3.1 低溫共燒陶瓷之系統封裝應用
射頻積體電路(RF-IC)在現今的發展階段，受到元件本身特性的限制及製程 技術仍未突破等因素，目前仍無法真正實現單一系統晶片(SOC, system on chip)，然而透過模組化的方式，整合射頻原有之分離式元件，以達成單一系統封 裝模組(SOP, system on package)。低溫共燒陶瓷(LTCC, low temperature co-fired ceramics)技術提供了整合主動及被動元件的能力，並能同時達到模組縮小化及低 成本之要求。
3.1.1 低溫共燒陶瓷技術之簡介
低溫共燒陶瓷技術亦可稱為多層陶瓷技術，以玻璃和陶瓷作為基板材料，和 一般電路常使用的有機電路板(FR4)相比[3]，當頻率在 1GHz 以下時，LTCC 與 FR4 的損失相當，但是當頻率愈往高頻時，LTCC 的損耗表現明優於 FR-4 如圖 3-1 所示。LTCC 在製程上與傳統的積層晶片型被動元件的製作技術類似，主要 仍是採用厚膜印刷(Thick Film)的方式進行製作，其中的差異性則是在於所使用 的陶瓷與導電體材料的不同，且在進行共燒時的溫度也限制在 1000℃以下。主 要生產製程大略包括下列數個步驟[4]，陶瓷生胚製造、預燒、通孔、填孔、網 版印刷、照準與堆疊、加壓與切割、共燒以及後段製程；各製程步驟詳細內容如 表 3-1 所示。LTCC 在多晶片模組(MCM, Multi-chip Module)的封裝應用上，具有 下列之特點[5]：
z 導線線寬與線距的縮小化
z 低金屬電阻損耗 z 出色的高頻特性 z 分層設計的獨立性 z 貫孔直徑小
LTCC 還可應用於晶片型天線之設計，同時藉由內埋的電容、電感和電阻，設計 濾波器(filter)、雙工器(diplexer)或平衡非平衡轉換器(balun)等被動元件，加上晶 片模組的配合，可以在單一 LTCC 的基板上實現完整系統之整合。
3.1.2 低溫共燒陶瓷於射頻模組之應用
低溫共燒陶瓷應用在射頻模組上，可以將大量的被動元件內埋至 LTCC 基板 中，大幅縮小電路所佔的尺寸與面積。目前射頻模組的整合應用已有許多的成 果，行動通訊上有 GSM/DCS/PCS 三頻前端接收模組[6]，所整合的電路架構如 圖 3-2 所示，此模組以十九層的 LTCC 內埋 PCS 的平衡對非平衡轉器與匹配電 路、GSM/DCS 的表面聲波濾波器(SAW Filter)匹配電路，同時配合直接降頻式 (Direct-conversion)晶片，完成整個前端接收模組的整合。無線區域網路(wireless LAN)的應用上則有 2.4GHz 射頻前端系統封裝模組[7]，該設計之主要架構於圖 3-3，此模組中 LTCC 被動電路包含天線、濾波器及平衡對非平衡轉器，同時整 合單晶微波積體電路(MMIC, monolithic microwave integrated circuits)的功率放大 器 (PA, power amplifier) 、混波器 (Mixer)以 及 低 雜 訊 放 大 器 (LNA, low noise amplifier)。由於上述模組整合應用的實現，使得 LTCC 在系統封裝的技術發展上 愈顯出其重要性，所以本論文利用 LTCC 良好的整合能力，應用在全球定位系統 接收模組之設計，以達成系統封裝整合之目的。
3.2 全球定位系統封裝模組
3.2.1 全球定位系統之簡介
全球定位系統(GPS, Global positioning system)是由太空中的 24 顆人造衛星 所構成，這 24 顆衛星平均分佈在距離地球表面 20200 公里高度的六個軌道面上，
軌道與赤道面斜角為 55 度，每個軌道面有 4 顆衛星[8]。每一顆衛以分碼多工 (CDMA, code division multiple access)技術，傳送通用時間座標(UTC, universal time coordinate)，地球上的接收端可以藉由計算所接收到的任意四顆衛星信號得 知本身的位置與速度，為了避免各個衛星間信號的干擾，藉由 CDMA 調變中的 偽亂碼(pseudo-random code)，來區分不同的衛星信號。
GPS 衛星使用 S 頻帶，對控制中心及追蹤站通信，衛星之間則使用超高頻 段 UHF 通信。GPS 衛星在 L 頻帶的基頻(Baseband)訊號中心頻率為 10.23MHz，
兩組載波(Carrier)頻率 L1、L2 分別是基頻的 154 倍與 120 倍，即
1 1575.42 2 1227.60
L MHz
L MHz
=
=
GPS 提 供 兩 種 服 務 型 態 ， 一 是 標 準 定 位 服 務 (SPS, standard positioning service)，另一是精確定位服務(PPS, precise positioning service)。標準定位務開放 給全世界的用戶使用，不收取任何費用，以 L1 頻率作為信號的載波，傳送 C/A 碼(Coarse/Acquisition Code)與相關的定位導航資訊；C/A 碼只加在供民間使用的 L1 頻段上，信號接收換算後的位置準確度誤差為 10 至 15 公尺。精確定位服務 主要是作為軍事用途，信號同時調制於 L1 與 L2 頻段，使用 P 碼(Precision Code) 做為定位與導航之用。本論文所提出的低溫共燒陶瓷全球定位系統封裝模組，是 做為 L1 頻段定位信號的接收應用為主要目的。
3.2.2 全球定位系統封裝模組之電路架構
本論文所提出之全球定位系統封裝模組，採用圖 3-4 所示之二次降頻(double conversion)式的雙中頻外插接收機(dual-IF heterodyne receiver)，雙中頻外插式接 收機的優點是第一中頻可設定為高頻段，以提供良好的鏡像拒斥(image-reject)，
而第二中頻則可設定在低頻率，以達到良好的通道選擇(channel selection)能力及 降低鄰頻干擾(interference)[9]。圖 3-5 是本論文的系統封裝模組架構示意圖，圖 中長虛線範圍內的電路方塊是 LTCC 系統封裝模組所欲整合的各項獨立電路，其 中包含了低雜訊放大器、表面聲波濾波器、第一級中頻濾波器、鎖相迴路的迴路 濾波器(Loop Filter)、壓控振盪器部份電路(VCO Tank)，以及點虛線表示的 GPS 前端接收積體電路晶片(RF Front-End IC)。系統的運作是以外接式天線接收 GPS 衛星的 L1 頻段信號，經低雜訊放大器放大接收信號後進入射頻積體電路，信號 經由積體電路內的單平衡混波器(Single Balanced Mixer)將單端信號轉換成平衡 式信號並降頻至第一中頻段(1st IF)20.46MHz；第一中頻帶通濾波器為一平衡式 電感電容濾波器(LC Filter)，信號濾波後再透過積體電路中的自動增益控制電路 (AGC, automatic gain control)讓中頻信號放大，然後以 2 位元類比對數位轉換器 (ADC)將類比信號數位化，同時以數位信號處理的方式再把信號降頻至第二中頻 段 4.092MHz。圖 3-6 是本論文所採用的射頻前端接收積體電路晶片詳細的內部 電路方塊及對外接腳，射頻晶片所允許的工作電壓介於 2.2V 至 3.6V 之間，運作 時消耗電流 5.2mA，晶片尺寸為5mm×5mm [10]。
圖 3-8 為本論文所提出的 LTCC 全球定位系統封裝模組詳細電路，系統電路 由五個主要部份所組成，其中模組電路元件總數共 60 個，可內埋元件有 19 個；
LTCC 內埋元件分成兩大部分，一是平衡式中頻濾波器電路，另一則是低雜訊放 大器的偏壓電路及匹配電路。本論文主要是探討上述這兩部分內埋電路的設計與
內埋與表面接著(surface mount)的方式進行整合，模組表面電路配置的方塊圖如 圖 3-7 所示共五個主要區塊，12 個側面電極做為信號的饋入與取出端；雖然實體 模組尺寸為11.5mm×11.5mm，但是考慮到模組整合後需要加上金屬遮蔽蓋 (shading case)以降低電磁干擾，故需預留0.5mm的邊界給遮蔽蓋使用，LTCC 表 面實際可用面積僅有10.5mm×10.5mm。
LTCC 模組電路設計中所使用的陶瓷材料介電係數εr =10、介質損耗 0.002，
且陶瓷材料包含35um及70um兩種不同厚度；導電材料的導電率(conductivity)為 3.5 10× 7S/m，導電層厚度是15um，使用 14 層陶瓷材料構成的基板做為 GPS 模 組的基礎架構。
3.3 平衡式中頻濾波器電路設計與模擬
平衡式濾波器(Balanced filter)是應用在混波器的輸出端及下一級放大器的輸 入端之間如圖 3-9 所示，所以濾波器的輸入端與輸出端負載，必須配合混器輸出 端阻抗與放大器輸入端阻抗，這與一般常見的50Ω負載阻抗有所不同，本論文中 平衡式中頻濾波器的需求是輸入端負載1200Ω、輸出端負載4800Ω。此中頻濾波 器在雙中頻外插式接收機中，具有頻道選擇的功能，同時能夠去除下一級類比對 數位轉換器的鏡像雜訊，濾波器的中心頻率定為20.46MHz，3dB頻寬則容許在
2MHz 至 4MHz 之間
3.3.1 平衡式帶通濾波器電路設計
濾波器的設計理論中，所有型態的濾波器皆可藉由低通濾波器的原型轉換來 得到[18]。圖 3-10 是一 Butterworth 三階低通濾波器的原型，透過低通轉帶通的 方式，可轉成圖 3-11 帶通濾波器原型，但是為了 LTCC 實際設計上的方便，將 此濾波器略為修改成圖 3-12，並且經由電路模擬軟體 ADS 的分析得到圖中各個
元件值，此帶通濾波器的頻率響如圖 3-13 所示，3dB頻率約為2.1MHz。接下來 利用對稱性的原理，將圖 3-12 以接地電位做為參考平面鏡射，可得到圖 3-14 所 示的平衡式帶通濾波器，最後再將電路上的元件整理合併，即可得到圖 3-15 中 輸入端負載1200Ω、輸出端負載4800Ω的平衡式中頻帶通濾波器。
3.3.2 平衡式中頻濾波器於低溫共燒陶瓷中之模擬與設計
LTCC 中的電路設計，內埋元件對參考接地層( reference ground layer)不可避 免地會產生對地電容的效應，如圖 3-16 電容值為C的平行板電容器，因對地效 應的影響，造成等效電路上多了兩個對地電容
C ，這是 LTCC 內埋電路設計中
g 不可避免的寄生效應(parasitic)，若在相同層厚的條件下，對地電容值會與平行板 電容值相等，即C
= ；通常單端電路設計中，若非電路本身有對地電容的需要，C
g 不然則須想儘辦法來抑制對地電容的出現，然而在平衡式電路設計裡，並聯電容 的對地寄生效應反而可以對電路設計帶來正面影響。其原因於如圖 3-17 所示，LTCC 中平行板電容器的對地寄生電容於平衡式電路中可視為兩電容串接，因此 由平衡式訊號輸入端所看到的等效電容值
3
2 2
g
g g g
eq
g g C C
C C C
C C C C
C C =
= + = + =
+
i (3-1)
所以平衡式電路中的並聯電容受對地效應的影響，會增為原電容值的 1.5 倍，這 對在有限面積的模組設計上是一個極佳之優點，故 LTCC 相當適合應用於平衡式 電路的設計上。
圖 3-18 為欲內埋於 LTCC 中的平衡式中頻濾波器電容部份，因對地效應的 影響得到圖 3-19 等效電路，圖中串聯的 對地電容雖然無法併入自己，但
低所需使用的 LTCC 電路面積，圖 3-21 即為內埋於 LTCC 中的電容佈局。經由 電磁模擬軟體 HFSS 的模擬，加上外部電感的配合可以得到反射參數對頻率關係 圖 3-22，其中並比較了 ADS 的電路模擬，因為 LTCC 的金屬材料本身具有電阻 性損耗的關係，使得 HFSS 模擬所得到的損耗較高，濾波器中心頻率的介入損耗 為20.46dB，整體的3dB頻寬約為2.1MHz。
3.4 低雜訊放大器電路設計與模擬
低雜訊放大器(LNA, low noise amplifier)在通訊系統中，提供天線所接收到信 號的第一級放大，LNA 必須將極微弱的接收信號足夠放大而又不能夠加入過高 的雜訊，以維持系統的訊號雜訊比(SNR, signal to noise ratio)低於一定程度；現今 數位通訊中，訊號的組成愈益複雜，LNA 在設計時必需有更多的考量，因此一
低雜訊放大器(LNA, low noise amplifier)在通訊系統中，提供天線所接收到信 號的第一級放大，LNA 必須將極微弱的接收信號足夠放大而又不能夠加入過高 的雜訊，以維持系統的訊號雜訊比(SNR, signal to noise ratio)低於一定程度；現今 數位通訊中，訊號的組成愈益複雜，LNA 在設計時必需有更多的考量，因此一