X 波段功率器件外殼端口仿真與測試差異性研究

顏匯锃，施夢僑，周 昊，陳寰貝

(南京電子器件研究所，江蘇 南京 210016)

0 引言

固態(tài)微波功率器件是信息化設備中的核心元件，對裝備的信息探測能力、信息傳輸能力、信息處理和發(fā)射能力起著決定性作用[1]。隨著X 波段微波組件的不斷發(fā)展[2]，對封裝外殼的端口傳輸性能要求不斷提高。器件封裝要求外殼提供更好的端口匹配特性，以避免端口損耗導致的大功率固態(tài)微波器件的輸出功率下降[3]。

面向固態(tài)微波功率器件封裝的外殼多使用陶瓷絕緣子實現端口的傳輸要求。在以陶瓷為介質的信號傳輸中，采用波導轉微帶的傳輸方式可以消除諧振，有效地減小信號傳輸的插入損耗[4]。其中施夢僑等人設計了一款面向小功率4 通道收發(fā)模塊封裝用陶瓷外殼，在8 GHz～12 GHz 的頻帶內，端口插入損耗≤0.6 dB[5]；李永彬等人設計了一種應用于18 GHz 功放模塊的陶瓷外殼，在DC～18 GHz 的頻帶內，端口插入損耗≤0.6 dB[6]，均采用共面波導-帶狀線-共面波導結構進行微波信號的傳輸。

分析已報道的各類微波外殼方面的文獻，發(fā)現端口的仿真與測試結果存在差異的頻率較高。為解決差異性，只能通過調整端口結構和尺寸來實現，但該方法不僅需要重新設計與制備端口，還無法從根本上解決差異性較大的問題。本文基于探針測試技術，重點分析共面波導-帶狀線-共面波導結構的陶瓷絕緣子仿真及測試結果，研究該結構微波性能惡化的原因以及提出相應的解決方法，可以為該類別的產品設計提供借鑒作用。

1 射頻端口的研究與分析

1.1 射頻端口的仿真設計

本文設計的X 波段功率器件封裝外殼射頻端口采用帶地共面波導(GCPW)-帶狀線-帶地共面波導的傳輸結構實現信號的穿墻，陶瓷件的上下左右四面滿金屬化。介質材料采用的是陶瓷材料，其中氧化鋁占比約為92%，介電常數為9.2±0.2，介質損耗角正切小于0.001，金屬化部分材料為金。

端口激勵采用波端口激勵的方式，經過模型仿真及參數掃描優(yōu)化之后，確定了關鍵參數的值。如圖1 所示，共面波導距GND 的高度H1=1 mm，共面波導中心帶的寬度W1=0.81 mm，穿墻厚度T=0.5 mm，中心帶與接地帶的距離S=0.345 mm，內部帶狀線與上層金屬平面的高度H2=1 mm，帶狀線寬度W2=0.67 mm，共面波導、帶狀線以及側面覆金的厚度H3=0.01 mm。在X 波段下優(yōu)化后的兩個關鍵結果為：回波損耗|S11|≥25 dB，插入損耗|S21|≤0.15 dB。

圖1 X 波段功率器件外殼端口的仿真模型

1.2 射頻端口的測試

本文所設計的射頻端口由中國電科55 所HTCC 工藝線制造與生產。如圖2 所示，采用Agilent 公司型號為N5224A 的矢量網絡分析儀、Cascade 公司型號為PM5 的探針臺以及900 μm 的探針對射頻端口進行測試。

圖2 射頻端口微波測試

實際測試結果與仿真結果的對照如圖3 所示。從圖3 可以看出，回波損耗的測試和仿真結果差距不大，但是插入損耗的測試結果與仿真值存在很大差距。通過多組測試，排除測試結果的偶然性，得到大功率器件封裝外殼的微波測試與仿真存在巨大差異的問題。

圖3 原始端口測試與仿真結果

若將該射頻端口的信號輸入輸出面焊上3 層測試板，由于測試板上下表面均為金屬層且內部有通孔起到互連作用，可以起到良好的電磁屏蔽作用。將圖4 所示的樣品進行測試，通過結果分析S21 過大的原因。

圖4 在輸入輸出端焊上3 層測試板的端口測試

從測試結果中可以得到，S11≤-17 dB，S21≥-0.4 dB。由于測試板與端口需要采用金絲鍵合，會產生電感導致阻抗發(fā)生失配，從以往的測試結果來看，在端口兩端加上夾具再用金絲鍵合后，S11 與S21 均會適當變差。但在本次測試中，該端口的S21 與直接測試的相比得到大幅好轉。下文將對該情況進行具體分析。

1.3 差異分析

當在一個二端口網絡中輸入一定的能量時，二端口網絡中的能量分布如圖5 所示。其中圖5 中各符號的意義如表1 所示。

表1 圖5 中各符號意義

圖5 二端口網絡中的能量分布圖

基于微波電路相關知識，在無源二端口網絡中有：

從一端口傳輸到二端口所損耗的能量為：

插入損耗為：

根據公式可知，當|P2/P2|減小時，S21 會變差；反之當|P2/P1|變大時，S21 結果會好轉。分析1.2 節(jié)中的兩種測試方法，相較于直接在共面波導處壓探針(測試方法A)，在輸入輸出端焊上3 層測試板并用金絲鍵合(測試方法B) 會使得信號傳輸的阻抗失配更嚴重，導致信號的反射更加嚴重，即P3B更大。而兩種測試中采用同樣規(guī)格的樣品進行測試，可以保證P4和P5一致。根據測試結果，PLB要明顯小于PLA，可以得到P6B要遠小于P6A。

由于測試方法B 相較于測試方法A 在信號的輸入輸出端增加了電磁屏蔽，可以有效地減小輻射損耗，說明在射頻端口處存在著明顯的輻射損耗，導致直接在共面波導端壓探針進行測試的S21 結果會遠遠差于仿真結果。

2 仿真驗證

本次測試所采用的探針的使用機理是將測量信號從3D 傳輸介質(RF 電纜或矩形波導)轉換到準2D 的待測件(Device Under Test，DUT)共面接口上，電磁場的傳輸模式則由TE10 模轉化成TEM 波，其中探針頭和共面波導結構只支持TEM 傳輸模式。采用TRL(Thru-Reflect-Line)方式進行探針校準，可以對共面波導與參考地等BEOL(后段制程)形成的寄生效應進行去嵌處理，保證探針測試的精度。但大功率器件封裝外殼的微帶與GND的距離較大，TRL 校準的方式無法完全去除共面波導與GND 間的寄生效應，故探針測試存在著一定范圍內的誤差[7]。

而仿真模型中采用的激勵方式是波端口激勵，設置如圖6(a)所示，該端口能提供一個能量流進/流出的窗口，通過流入或流出窗口內的能量大小來計算二端口網絡的S 參數。因波端口的面積較大，在仿真中幾乎不會出現由于輻射損耗導致的S21 惡化。將波端口平面上移0.3 mm，不計算射頻端口輸入輸出面下方0.3 mm 部分的能量流通，仿真結果如圖6(c)所示，S11 ≤-21.5 dB，S21≥-1.1 dB。

該結果與初始測試結果相一致，且從圖6(b)所示的電場分布中可以看出，在端口底部存在部分電場?？梢姴捎肎SG 探針直接測試時由于GSG 探針采集的信號分布范圍有限，部分能量會通過射頻端口靠近底部的陶瓷部分泄露到空氣中，該部分的能量損失會直接導致大功率封裝外殼射頻端口的插入損耗增加。為了改善端口下邊緣電磁能量泄露問題，在泄露面增加金屬化能夠起到良好的電磁屏蔽效果，如圖7(a)所示，將波端口下邊緣與GND 的間隙面設置為理想導體邊界條件(Perfect E)，仿真結果如圖7(b)所示，S11≤-28 dB，S21≥-0.16 dB，與未上移波端口平面結果相近。

圖6 上移波端口平面的射頻端口仿真

圖7 添加理想導體邊界條件的射頻端口仿真

可以看出：改變波端口的位置，電磁場會從端口下邊沿發(fā)生泄露，影響信號傳輸的完整性，插入損耗會明顯惡化。

3 優(yōu)化后測試結果及分析

為了減小輻射損耗，在傳輸結構不變的基礎上對原始端口進行了優(yōu)化。制作了3 款端口，如表2 所示對信號輸入輸出端做出了不同程度的電磁屏蔽，使用矢量網絡分析儀測試其對插入損耗的改善程度。

表2 3 款樣品電磁屏蔽的程度

3 款優(yōu)化后端口與原始端口如圖8 所示，通過對樣品的測試分析得到金屬層高度與輻射損耗改善程度的關系。測試結果如圖9 所示。

圖8 各端口實物圖

圖9 各端口測試結果

在信號輸入輸出端鍍上不同面積的金屬層，即對接地共面波導結構的大功率器件封裝外殼端口做出不同程度的電磁屏蔽?？梢詮谋? 中的測試結果發(fā)現，在不影響S11 的情況下可以對S21 結果進行相應的優(yōu)化，其中金屬層面積越大，電磁屏蔽效果越好，S21 結果也越接近理想情況。當金屬層高度為1 mm 時，S21 明顯接近理想結果，表明輻射損耗得到了良好改善，金屬層起到了電磁屏蔽的作用；當在輸入輸出端和上筋處均鍍上金屬層后，S21≥-0.31 dB，與理想條件下相比的偏差是在可接受范圍內的，表明此時基本可以實現電磁屏蔽效果。

表3 各端口的S 參數測試結果

不過在仿真與測試中仍舊存在著差異，仿真中將波端口上移0.3 mm 時S21 就發(fā)生明顯的惡化，說明此時已經存在輻射損耗，電磁場從GND 與波端口底部中發(fā)生電磁泄露；在中間加上0.3 mm 的金屬層后能夠避免輻射損耗，改善S21。而在矢量網絡分析儀中使用GSG探針進行測試時，在GND 鍍覆0.3 mm 高度的金屬層后S21 并未得到明顯改善，說明輻射損耗相較于未鍍覆金屬層時改善不大，電磁場從共面波導與金屬層間發(fā)生了電磁泄露。原因在于探針只能傳輸準2D 的電磁波，部分電磁場從探針與金屬層間的介質和空氣中泄露，發(fā)生輻射損耗。如圖10 所示，在信號傳輸中，信號傳輸線兩側和GND 作為返回路徑與信號線構成一個信號傳輸的回路。

圖10 帶地共面波導的信號傳輸模式

要使得S21 結果接近于理想情況，需要保證信號傳輸時的返回路徑覆蓋面盡可能廣，信號的傳輸完整性也能夠隨之提升[8]。

故當進行大功率器件封裝外殼的設計時，由于大功率集成電路的尺寸要求導致外殼的高度較高，往往會導致測試和實際使用時發(fā)生輻射損耗，導致S21 與仿真的理想情況下出入過大。在排除工藝導致的影響外，需要完善返回路徑，保證信號傳輸的完整性，減小輻射損耗所導致的電磁泄露，可以優(yōu)化S21 的結果。其中在信號輸入輸出平面鍍覆較高的金屬層，或者在信號線旁邊的地線與GND 間設計過孔結構或者側孔孔壁金屬化結構，都能起到較好的電磁屏蔽作用。同時改良測試方法，例如使用金屬夾具將電磁場從共面波導經過微帶過渡轉到同軸波導中，可以有效地解決S21 仿真與測試間存在較大差異的問題。

4 結論

本文基于HTCC 工藝，在測試差異性分析與仿真驗證后，推導出大功率器件封裝外殼在實際使用和仿真中的S21 存在著較大偏差的原因主要來自于輻射損耗；制備了相應的樣品進行了一系列的對照試驗，通過對輸入輸出端平面鍍覆不同高度的金屬層來觀察S 參數結果的改變，驗證了輻射損耗的存在；輻射損耗會導致信號在返回路徑上的信號完整性受到影響，故而針對輻射損耗對設計進行優(yōu)化，S 參數測試結果達到了S11≤-21 dB，S21≥-0.31 dB，與仿真結果接近；并提出相應的解決方法來實現電磁屏蔽，包括鍍覆金屬層和設計過孔、側孔孔壁金屬化等結構以及改良測試方法，避免輻射損耗影響最終的S 參數。本研究可以為大功率器件類封裝外殼的設計、測試和實際使用提供借鑒意義。