Planar Inductors for Microwave Acoustic Filter Integration in LTCC Technology

155 Pages·2017·20.21 MB·English

Planar Inductors for Microwave
Acoustic Filter Integration in
LTCC Technology
Planare Spulen fu¨r die Integration
mikrowellenakustischer Filter in LTCC-Technologie
Der Technischen Fakulta¨t der
Friedrich-Alexander-Universita¨t Erlangen-Nu¨rnberg zur
Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
vorgelegt von
Arun Prakash Dharmalingam
aus Port Louis, Mauritius
Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakult¨at der
Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung 22.12.2016
Vorsitzender des Promotionsorgans: Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer
ii
Dedicated to my family
Ad astra per aspera - A rough road leads to the stars
iii
I would like thank the SAW MO PD department at TDK EPC Munich and
the Technical Faculty at the Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nu¨rn-
berg for having provided me with this opportunity to carry out this doctoral
research work. I would like to thank Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert
Weigel, Dr. Andreas Przadka and Dr. Walter Puffer for their wonderful help,
guidance and technical support they provided throughout my period of re-
search work. I would also like to thank Dr. Mu¨hlaus from Sonnet, Leonhard
Ho¨fter, Dr. Arne Eckau, Dr. Robert Koch and Dr. Clemens Ruppel who are
all with TDK EPC Munich, Germany for their assistance. Last but not the
least, I would like to thank Dr. Alberto Canabal of Qorvo,Inc Florida, USA
for his timely support.
Orlando, July 2016 Arun Prakash Dharmalingam
iv
Abstract
Over the years, the mobile communication technology has undergone
tremendousrevolutionarychanges,transforminganordinarycellphoneintoa
mobile entertainment and networking platform. The current trend is towards
a bigger screen and thin profile which put a lot of challenge in integration
and miniaturization of passives on board. At this stage, factors like perfor-
mance, power durability, yield, etc become a main concern. As a designer
of a multimode multilayered ceramic front end module, there is not much
degree of freedom to design and tweak the system to be able to compete
with the rapidly progressing market demand.
When designing an LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) based
complex front end module, the reduction in chip sizes introduce quite a bit
of constraints. When such a complex module is sent to production, the pro-
duction tolerances come into play. For a module to be electrically specified,
various tolerances should be taken into account because it causes shift or
deterioration in performance. The main goal is to design the circuit in such
a way that the specification failures are kept to a minimum in order to max-
imize the backend test yield. Total failures are controlled by the process
engineers which is outside the scope of a design engineer. As long as the
design engineer follows the design guidelines which are recommended by the
process engineering team, the total failures are kept to the minimum. But
controlling the specification failure is challenging since the degree of freedom
is greatly reduced due to parameters like miniaturized module size and com-
plexity in addition to the fact there are only 2 elements that are integrated,
namely, inductors and capacitors. Capacitors are fairly easy to compensate
againsttheproductionshifts. Theinductor, onthecontrary, ishardtodesign
and make it less sensitive towards the tolerance shifts. One can design, e.g.,
a 6 nH inductor in different geometrical configurations. By studying various
models of an inductor for one specified circuit, the designer can choose the
one which has relatively higher Q and also the least sensitive, which is best
suited for that specific design. Since higher Q leads to a steeper skirt, it is
possible to gain some margin at tougher attenuation specifications. In this
way, one gains additional margin at tighter specifications which reduce the
specification failures at that specification point.
In this research work, the original contribution is towards the approach
v
for high level integration and test yield optimization at the design level. It
is demonstrated in three steps. In the first step a Band VIII duplexer is
integrated onto a state of the art front end LTCC module. The challenge
is to integrate a duplexer whose height is larger than required which will
increase the total module height. To solve this bottleneck, the carrier of the
duplexer is eliminated which housed the phase shifter network to isolate TX
and RX paths. Instead, the phase shifter CLC network is manually rebuilt
and integrated in the multilayered LTCC stack. This module is successfully
built and mass produced with reasonably good backend test yield.
In the second step, a case study is conducted on an inductor subjected
to various changes in geometry related to production shifts. Numerous sim-
ulations are performed on a single turn and spiral type inductor by creating
layer shifts, varying layer heights and permittivity. All of the above men-
tioned simulations in turn were done under various real life situations that
an inductor faces in a densely packed module. From this a database of in-
formation is created highlighting the behavior of the inductor under various
situations, which provides an insight to the designer to integrate both the
environment and its effects.
Finally, a 2 GHz TX low pass filter is designed and built to prove that
the proper choice of the inductor can create an additional degree of freedom
or margin in real life situations involving stringent specifications where pro-
duction shift might cause a failed part. This in turn means that the circuit
is more robust and tolerant to production shifts. As a result the test yield is
essentially improved by countering the potential threats at the design stage.
vi
Kurzfassung
Im Laufe der letzten Jahre hat die mobile Kommunikationstechnologie
enorme revolution¨are Ver¨anderungen erfahren. Ein gew¨ohnliches Mobiltele-
fon hat sich in eine mobile Unterhaltungs- und Netzwerk-Plattform gewan-
delt.DeraktuelleTrendgehtinRichtunggr¨ossererBildschirmeunddu¨nnerer
Geh¨ause, was eine grosse Herausforderung fu¨r die Integration und Minia-
turisierung der passiven Komponenten darstellt. Unter diesen Umst¨anden
werden Faktoren wie Performance, Leistungsvertr¨aglichkeit, Ausbeute usw.
extrem wichtig. Um mit den schnell voranschreitenden Anforderungen des
Marktes Schritt halten zu k¨onnen, gibt es fu¨r den Designer eines mehrlagi-
gen Multimode-Keramik-Frontend-Moduls nicht viele Freiheitsgrade bei der
Entwicklung und Optimierung des Systems.
Bei der Entwicklung eines komplexen Frontend-Moduls auf LTCC-Basis
(Low Temperature Co-fired Ceramic) fu¨hren die reduzierten Chipgr¨ossen
zu deutlichen Einschr¨ankungen. Wenn ein komplexes Modul in die Pro-
duktion gegeben wird, kommen die Fertigungstoleranzen ins Spiel. Um das
Modul elektrisch spezifizieren zu k¨onnen, mu¨ssen unterschiedliche Toleran-
zen beru¨cksichtigt werden, weil sie zu einer Frequenzverschiebung oder Ver-
schlechterungder Performancefu¨hrenk¨onnen. Hauptziel istes,dieSchaltung
so zu entwickeln, dass die Anzahl der Spezifikationsausf¨alle m¨oglichst niedrig
gehalten wird, um die Fertigungsausbeute zu maximieren. Totalausf¨alle lie-
gen im Verantwortungsbereich der Prozessingenieure und damit ausserhalb
der Zust¨andigkeit des Designers. Solange der Entwickler die Herstellungsre-
geln befolgt, sollte die Zahl der Ausf¨alle auf ein Minimum beschr¨ankt sein.
Aber die Kontrolle der Spezifikationsausf¨alle stellt jedoch eine Herausforde-
rungdar,weildieFreiheitenbeimDesignwegenderverringertenModulgr¨osse
und der h¨oheren Komplexit¨at stark reduziert sind, zus¨atzlich zu der Tatsa-
che, dass es nur zwei Elemente, n¨amlich Spulen und Kondensatoren sind,
die integriert werden sollen. Bei Kondensatoren k¨onnen Produktionsschwan-
kungen relativ einfach kompensiert werden. Im Gegensatz dazu ist es bei
Spulen schwieriger, die Empfindlichkeit gegenu¨ber Fertigungsschwankungen
zu reduzieren. Man kann beispielsweise eine 6 nH-Spule in unterschiedlichen
geometrischenFormenrealisieren.DurchdieUntersuchungverschiedenerMo-
dellefu¨reinespezifischeSchaltungkannderDesignerdieambestengeeignete
Struktur mit hoher Gu¨te und geringster Empfindlichkeit bestimmen. Da eine
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hohe Gu¨te zu steileren Filterflanken fu¨hrt, ist es m¨oglich, eine gr¨ossere Marge
bei strenger spezifizierten Filterunterdru¨ckungen zu erzielen. Damit erreicht
man zus¨atzliche Margen bei sch¨arferen Spezifikationen, was die Anzahl der
Spezifikationsausf¨alle reduziert.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der verbesserten Entwicklung
von LTCC-Frontend-Modulen hinsichtlich hoher Integration und Ausbeute-
optimierung auf Designebene. Diese wird in drei Schritten demonstriert. Im
ersten Schritt wird ein Band-VIII-Duplexer in ein dem Stand der Technik
entsprechendes LTCC-Frontend-Modul integriert. Die Herausforderung da-
bei ist die Integration eines Duplexers, dessen H¨ohe gr¨osser als notwendig
ist, was die Gesamtdicke des Moduls erh¨ohen wu¨rde. Um dieses Problem zu
l¨osen, wird der Tr¨ager des Duplexers entfernt, in dem das Phasenschieber-
Netzwerkzur Isolationvon TX-und RX-Pfad eingebaut ist. Stattdessen wird
das Phasenschieber-CLC-Netzwerk in den mehrlagigen LTCC-Stapel inte-
griert. Dieses Modul wurde erfolgreich aufgebaut und wird mit sehr guter
Ausbeute hochvolumig gefertigt.
Im zweiten Schritt wird eine Fallstudie durchgefu¨hrt, bei der die Geome-
trie einer Spule verschiedenen A¨nderungen unterzogen wird, die durch Fer-
tigungsschwankungen entstehen k¨onnen. Es wurden zahlreiche Simulationen
mit ge¨andertem Lagenversatz, unterschiedlicher Lagendicke und Permitti-
vit¨at mit einer einlagigen Spule durchgefu¨hrt. Bei allen durchgefu¨hrten Si-
mulationen kommen detallierte Modelle zum Tragen, welche die Spulen und
ihre Umgebung realit¨atsnah erfassen. Daraus wurde eine Datenbasis zusam-
mengestellt, die das Verhalten der Spulen in unterschiedlichen Situationen
beschreibt.
Schliesslich wird ein 2 GHz-TX-Tiefpassfilter entwickelt und aufgebaut,
mit dessen Hilfe gezeigt werden soll, dass die korrekte Auswahl einer Spu-
le einen weiteren Freiheitsgrad oder eine gr¨ossere Marge fu¨r die kritischen
Spezifikationsparameter erzeugen kann in Situationen, bei denen Fertigungs-
schwankungen Ausf¨alle verursachen k¨onnen. Dies wiederum bedeutet, dass
die Schaltung robuster gegenu¨ber Fertigungstoleranzen ist. Im Ergebnis wird
dieAusbeutedadurchverbessert,dasspotenziellenProblemenschonw¨ahrend
der Designphase entgegengewirkt wird.
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Contents
1 Introduction 1
1.1 LTCC Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 State of the Art in Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Goal Set for this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 LTCC Module Design 9
2.1 Sonnet Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Scattering Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 LTCC Production Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.4 Best Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Integration of a WCDMA Band VIII Duplexer 21
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Band VIII Duplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Challenges and Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.2 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 Yield 33
4.1 Total Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 Open Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 Short Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.3 Other Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2 Performance Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1 Layer Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2 Layer Thickness Variation . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.3 Permittivity Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
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CONTENTS
4.2.4 Line Width Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Investigation and Analysis of a Problem in a Mass Produced
Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1 Simulation versus Measurement . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.2 Redesign Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.3 The Questions and the Solutions . . . . . . . . . . . . 48
5 Inductor Case Study for a Robust Design 51
5.1 LTCC Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1 Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.2 SRF - Self Resonating Frequency . . . . . . . . . . . . 54
5.1.3 Q Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.4 Skin Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.5 Current Crowding and Proximity Effect . . . . . . . . 60
5.1.6 Analytical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 Inductor Tolerance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.2 Simulation Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.3 Layer Permittivity Variation . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.4 Layer Thickness Variation . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.5 Layer Shift Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.6 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.7 The Verdict . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6 Design of a 2 GHz TX Low Pass Filter 79
6.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.1 Filter Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.2 Sonnet Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.2 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4 LPF with Production Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.1 Layer Shifted Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.2 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
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