LTCC多层基片集成波导谐振腔内部应力机理研究

Substrate integrated waveguide (SIW) filters based on low-temperature co-fired ceramic (LTCC) technology have the features of compact sizes, high quality factor, and high power capability, which are attracting much attention recently. Researchers emphasize particularly on circuit structures and theories of SIW filters in relating research. However, mismatch inner stresses from interior ceramic and different conductor/ceramic structure of SIW cavities during the LTCC process, which can cause their frequency shift, discrepancy of insertion loss, and degradation of quality factor and reliability, are still lacking pertinent physical mechanism model analysis. It is yet another key factor influencing application and development in SIW filters. Therefore, this project focuses on stress magnitude, distributing and influence of SIW resonant cavity, establishes theoretically multiscale stress model of interior ceramic and different conductor/ceramic structure according with actual LTCC process, analyzes mutual connection between the stress and inner ceramic, interface matching, as well as microwave characteristic, exhibits the impact mechanism from LTCC process parameters to the stress, and proposes the method to improve the inner mismatching stress. Finally, by verifying improved methods and modifying the stress models during the experiments of multilayer SIW filters, it can considerably improve original analysis and obtain profound comprehension of stress producing mechanism, which can support the research and application of SIW devices.

基于低温共烧陶瓷（LTCC）的多层基片集成波导（SIW）滤波器具有小体积、高Q、大功率容量等优点，为目前滤波器研究的热点，在相关的研究中，国内外学者的研究偏重于电路结构和理论层面，而对LTCC加工中由于多层陶瓷及金属/陶瓷异质结构所产生的内部失配应力，使得SIW谐振腔出现频偏、损耗增大、Q值和可靠性降低等问题，目前仍缺乏基于物理机理的解释和模型分析，这也成为制约其发展的关键因素之一。为此，本项目针对多层SIW谐振腔加工中形成应力的大小、分布特性及产生的相关效应，拟从理论上建立腔体晶粒成瓷和金属/陶瓷异质结构的多尺度应力模型，分析应力与陶瓷成瓷性、异质界面匹配性、腔体微波性能的内在联系，揭示工艺参数对应力的影响规律，提出内部应力匹配的改善方法。最后，通过实验检验改善方法和优化应力模型，完善应力起源分析，最终获得适用于多层SIW谐振腔的应力形成机制的深刻理解，支持该类器件的研制和应用。

基于低温共烧陶瓷（LTCC）的多层基片集成波导（SIW）滤波器具有小体积、高Q、大功率容量等优点，为目前滤波器研究的热点，在相关的研究中，国内外学者的研究偏重于电路结构和理论层面，而对LTCC加工中由于多层陶瓷及金属/陶瓷异质结构所产生的内部失配应力，使得SIW谐振腔出现频偏、损耗增大、Q值和可靠性降低等问题，目前仍缺乏基于物理机理的解释和模型分析，这也成为制约其发展的关键因素之一。本项目通过对多层LTCC基板以及SIW谐振腔内部多尺度应力模型的建立与仿真，分析了多层LTCC结构中内部应力的大小、分布及变化趋势，获得对LTCC多层结构中应力形成机制的理解。针对LTCC多种材料集成的特点，开展了多层金属阵列通孔及金属面与陶瓷所形成的异质结构的研究，模拟异质结构的力学分布，研究和计算金属/陶瓷异质结构界面处的应力趋势。通过设计LTCC-SIW滤波器器件模型，仿真不同集成结构下器件的传输特性，并对影响器件电性能和力学性能的因素进行仿真。最后通过LTCC工艺的验证实验，制备出多种类型的多层LTCC-SIW滤波器，测试和分析器件性能，获得多层结构谐振腔内部应力特别是金属/陶瓷异质结构应力的分布规律，研究应力与谐振腔传输特性的相互关系，为调控多层陶瓷内部失配应力以及解决多层LTCC-SIW谐振腔设计与工艺匹配性提供理论和实验依据，支持相关小型化、高集成和高可靠性的SIW器件的研制和应用。