Erweiterung des Frequenzbereichs und der Integrationsdichte von LTCC-Modulen mittels Photostrukturierung und Designoptimierung

Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Erhöhung des Integrationsgrades in keramischen Substraten
bei gleichzeitiger Verbesserung der HF-Eigenschaften und Erweiterung der Bandbreite
integrierter LTCC-basierter Lösungen zu erzielen. Diese Lösungen beinhalten passive
Bauelemente, z.B. Induktivitäten und Kapazitäten, Leitungen und Leitungsübergänge. Diese
Ziele lassen sich durch den gleichzeitigen Einsatz von Fine-Line-Strukturen, Mikro-
Durchkontaktierungen und optimierte Entwurfsrichtlinien bzw. Designs für alle zu
integrierenden Elemente erreichen. Die dazu notwendigen optimierten Designs werden mittels
Feldsimulationen erarbeitet.
Als Fine-Line-Strukturierungstechnologie wurde der Photostrukturierprozess von
Dickschicht-Pasten auf und in LTCC charakterisiert und optimiert. Dabei wurden
verschiedene photostrukturierbare Leitpasten von DuPont (Fodel®-Pasten) für Cofire- sowie
Postfire-Prozesse untersucht. Weiterhin wurde die Realisierbarkeit der Kombination von
Fodel®-Strukturen und Mikro-Durchkontaktierungen untersucht. Entwurfsregeln für diese
Kombination und Anpassungsregeln zur zielgerichteten Dimensionierung vergrabener und
freiliegender Fodel®-Strukturen wurden erarbeitet.
Zunächst wurden Designrichtlinien für ein- bzw. mehrlagige LTCC-HF-Interdigitalkondensatoren
mit niedrigeren Kapazitätswerten für höhere Frequenzen (über 1GHz) aus Simulationsergebnissen
abgeleitet. Auswertungskriterium für alle der vorgestellten Kondensatorgeometrien
war eine optimale Ausnutzung der Kondensatorfläche bzw. des -volumens bezüglich
der maximal erreichbaren Kapazitätsdichte bei möglichst minimalen parasitären Effekten.
Die HF-Eigenschaften integrationsfähiger LTCC-Spulen verschiedener Geometrien wurden
durch 3D-Feldsimulationen und Messungen untersucht und charakterisiert. Verschiedene
Kriterien zur Verbesserung der HF-Eigenschaften von Spulen wurden diskutiert und die
erzielten Ergebnisse dargelegt. Die Vorteile und das Potenzial der passiven Integration in
LTCC-Substraten wurden am Beispiel eines 10GHz-Tiefpass-Filters gezeigt.
HF-Signale werden mit unterschiedlichen HF-Leitungen zwischen den Bauelementen bzw.
Ein- und Ausgänge einschließlich notwendiger Übergänge geführt. Um dies breitbandig
gewährleisten zu können, wurden die HF-Eigenschaften einiger HF-Leitungen hinsichtlich
ihrer Bandbreite untersucht und Entwurfsrichtlinien erstellt. Die Erkenntnisse dieser
Untersuchungen wurden bei der Optimierung unterschiedlicher Leitungsübergänge für
Frequenzen bis 65GHz verwendet.