貫穿型焊料層空洞對微帶電路板傳輸性能研究

劉志丹 張 飛 趙志平 陳 帥

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710000）

0 引言

T/R組件作為相控陣雷達的核心，其中包括功率放大器、衰減器、移相器、開關(guān)等固態(tài)集成電路，整個電路通過微帶電路板連接，所用的微帶電路板大都采用大面積接地結(jié)構(gòu)[1][2]。微帶電路板接地包括螺釘連接和焊接等方式，螺釘連接由于連接間隙導(dǎo)致功能塊間的串?dāng)_，無法獲得滿意的微波性能，大大增加了調(diào)試的工作量和難度，降低了組件的可靠性。20世紀(jì)80年代末，國外開始嘗試用焊接的方法來替代螺釘壓緊的方法，改點接觸為面接觸，使串?dāng)_降至 0.1 dB，損耗也大大降低[3]。

微帶電路板焊接過程受工藝參數(shù)及技術(shù)人員水平等因素的影響，焊料層空洞難以避免，其會對微波電路的性能指標(biāo)造成不利的影響[4]。劉炳龍[5]等人研究了組裝方法對微波模塊電壓駐波比的影響，發(fā)現(xiàn)微帶板接地效果越好，駐波越小。彭雪林[6]等人研究了釬焊中空洞對微波信號傳輸性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著器件工作頻率越來越高，焊料層空洞的出現(xiàn)會導(dǎo)致嚴重的信號完整性問題。

焊料層空洞的形狀不規(guī)則、隨機性很大，工程上對空洞的測量通常采用物理X光照射，通過對陰影形態(tài)進行辨別來確定空洞的形狀并進行釬透率的估算。相關(guān)文獻指出，空洞的形狀大多為圓形或橢圓形[7]，其中某些空洞會貫穿整個焊料層長度方向，近似為方形，貫穿型空洞會造成整個接地焊接釬透率降低，引起微帶電路板傳輸性能的嚴重惡化。文章通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件，對微帶電路板與焊料層空洞建模，分析貫穿型空洞對傳輸性能的影響，并以貫穿型空洞為基礎(chǔ)，同時分析釬透率對傳輸性能的影響。

1 建模方案

微帶電路板焊料層空洞隨機分布，很難通過實驗定量分析其對傳輸性能的影響，為了掌握空洞的結(jié)構(gòu)尺寸、位置對微波信號傳輸性能的影響，采取建模與仿真的方式進行分析。以基本的微帶電路板為對象，研究微帶電路板焊接后，空洞對其傳輸性能的影響。該結(jié)構(gòu)形式包括微帶線、基板、焊料層以及接地外殼等四個部分，微帶板特性阻抗選為50 Ω。模型圖如圖1所示，組件尺寸與材料見表1所示。

表1 組件尺寸與材料表

圖1 微帶電路板接地焊接模型圖

在三維電磁建模軟件中建立微帶電路板的傳輸模型，在焊料層建立不同位置、大小的貫穿型空洞，進行電磁仿真計算，研究其對傳輸性能，研究的參數(shù)包括電壓駐波比（VSWR）和正向傳輸系數(shù)（S21）。電壓駐波比表示傳輸線的阻抗匹配程度，正向傳輸系數(shù)指傳輸線的傳輸損耗，均為表征傳輸線傳輸性能的重要電學(xué)參數(shù)。文章主要計算S波段（2～4 GHz）和X波段（8～12 GHz）頻帶范圍內(nèi)各模型的微波電路參數(shù)。分析貫穿型空洞對傳輸性能的影響，并以貫穿型空洞為基礎(chǔ)，同時分析釬透率對傳輸性能的影響。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 空洞位置對微帶電路板傳輸性能的影響

為了探討貫穿型空洞位置和大小對微波信號傳輸性能的影響，在焊料層內(nèi)邊緣分別建立5%和10%的空洞，X的方向為沿微帶線方向，Y為垂直微帶線方向，空洞直接貫穿整個饋電端口（如圖2所示）。

圖2 貫穿空洞位置圖

對各個情況進行電磁建模計算，得到的結(jié)果如圖3所示。0為空洞率0%，1和3為沿X方向，空洞率5%，2和4為沿Y方向空洞，空洞率10%。從圖中可以看出，5%大小的空洞在S波段對微波電路的傳輸性幾乎不存在影響，正向傳輸系數(shù)和電壓駐波比與完全釬透幾乎一致，隨著頻率上升，正向傳輸系數(shù)和電壓駐波比較有所上升。10%大小的空洞在對微波電路的傳輸性影響較大，Y方向的正向傳輸系數(shù)和電壓駐波比明顯大于X方向。

圖3 不同位置焊料層空洞的仿真結(jié)果圖

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)位于饋電端口處的空洞明顯影響微帶電路板傳輸性能，并且隨著頻率增加，電訊指標(biāo)也隨之惡化。焊料層空洞的存在會降低微波信號的傳輸性能，特別是電磁信號在高速傳播過程中，隨著器件工作頻率的越來越高，這種影響也越來越顯著。

為了進一步探討空洞位置對微波電路傳輸性能的影響，文章又對方形貫穿型空洞沿X和Y方向路徑變化時的微波電路傳輸性能參數(shù)進行了電磁計算。以方形空洞左側(cè)邊緣距微帶板左側(cè)邊緣的距離為變量，分析10%大小空洞在Y方向分布（每次移動距離1 mm）對微帶線正向傳輸系數(shù)和電壓駐波比的影響，計算得到的結(jié)果如圖4所示。上圖中橫坐標(biāo)代表著空洞在釬層中所處位置，坐標(biāo)0點表示空洞在焊料層左端，坐標(biāo)10表示空洞在焊料層右端。

對比圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空洞沿著微帶線下方變化時，在S頻段，正向傳輸系數(shù)在-0.022dB至-0.038 dB范圍內(nèi)變化，電壓駐波比在1.02至1.12范圍內(nèi)變化；在X頻段，正向傳輸系數(shù)在-0.044 dB至-0.065 dB范圍內(nèi)變化，電壓駐波比在1.03～1.14范圍內(nèi)變化。可以看出，當(dāng)空洞位于微帶線下方時，會貫穿整個微帶線，會造成微帶線傳輸性能的惡化，其余位置影響不大。

圖4 焊料層空洞沿Y方向變化的仿真結(jié)果圖

按相同方式分析10%大小的空洞沿X方向分布，間距為1 mm，坐標(biāo)0表示焊料層空洞位于為微帶線輸入端口，10表示空洞位于微帶線輸出端口。進行電磁仿真計算，計算得到的結(jié)果如圖5所示。

對比圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空洞沿著微帶線下方變化時，在S頻段，正向傳輸系數(shù)在-0.022 dB至-0.038 dB范圍內(nèi)變化，電壓駐波比在1.01至1.12范圍內(nèi)變化；在X頻段，正向傳輸系數(shù)在-0.044 dB至-0.064 dB范圍內(nèi)變化，電壓駐波比在1.02～1.14范圍內(nèi)變化。可以看出，在輸入端口處正向傳輸系數(shù)小于其余位置，電壓駐波比大于其余位置，在X波段空洞位于微帶板中間位置時也會對傳輸性能產(chǎn)生較大影響，其余位置對微波傳輸性能的影響不大。

圖5 焊料層空洞沿X方向變化的仿真結(jié)果圖

2.2 釬透率對微帶電路板傳輸性能的影響

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，單個焊料層空洞的影響并不是非常明顯，加大空洞面積，以沿微帶方向方形貫穿型空洞為基礎(chǔ)，通過改變釬焊面積，分別計算釬透率在 100%、80%、60%與40%四種不同程度范圍內(nèi)變化時，微波電路的傳輸性能參數(shù)。

通過仿真計算，具體結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，隨著微帶板底部釬透率的降低，電壓駐波比與正向傳輸系數(shù)都是逐漸增大的，且80%釬透率和100%釬透率性能十分接近，正向傳輸系數(shù)和電壓駐波比基本一致，60%釬透率性能較80%變化也不大，當(dāng)釬透率只有40%時微波傳輸性能劣化明顯，與完全釬透具有較大差值。

圖6 不同釬透率的仿真結(jié)果圖

由此可見，隨著釬透率的降低，微波電路的傳輸性能是逐漸下降，在釬透率下降至40%時傳輸性能才會急劇惡化。因此在微帶電路板焊接過程中，應(yīng)確保較高的釬透率，確保阻抗匹配，提高微帶電路板的傳輸性能。

3 結(jié)論

總的來說，單個焊料層空洞對微帶電路板電路傳輸性能的影響還是比較小的，貫穿型空洞位于饋電端口和微帶線正下方，會導(dǎo)致性能下降。隨著釬透率的降低，微波電路的傳輸性能是逐漸下降，在釬透率下降至40%時傳輸性能才會急劇惡化。在實際工程中，當(dāng)多個器件一起構(gòu)成有源電路時，焊料層空洞的影響就會被放大，影響整個組件的傳輸性能。