• Wird Eindringtiefe vom Simulationstool korrekt für niedrigere Frequenzbänder berücksichtigt?

• Ist das Substrat dispersiv, und falls ja liegen die Streuungskurven vor?

• Berücksichtigen die Modelle die Wechselstromleitfähigkeit und die Oberflächenrauigkeit der Leiter?

Die LTCC Design Group von Mini-Circuits hat sich mehrere Jahre mit diesen und anderen Fragen befasst. In der Vergangenheit war der Materialeinfluss bei konventionellen Simulationen nicht ausreichend bekannt, so dass die Auswirkungen der realen Welt auf die Performance nicht berücksichtigt wurden. Deshalb war ein tieferes Verständnis notwendig, um unnötige Produktionsdurchläufe vermeiden und die Leistungsanforderungen beim ersten Versuch erfüllen zu können. Durch die Kombination von Hunderten von verschiedenen Teststrukturen, eine umfassende Material-Charakterisierung und Modellierung, neuartige Design-Workflows und selbst entwickelte Algorithmen konnte Mini-Circuits das Prinzip von Versuch und Irrtum von der Produktion in der Fab in die Simulationsphase im Design-Prozess verlagern. Mit dieser Innovation kann Mini-Circuits nun durchweg einen erfolgreichen ersten Durchlauf bei LTCC-Filtern und anderen Komponenten über 50 GHz erreichen.

Material-Charakterisierung und Modellierung 

Mini-Circuits kombiniert normalerweise zwei gängige Simulationsverfahren, um die Hochfrequenz-Leistung von passiven Bauelementen vor der Herstellung vorauszusagen, wobei jedes Verfahren gewisse Stärken und Schwächen hat. Das MoM-Verfahren (Method of Moments) arbeitet auf der Basis einer Vernetzung der leitenden Metallisierungen innerhalb der Struktur. Diese Methode lässt sich schnell und wiederholt durchführen und ist für Strukturen mit wenigen Schnittstellen und einer geringen Metallisierungsrate des Substrats geeignet. Es ist hauptsächlich auf 2D-Oberflächen beschränkt und geht davon aus, dass sich das Substrat unendlich im Raum ausdehnt, so dass es kein echtes 3D-Modell zur Verfügung steht. 

Die Finite-Elemente-Simulationsmethode (FEM) stellt ein echtes 3D-Modell zur Verfügung, das eine Begrenzung der Volumina erlaubt. Diese Frequenz-gestützte Methode arbeitet auf der Basis einer Vernetzung der Substrat-Strukturen anstatt der Leiter. FEM-Simulationen erfassen die Kopplungs- und Parasitäreffekte im Substrat sowie die Effekte durch die Begrenzung der 3D Struktur besser, was beim MOM-Verfahren fehlt. Der Nachteil besteht darin, dass FEM-Simulationen normalerweise langsamer zu implementieren sind. 

Der FEM-Ansatz ist für LTCC-Filter genauer, wo das Signal dreidimensional durch eine monolithische Struktur läuft. Im Idealfall ist die Charakteristik dieser Struktur einheitlich. In der Realität bestehen LTCC-Strukturen jedoch aus mehren Schichten von keramischem und leitfähigem Material mit dispersivem und anisotropem Verhalten. Es ist daher eine echte 3D-Charakterisierung des Materials erforderlich, um das nichtlineare Verhalten von Signalen berücksichtigen zu können, die durch eine Struktur mit diesen Eigenschaften laufen. 

Zwar sind diese beiden Ansätze sehr leistungsfähig, in der Vergangenheit war es aber nicht möglich eine gute Korrelation zwischen Simulation und Messung zu erreichen, so dass mehrere Design-Zyklen erforderlich waren. Diese Einschränkung erfordert ein tieferes Verstehen der Materialstruktur im Hinblick auf die reale Performance des Bauelements. Mini-Circuits hat mit hohem Aufwand die Materialeigenschaften von Substraten und leitenden Elementen in LTCC-Produkten bis in den Bereich von Millimeter-Wellen charakterisiert. Dies erforderte unter anderem den Einsatz von Hunderten von Teststrukturen, einschließlich von Einzel- und Multi-Modal-Resonator-Topologien, Wellenleiter-Resonatoren sowie konzentrierten Kondensator- und Induktivitäten-Strukturen. Zudem wurde ein proprietärer Algorithmus entwickelt, um die Menge der Testdaten aus dem Messworkflow zu analysieren. 

Bild 1: (a) LTCC-Panel mit Testcoupons. (b) Diagramm des Messaufbaus mit HF-Tastköpfen. (c) 3D Modell des Ringresonators (oberster und unterster Layer nicht sichtbar). (d) Ringresonator: E-Feld-Darstellung der 1. Oberschwingung. (e) Ringresonator: E-Feld- Darstellung der 7. Oberschwingung.

 

Nach zwei Jahren intensiver Erstellung und Charakterisierung von Testcoupons und anschließender Modellierung der gemessenen Performance in die Simulationstools über eine große Bandbreite hat Mini-Circuits inzwischen die wohl umfassendsten Kenntnisse über die LTCC-Technologie in der Industrie. Die Arbeiten decken die Charakterisierung und Modellierung der Materialeigenschaften aller Elemente nicht nur von LTCC-Produkten, sondern auch von Halbleiter-Produkten und anderen Technologien ab. Mini-Circuits hat jetzt eine hohe Gewissheit bei den Material-Modellen, die in Kombination mit den Design-Tools und neuartigen Design-Flow einen erfolgreichen ersten Durchlauf bei Bauteil-Designs bis 50 GHz ermöglichen.

Diese Fähigkeit ist in der Industrie einzigartig. Es ermöglicht Mini-Circuits eine schnellere Entwicklung und Lieferung von Standardteilen aus dem Katalog, was den Anforderungen der Kunden bei der Fertigung großer Stückzahlen entgegenkommt. Mini-Circuits kann auch sehr schnell kundenspezifische Lösungen für spezialisierte Anwendungen entwickeln. In allen Fällen können dadurch die Entwicklungszeit verkürzt und die Kosten gesenkt sowie eine kürzere Time-to-Market erreicht werden.

Multi-Physik-Workflow

Die Kombination von umfassender Materialmodellierung mit modernen Design- und Simulationstools erlaubt einen innovativen und neuartigen Multi-Physik-Simulationsworkflow. Eine Multi-Physik-Simulation vereint mehre Simulatoren, wobei jeder einzelne in einem speziellen Bereich arbeitet: elektromagnetisch, strukturell und thermisch. Die einzelnen Simulatoren nutzen jeweils die Ergebnisse der anderen als eine Komponente ihrer Simulationseinstellungen. Zum Beispiel werden die elektrischen Simulationsergebnisse des High Frequency Structure Simulator (HFSS®) von Ansys verwendet, um die räumlich unterschiedliche Wärmeentwicklung in einer thermischen Simulation zu definieren. Die errechnete Temperaturerhöhung wird dann wiederum verwendet, um die Deformierung der Modellgeometrie zu berechnen.

Dieser erste Simulationsdurchlauf ergibt häufig eine Performance, die den spezifizierten Design-Anforderungen nicht entspricht. Somit werden die Ergebnisse der thermischen und mechanischen Analyse zurück in die MOM- und FEM-Engines gespeist, um die Effekte der thermischen Auswirkungen auszugleichen. Dieser iterative Prozess wird so oft ausgeführt wie notwendig, um die gewünschte Performance zu erreichen. In einem konventionellen Design-Zyklus würde bereits nach der ersten Simulationsrunde ein Prototyp hergestellt, im Labor geprüft, dann überarbeitet und erneut hergestellt. Der neue Workflow verschiebt diesen Versuch- und Irrtum-Prozess an den Anfang des Design-Zyklus, wodurch sich mehre Zyklen der Herstellung und Laborprüfung vermeiden lassen.

Bild 2: Multi-Physik-Workflow, der elektromagnetische, thermische und strukturelle Simulationen beinhaltet.

 

Praktisches Beispiel

Dies lässt sich an einem Beispiel einer Kundenanforderung für ein Bauteil mit einer Hochfrequenz-Eingangsleistung von 4 W verdeutlichen. Normalerweise würde das Bauteil entwickelt und eine Kleinserie zur Evaluierung produziert. Die Bauteile würden dann in Evaluierungskarten eingelötet und einen Burn-in-Test durchlaufen. Brennt das Bauteil dann bereits bei 3 W durch, dann lässt sich, da LTCC-Produkte monolithisch sind, die Ursache des Defekts durch die Zerstörung nur schwierig analysieren. Das Bauteil muss aber trotzdem überarbeitet werden. Im Gegensatz dazu lässt sich mit einem Multi-Physik-Simulationsworkflow die Performance, noch bevor das erste Bauteil hergestellt wird, zuverlässig ermitteln, was Zeit und Geld spart sowie Frustration vermeidet.

Vorteile dieses Workflows:

• Besserer Einblick in das Leistungshandling eines Modells unter verschiedenen Betriebsbedingungen (DC, Hochfrequenz und Transienten)

• Realistische Bewertung und Optimierung der thermischen Auswirkungen auf die Hochfrequenz-Leistung und Zuverlässigkeit

• Vorhersage der mechanischen Integrität von Endgeräten bei CTE-Fehlanpassungen

• Optimierung der physischen Strukturen, um die Größe zu reduzieren

Bild 3: Simulationen im Multi-Physik-Workflow: (a) EM-Simulationsnetz zur Bestimmung der Wärmeentwicklung als Input für die thermische Simulation. (b) thermisches/mechanisches FEM-Simulationsnetz. (c) Die thermischen Simulationsergebnisse zeigen die Temperaturverteilung. (d) Die mechanischen Beanspruchungen nach einer physischen Deformierung werden mit Hilfe der thermischen Ergebnisse berechnet.

 

Vergleich von Simulation und Messung

Bild 4 zeigt die S21-Kurve für ein LTCC-Bandfilter aus einem Standardsimulationsmodell, aus einem aktuellen Material-Simulationsmodell von Mini-Circuits und die wirklich gemessene Leistung. Die pinke Linie stellt die Simulationsergebnisse ohne die Materialkenntnisse dar, die bei den neueren Simulationen miteinbezogen wurden. Besonders zu beachten ist der Unterschied zwischen den Simulationswerten und der gemessenen Leistung. Die rote Linie verdeutlicht den neuen Simulationsworkflow von Mini-Circuits, der die gesamte durchgeführte Material-Charakterisierung und Modellierung beinhaltet. Diese Simulation kommt der gemessenen Filterleistung über den gesamten Messbereich sehr nahe.

Bild 4: Standardsimulation und MCL-Material-Simulation im Vergleich zu der gemessenen S21 Performance eines LTCC-Bandfilters nach dem ersten Produktionsdurchlauf.

 

Bild 5 zeigt einen weiteren Vergleich zwischen den fortschrittlichen Simulationsergebnissen von Mini-Circuits und der gemessenen Leistung eines anderen LTCC-Bandfilter-Modells. Sowohl S21 als auch S11 werden dargestellt, was hoch genaue Simulationsergebnisse für beide Parameter verdeutlicht. Diese Fälle sind repräsentativ für die einzigartige Fähigkeit eine enge Korrelation zwischen den Simulationsergebnissen und der gemessenen Leistung nach dem ersten Durchlauf der Fab zu erreichen.

Bild 5: Fortschrittliche Simulation von S21 und S11 eines LTCC Bandfilter-Modells gegenüber der gemessenen Performance nach dem ersten Durchlauf.

 

Erweiterungen

Die oben dargestellten Erkenntnisse gelten für LTCC-Filter mit konzentrierten Topologien, aber derselbe Ansatz lässt sich ebenso für Filtertopologien in der Forschung und andere Technologien nutzen.

Der aktuelle Trend hin zu Anwendungen mit immer höheren Frequenzen erfordert die Erforschung auch von verteilten Filtertopologien. Genesys® ermöglicht eine Filtersynthese für einige der bekannten verteilten Topologien, enthält aber keine Synthese- und Optimierungstools für Filter auf der Basis der Coupled Matrix Filter Synthesis Theorie. Mini-Circuits hat viele Konzepte aus der Forschungsliteratur übernommen und eigene Algorithmen erstellt, die beliebige verteilte Filtertopologien auf der Basis der neuen Spezifikationen synthetisieren können. Mini-Circuits hat auch ein Optimierungstool entwickelt, das simulierte S-Parameter und optimierte Dimensionen auf der Basis eines vollständigen 3D-Modell erzeugen kann.

Bild 6: Simulierte und wirklich gemessener Performance eines LTCC Combline Bandfilters nach dem ersten Durchlauf.

 

Mini-Circuits hat die Materialsimulationen für LTCC-Komponenten auf die anderen Technologien im Portfolio, einschließlich MMIC- und Stripline-Architekturen, erweitert. Dieselbe Fähigkeit ist auch ein entscheidendes Element der Anstrengungen von Mini-Circuits fortschrittliche Packaging-Lösungen für SMD-Komponenten auf weichen Substraten bis 55 GHz zu entwickeln.

Fazit 

Ein erfolgreicher erster Durchlauf wurde lange als das wichtigste Ziel im Design-Workflow betrachtet. Die physisch komplexe Natur der LTCC-Technologie stellt eine besondere Herausforderung im Hinblick auf das Erreichen einer Übereinstimmung zwischen Simulation und funktionierendem Design beim ersten Versuch dar. Durch die Verwendung einer umfassenden Material-Charakterisierung und einer Modellierung zusammen mit fortschrittlichen Design-Tools, proprietären Algorithmen und einem neuartigen Design-Workflow, berücksichtigen die Simulationen von Mini-Circuits jetzt die Auswirkungen der realen Welt auf die Performance bereits so umfassend, dass durchweg ein erfolgreicher erster Durchlauf bei LTCC-Designs erreicht werden kann. Durch die Fähigkeiten konnte Mini-Circuits die Lieferzeiten bei standardmäßigen und kundenspezifischen Bauteilen reduzieren und somit die Time-to-Market des Kunden verkürzen. Diese Innovationen haben es auch ermöglicht vorhandene LTCC-Filter-Designs zu verbessern, die Größe zu reduzieren und die Sperrleistung zu erhöhen. Die hier präsentierten Design-Fähigkeiten lassen sich zudem auf andere Technologien und Innovationen in HF-Packaging-Lösungen übertragen. 

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