一種高可靠大功率單刀三擲開(kāi)關(guān)模塊設(shè)計(jì)

王 璐，胡永軍，馬建軍，湯 寅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016)

1 引言

PIN二極管電子開(kāi)關(guān)模塊是微波控制電路中的基本模塊，它在相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗、微波通信、衛(wèi)星通信以及微波測(cè)量等方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。由于需求功率的提高以及應(yīng)用環(huán)境的要求越來(lái)越高，相應(yīng)的對(duì)電子開(kāi)關(guān)模塊的要求也越來(lái)越高。常規(guī)的大功率單刀三擲開(kāi)關(guān)模塊在封裝時(shí)通常采用膠封，在氣密性等可靠性指標(biāo)方面還存在一些問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的大功率單刀三擲開(kāi)關(guān)模塊工作在1 GHz以內(nèi)，在150 W連續(xù)波輸入功率下，帶內(nèi)插損小于0.12 dB，隔離度大于25 dB，具有可承受連續(xù)波功率大、使用頻帶寬、帶內(nèi)損耗小、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中考慮了模塊的可靠性，在后續(xù)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 插入損耗和隔離度

本文選用中國(guó)電科第55所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的WKB0070型大功率PIN二極管芯片。該款芯片采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，玻璃鈍化保護(hù)，TiPtAu電極系統(tǒng)，具有擊穿電壓高、可靠性高等特點(diǎn)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。本文采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)形式，將芯片參數(shù)代入串聯(lián)形式的SPST開(kāi)關(guān)的插入損耗和隔離度公式，可以得出單刀三擲開(kāi)關(guān)的插入損耗小于0.15 dB，隔離度大于26 dB。

表1 WKB0070型芯片電學(xué)參數(shù)

2.2 管殼設(shè)計(jì)

使用的大功率單刀三擲管殼外形圖如圖1所示，屬于金屬陶瓷封裝形式。此類(lèi)管殼封帽時(shí)常常采用膠封形式，如M/A-COM公司相關(guān)的產(chǎn)品。為了提高模塊的氣密性，需要改進(jìn)封帽工藝，增加焊環(huán)，這大大提高了器件的可靠性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

利用三維電磁仿真工具HFSS(High Frequency Structure Simulator)對(duì)模塊進(jìn)行仿真[2-3]，所采用的芯片及管殼的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所示。對(duì)于管殼，在不改變裝配孔位置和外引線高度的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變底部過(guò)渡片的厚度、上下陶瓷片的厚度以及內(nèi)部引線的形狀，并且在綜合考慮散熱和工藝的情況下進(jìn)行仿真，以達(dá)到開(kāi)關(guān)模塊的最佳性能。仿真模型如圖2所示。

圖1 管殼示意圖

表2 WKB0069型芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 HFSS中材料參數(shù)設(shè)置

圖2 管殼示意圖

在相同內(nèi)部圖形的情況下，改變上下陶瓷片厚度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 上下陶瓷片厚度對(duì)插入損耗和隔離度的影響

由圖3可知，上下陶瓷片厚度均為1.2 mm時(shí)，插入損耗最小，隔離度較大。

在上下陶瓷片厚度確定的情況下，改變外引線寬度，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)管殼工藝的可靠性要求，外引線接口寬度應(yīng)大于1.1 mm，否則其引線牢固度不夠。由圖4可知，在外引線接口寬度大于1.1 mm的情況下，其寬度越小，模塊的性能越好。

在相同的上下陶瓷片厚度及外引線寬度的情況下，設(shè)計(jì)了多種內(nèi)部圖形，如圖5所示。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 6種內(nèi)部圖形的設(shè)計(jì)

圖6 6種圖形對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，使用1#內(nèi)部圖形時(shí)，單刀三擲開(kāi)關(guān)模塊的仿真結(jié)果最優(yōu)，工作在1 GHz以內(nèi)時(shí)損耗小于0.07 dB，隔離度大于30 dB。

3 模塊加工

芯片采用深結(jié)擴(kuò)散技術(shù)完成PN結(jié)的制作，通過(guò)ICP刻蝕和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的工藝完成200 μm的深臺(tái)結(jié)構(gòu)，Ti/Pt/Au金屬系統(tǒng)用于制作歐姆接觸。由于芯片需要承受較高的擊穿電壓，因而鈍化技術(shù)是其中的關(guān)鍵，我們主要采用玻璃鈍化技術(shù)來(lái)完成鈍化層的制作，在整個(gè)工藝過(guò)程中采用多種工藝監(jiān)控技術(shù)，用以提高工藝的穩(wěn)定性和芯片的質(zhì)量。

管殼底座采用無(wú)氧銅制作，上下陶瓷片采用導(dǎo)熱性較好的氮化鋁材料，通過(guò)打孔、印刷、打腔、疊片層壓、生切、燒結(jié)、化學(xué)鍍鎳等工藝完成。瓷帽同樣采用氮化鋁材料，通過(guò)印刷、生切、燒結(jié)、化學(xué)鍍鎳等工藝完成。通過(guò)選用特殊的軟膜，解決了深腔結(jié)構(gòu)在疊片層壓過(guò)程中腔內(nèi)受壓不均、金屬化脫落的問(wèn)題；通過(guò)高精度控溫?zé)Y(jié)技術(shù)，解決了陶瓷與穿墻部分金屬化燒結(jié)牢固度的問(wèn)題。

芯片的裝配采用3只PIN二極管芯片共陰極燒結(jié)的方式，引線采用250 μm寬的金帶進(jìn)行內(nèi)引線的連接，確保大功率下芯片下電極良好的散熱及內(nèi)引線上大電流的通過(guò)。同時(shí)為了避免高壓下的空氣擊穿，在芯片四周及內(nèi)引線的焊接點(diǎn)均采用了FS203膠進(jìn)行保護(hù)。封帽采用專(zhuān)門(mén)的定制模具，用以控制腔體內(nèi)部多余物的出現(xiàn)，降低短路的可能性，提高模塊使用的可靠性。封帽前后模塊的實(shí)物照片如圖7所示。

圖7 大功率單刀三擲開(kāi)關(guān)實(shí)物圖

4 測(cè)試結(jié)果及分析

實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)主要采用合適的電感、電容、功率放大器、衰減器以及高性能微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行搭建。導(dǎo)通二極管直流偏置為50 mA，關(guān)斷二極管電壓偏置為-100 V。測(cè)試結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 差損測(cè)試曲線

圖9 隔離度測(cè)試曲線

從測(cè)試結(jié)果中可以看到，在100 W連續(xù)波輸入功率下，該器件工作在1 GHz以內(nèi)，插入損耗小于0.12 dB，不一致性小于0.06 dB；隔離度大于25 dB，不一致性小于5 dB。開(kāi)關(guān)模塊仿真與測(cè)試結(jié)果能夠很好地吻合，說(shuō)明本文開(kāi)關(guān)模塊的設(shè)計(jì)方法具有可行性。

在模塊的實(shí)際使用和組裝過(guò)程中或在環(huán)境試驗(yàn)前用中等彎曲應(yīng)力對(duì)引線進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，引線可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。本文在被試的每條引線上加2.22 N的力，做+45°、-45°彎曲3次，在引線和器件本體之間無(wú)松動(dòng)或相對(duì)移動(dòng)。放置在溫度為35℃±2℃的鹽霧試驗(yàn)箱中24 h之后觀察模塊，無(wú)引線脫落和涂覆層受侵蝕的現(xiàn)象。

為了確定模塊耐極限高溫和低溫的能力以及交替暴露在這種極限溫度下的影響，本文進(jìn)行了-65℃～150℃范圍內(nèi)的500次循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)后測(cè)試參數(shù)無(wú)變化。

5 結(jié)論

本文選用自主開(kāi)發(fā)的WKB0070型大功率PIN二極管芯片，設(shè)計(jì)出了一種大功率的單刀三擲開(kāi)關(guān)模塊，同時(shí)還考慮了該模塊使用中的可靠性問(wèn)題。該模塊工作在1 GHz以內(nèi)，在150 W連續(xù)波輸入功率下，帶內(nèi)差損小于0.12 dB，隔離度大于25 dB，可靠性高，并且易于裝配集成，具有廣泛的應(yīng)用前景。