一款可覆蓋DC-20 GHz的帶引線的表貼管殼的設(shè)計(jì)

摘? 要：利用高溫共燒陶瓷（HTCC）工藝，研制了一款具有6根射頻引腳的有引線封裝微波管殼，外形尺寸為20 mm×15 mm×5 mm。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、制作了一款帶引腳的表貼式Ku波段雙通道下變頻3D-SIP模塊，成功實(shí)現(xiàn)了模塊的表貼化，小型化和封裝標(biāo)準(zhǔn)化。其尺寸僅為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的5%，重量小于5 g。

關(guān)鍵詞：3D-SIP;管殼;Ku波段

中圖分類號(hào)：TN12? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）01-0056-04

Abstract： Using high temperature co fired ceramic （HTCC） process， a encapsulated microwave tube shell with lead wire and 6 RF pins is developed， and the external dimension is 20 mm × 15 mm × 5 mm. At the same time， on this basis， a surface mount Ku-band dual channel down conversion 3D-SIP module with pins is designed and manufactured， which successfully realizes the surface mount， miniaturization and packaging standardization of the module. Its size is only 5% of the traditional design scheme， and its weight is less than 5 g.

Keywords： 3D-SIP; tube shell; Ku-band

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通訊技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)微波射頻系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，系統(tǒng)向著更高頻率、更寬的頻帶和更小體積發(fā)展。在這種要求下，頻率覆蓋高頻的表貼形式管殼結(jié)合3D形式集成電路的方式可有效滿足系統(tǒng)需求，解決眾多問(wèn)題。目前，QFN表貼管殼的外形尺寸太小，長(zhǎng)寬均在10 mm×10 mm以內(nèi)，這對(duì)于大部分的功能復(fù)雜的3D電路顯然不太實(shí)用;而有引線表貼管殼雖然尺寸較大，但最高的應(yīng)用頻率基本在C波段以下，嚴(yán)重束縛了3D電路的頻率使用范圍。為了克服以上管殼種種的不足之處，創(chuàng)新采用HTCC多層布線技術(shù)，結(jié)合微波信號(hào)三維傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)、制作了一種新型有引線的表貼封裝管殼，實(shí)現(xiàn)了DC～20 GHz的信號(hào)傳輸，滿足大部3D分電路的頻率需求;同時(shí)結(jié)合3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多功能電路的表貼化、小型化和封裝標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

1? 高頻表貼管殼的設(shè)計(jì)與仿真

隨著射頻微波技術(shù)的高速發(fā)展，電路模塊需要集成的功能越來(lái)越復(fù)雜，為了集成更多的電路與功能，多功能模塊內(nèi)部常常由很多種芯片及器件組合而成，采用3D電路形式設(shè)計(jì)的多功能模塊更是如此，經(jīng)常集成十幾種以上的芯片，所以用于3D電路的表貼管殼需要有充足的空間容量。經(jīng)多種方面綜合考慮，將管殼尺寸初步定為20 mm×15 mm×5 mm，由于此尺寸較大，QFN的設(shè)計(jì)方式已不再滿足可靠性要求。因此，需將管殼的所有端口設(shè)計(jì)成有引線結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了防止管殼在使用時(shí)被拉裂，還需對(duì)引腳進(jìn)行緩沖化設(shè)計(jì)（將引腳半圓化處理）這大大增加了射頻端口電特性的設(shè)計(jì)難度，端口結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前各種陶瓷外殼射頻引腳常用的實(shí)現(xiàn)方式，一般都是多種微波傳輸方式的互連結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)包括微帶線-帶狀線-微帶線、微帶線-同軸線、共面波導(dǎo)-微帶線等。

根據(jù)HTCC工藝的設(shè)計(jì)要求及規(guī)則，本文所設(shè)計(jì)的表貼式微波管殼的射頻端口主要由6部分組成：帶弧形的引線-引線焊盤-信號(hào)過(guò)孔-帶狀線-信號(hào)過(guò)孔-鍵合指。這種連接方式帶來(lái)的問(wèn)題有：（1）引線弧形半徑為0.5 mm，對(duì)于射頻信號(hào)而言，已呈高阻特性;（2）由于工藝對(duì)引線可靠性的要求，引線焊盤尺寸一般較大，對(duì)射頻信號(hào)而言又呈低阻抗特性;（3）過(guò)孔需按工藝設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般也會(huì)偏離50歐姆的阻抗值。因此，這樣的一個(gè)過(guò)渡結(jié)構(gòu)必然帶來(lái)微波傳輸?shù)牟贿B續(xù)性;從等效電路來(lái)看相當(dāng)于串聯(lián)或并聯(lián)一些電抗元件，或使微波網(wǎng)絡(luò)的參考面發(fā)生變化。從而嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸特性。

對(duì)于這樣阻抗不連續(xù)處較多阻抗變化劇烈，且包含多種微波射頻傳輸形式的復(fù)雜過(guò)渡結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)微波射頻信號(hào)端口在頻率范圍從DC～20 GHz的寬帶匹配，確保微波射頻信號(hào)的完整傳輸，需要經(jīng)過(guò)完整且準(zhǔn)確的理論分析，同時(shí)需要結(jié)合仿真軟件對(duì)其采取合理的匹配設(shè)計(jì)，仿真優(yōu)化，消除阻抗的不連續(xù)性。

弧形引線與引線的焊盤是較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，分析處理相對(duì)較為簡(jiǎn)單，對(duì)其的研究分析也較為充足。弧形引線在一定的頻率范圍內(nèi)主要體現(xiàn)出電感特性，引線的焊盤在一定的頻率范圍內(nèi)主要體現(xiàn)出電容特性。而過(guò)孔對(duì)信號(hào)的影響較為復(fù)雜，故在此進(jìn)行詳細(xì)的分析。

由單過(guò)孔模型可知，過(guò)孔含有寄生電感和電容，圖2為單過(guò)孔LC等效模型。模型中C是寄生電容，L是寄生電感，以上L與C均可通過(guò)公式計(jì)算。

過(guò)孔的寄生電容可以通過(guò)式（1）計(jì)算[1-3]：

式中D1為過(guò)孔的焊盤直徑，D2為電路板上隔離環(huán)的直徑，C為過(guò)孔寄生電容量，εr1為電路的介電常數(shù)，T為電路板的厚度。

同樣，過(guò)孔也存在串聯(lián)寄生電感，這個(gè)電感的存在可以造成信號(hào)傳輸?shù)牟贿B續(xù)，造成信號(hào)的反射，也會(huì)降低電源旁路電容的有效性，最終會(huì)使整個(gè)電源供電濾波效果的變差。

上式中，h為過(guò)孔高度，L為過(guò)孔的寄生電感，d為過(guò)孔直徑。

由以上公式分析可以得出以下結(jié)論，對(duì)寄生電感影響最大的是過(guò)孔的高度，而過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響相對(duì)較小。經(jīng)過(guò)以上理論分析，選用的材料介電常數(shù)為9.8，介質(zhì)損耗為0.01的氧化鋁黑瓷。在三維電磁仿真軟件中對(duì)該三維互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真分析。

圖3為表貼管殼端口互連結(jié)構(gòu)仿真模型示意圖，該結(jié)構(gòu)上面部分為HTCC 基板，是表貼封裝的主體部分，下面部分為印刷電路板，是表貼封裝的安裝母板;中間層為鍍金可伐材料加工的引腳，主要將陶瓷管殼的射頻信號(hào)和母板微帶線相連。經(jīng)分析，引腳的弧形部分會(huì)給端口引入較大的電感量，這樣必然帶來(lái)傳輸特性的惡化。因此需要引入電容對(duì)其進(jìn)行匹配：在引腳焊盤處加寬帶線，引入匹配電容。同理對(duì)端口其它部分的阻抗失配進(jìn)行匹配分析后，利用仿真軟件進(jìn)行仿真匹配設(shè)計(jì)。經(jīng)匹配設(shè)計(jì)后，仿真曲線如圖4所示，其回波損耗在DC～20 GHz內(nèi)均小于-18 dB，插損小于0.5 dB，頻率特性滿足設(shè)計(jì)要求。

2? 高頻表貼管殼的加工與測(cè)試

根據(jù)仿真模型進(jìn)行管殼加工，實(shí)物如圖5所示，對(duì)實(shí)際加工管殼進(jìn)行測(cè)試，圖6為單端口（腔體內(nèi)部端口接50歐姆負(fù)載）測(cè)試曲線，在20 GHz以下，其端口駐波小于1.5;圖7為直通（端口+50歐姆帶線+端口）測(cè)試曲線，其插損小于2 dB，除去帶線和夾具插損，單端口插損約為0.6 dB，圖8為直通測(cè)試端口插損測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果看，測(cè)試和仿真曲線基本吻合，達(dá)到管殼設(shè)計(jì)要求。因此，此管殼可廣泛用于頻率小于20 GHz的模塊電路中，來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的小型化，標(biāo)準(zhǔn)化和表貼化。

3? 基于3D表貼管殼進(jìn)行3D-SIP模塊的設(shè)計(jì)

利用前面所設(shè)計(jì)的高頻表貼管殼，設(shè)計(jì)一個(gè)Ku波段雙通道下變頻3D-SIP模塊，其原理如圖9所示。射頻頻率為16～18 GHz，一本振頻率為12～14 GHz，二本振為3.65 GHz，增益為34 dB，數(shù)控衰減器的控制方式采用串轉(zhuǎn)并來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于上述高頻管殼，對(duì)Ku波段雙通道下變頻電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出小型化，表貼化的Ku波段雙通道變頻3D-SIP模塊，其體積僅為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的5%左右。圖10為其外形圖，圖11～13為部分典型測(cè)試曲線，均達(dá)到指標(biāo)要求。此3D-SIP模塊的成功設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了通過(guò)高頻表貼管殼結(jié)合3D電路的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的小型化、標(biāo)準(zhǔn)化和表貼化是可行的。

4? 可靠性分析

可靠性對(duì)任何系統(tǒng)都是非常重要的，可靠性高的系統(tǒng)可以持續(xù)穩(wěn)定工作。由于產(chǎn)品技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)要求等方面的提高，如今對(duì)各類產(chǎn)品可靠性的要求也逐漸提高。產(chǎn)品可靠性水平的高低，不僅關(guān)系到產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，更會(huì)關(guān)系到企業(yè)形象，各類軍用器件產(chǎn)品的可靠性還會(huì)影響到國(guó)家國(guó)防安全。從整體上講，產(chǎn)品可靠性貫穿于產(chǎn)品整個(gè)的生命周期內(nèi)，從設(shè)計(jì)過(guò)程到生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及產(chǎn)品的各級(jí)管理過(guò)程。對(duì)本文中上述管殼設(shè)計(jì)制作完成后，進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。

將設(shè)計(jì)完成的管殼依據(jù)GJB2438A中的H級(jí)產(chǎn)品的考核要求，并且參考了GJB548B中的相關(guān)的試驗(yàn)方法與試驗(yàn)條件進(jìn)行摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)的項(xiàng)目及試驗(yàn)的條件如表1所示。試驗(yàn)完成之后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了高倍的目檢以及各類電性能的測(cè)試，確認(rèn)可靠性達(dá)到產(chǎn)品使用環(huán)境的要求。

經(jīng)過(guò)以上各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)后，可以得出設(shè)計(jì)的3D-SIP管殼的可靠性滿足使用要求。

5? 結(jié)? 論

經(jīng)過(guò)分析和仿真，設(shè)計(jì)完成了一款頻率覆蓋DC～20GHz帶引線的表貼式陶瓷管殼，并基于此管殼成功設(shè)計(jì)出了一款Ku波段雙通道變頻3D-SIP模塊，體積僅為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的5%。因此，通過(guò)高頻表貼管殼結(jié)合3D電路的方式可實(shí)現(xiàn)多功能模塊的小型化、表貼化和外形標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)未來(lái)通訊及其他電子系統(tǒng)發(fā)展的輕薄化，小型化具有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：羅建（1981—），男，漢族 ，四川眉山人，工程師，碩士研究生，研究方向：3D-SIP及微系統(tǒng)。