張 瑜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

接地通孔基板對(duì)毫米波產(chǎn)品性能影響研究

張 瑜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

接地通孔基板已廣泛應(yīng)用于微波產(chǎn)品中，能夠有效提高產(chǎn)品可生產(chǎn)性和一致性。在毫米波頻段，針對(duì)接地通孔基板帶來(lái)的芯片與微帶線間縫隙大、接地孔對(duì)微波性能的影響和鍵合絲跨度增加對(duì)高頻特性的影響等問題進(jìn)行分析，通過仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，提取并驗(yàn)證了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。選取毫米波頻段的放大器進(jìn)行裝配，測(cè)試結(jié)果表明，在毫米波頻段，可以使用接地通孔基板結(jié)合適當(dāng)?shù)钠ヅ浞绞?，使放大器達(dá)到設(shè)計(jì)的增益值20 dB，端口駐波小于1.4。

毫米波；接地通孔；匹配設(shè)計(jì)；微波性能

0 引言

近幾年，Ka頻段在雷達(dá)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，從而推動(dòng)了毫米波收發(fā)組件的快速發(fā)展[1]。由于毫米波的波長(zhǎng)較短和雷達(dá)性能要求等客觀因素的限制[2]，對(duì)毫米波T/R組件的體積提出了較為苛刻的要求，給組裝工藝設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了困難[3]。

接地通孔基板通過實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通孔的小徑化和高精度化，在國(guó)內(nèi)印制板廠家加工中逐漸形成了主流，在PCB中廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)成本低、高可靠性，是高速信號(hào)最佳傳輸方式。

將接地通孔基板應(yīng)用到毫米波產(chǎn)品中，滿足了信號(hào)的射頻傳輸，適應(yīng)了毫米波產(chǎn)品的小型化要求，將大幅提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。本文針對(duì)毫米波頻段接地通孔基板用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件建立了三維模型，對(duì)毫米波頻段組裝中鍵合絲的分布效應(yīng)進(jìn)行了仿真，結(jié)合高頻電路仿真軟件，從頻域角度對(duì)此問題進(jìn)行了分析和研究，驗(yàn)證了接地通孔基板在毫米波產(chǎn)品中的可行性。

1 接地通孔基板匹配設(shè)計(jì)

芯片裝配到接地通孔基板的焊盤上，需要考慮以下問題：首先芯片與微帶線縫隙比較大，在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)在焊盤和微帶線間留有0.15～0.2 mm的距離；并且芯片和微帶線之間會(huì)存在一定的高度差，由此會(huì)使鍵合金絲在跨距和高度上有所增加，鍵合金絲的感性對(duì)高頻影響是需要分析的[4]。另外，芯片裝配到電路板上，對(duì)射頻性能的影響也將在本文中論證。

隨著頻率的升高，鍵合金絲的寄生效應(yīng)越來(lái)越明顯[5]，因此，在毫米波頻段對(duì)鍵合金絲的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。通常情況下，微帶線之間的鍵合線等效電路模型可以簡(jiǎn)單地用并聯(lián)電容C1、串聯(lián)電阻R、串聯(lián)電感L和并聯(lián)電容C2組成的低通濾波器網(wǎng)絡(luò)表示，如圖1所示。該模型中起主要作用的是鍵合線的串聯(lián)電感L，而并聯(lián)電容C1、C2很小，可以用開路短截線近似求得[6]。

圖1 鍵合線等效電路

對(duì)于自由空間中長(zhǎng)度為l、直徑為d的圓形鍵合線，其電感L0和串聯(lián)電阻R可分別表示為：

式中，μ0為空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率(μ0=4π×10-7H/m)；μr和ρ分別為鍵合線材料的相對(duì)磁導(dǎo)率和電阻率；ds為鍵合線的趨膚深度[7]。

為了在一定頻率范圍內(nèi)補(bǔ)償串聯(lián)電感的作用，一種辦法是適當(dāng)增加鍵合傳輸線的寬度，以提高并聯(lián)電容[8]。本文采用了較為簡(jiǎn)單的T型匹配技術(shù)對(duì)鍵合線結(jié)構(gòu)匹配處理。為驗(yàn)證鍵合金絲傳輸線原理，對(duì)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的傳輸特性進(jìn)行了仿真。將接地通孔基板進(jìn)行建模，如圖2所示，L1通常設(shè)定為0.15～0.2 mm，需要確定的是T型結(jié)的長(zhǎng)度和寬度。

圖2 鍵合線等效模型

2 仿真分析

2.1 接地通孔密度的影響

對(duì)接地通孔基板使用三維仿真軟件進(jìn)行建模[9]，如圖3所示。選用5 mil厚的羅杰斯3003基板，在芯片位置上設(shè)計(jì)與芯片尺寸合適的焊盤，焊盤上設(shè)計(jì)接地孔，用于形成芯片上射頻傳輸?shù)幕芈?。模型?jiǎn)化為在芯片焊盤上用一段微帶線連接，微帶線模擬了芯片的高度，使得鍵合金絲的拱高和跨距都接近于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境。對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖4所示，在所需要的頻段內(nèi)，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的差損小于0.2 dB，回波損耗小于-30 dB。

圖3 接地通孔基板等效模型

圖4 仿真結(jié)果

改變接地通孔的孔密度，其他條件不變，重新進(jìn)行計(jì)算，仿真結(jié)果顯示，減少孔密度對(duì)電路性能影響不大。在實(shí)際電路版圖設(shè)計(jì)中建議在芯片焊盤的四周和中心位置均勻打孔，孔徑為0.3 mm，孔間距為0.6 mm。

2.2 鍵合絲的寄生效應(yīng)

圖4中分別對(duì)鍵合線互聯(lián)中的主要參數(shù)——拱高和跨距進(jìn)行仿真分析。分2種情況進(jìn)行比較：① 同金絲直徑、同拱高、不同跨距；② 同金絲直徑、同跨距、不同拱高。建模時(shí)選用了常用且可靠性較高的雙根25 μm金絲，固定拱高為150 μm，跨距分別為250 μm、350 μm和450 μm時(shí)，模型的微波傳輸特性如圖5(a)所示，從圖中可看出，隨著跨距的增加，對(duì)電路特性影響越大；固定跨距為250 μm，拱高分別為100 μm、150 μm和200 μm時(shí)，模型的微波傳輸特性如圖5(b)所示，從圖中可看出，拱高越小，對(duì)電路特性影響越小。

圖5 鍵合絲寄生效應(yīng)

2.3 三維模型的場(chǎng)路聯(lián)合仿真

選用一款毫米波頻段的低噪聲放大器進(jìn)行場(chǎng)路聯(lián)合仿真。將電路板的PCB文件導(dǎo)入到仿真模型里，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置好板材疊層和過孔的信息，導(dǎo)入后的模型如圖6所示。為實(shí)現(xiàn)接地通孔，頂層金屬厚度需設(shè)定為至少35 μm[10]。在軟件中設(shè)定好電路的激勵(lì)端口、仿真參數(shù)后，進(jìn)行求解分析。

圖6 接地通孔基板三維模型

對(duì)于芯片在接地通孔電路板上的建模，建立的模型如圖7所示。把芯片模型當(dāng)成一個(gè)黑盒子，在芯片壓點(diǎn)位置上畫一個(gè)pad面，設(shè)置成理想邊界條件；將電路板表面金屬設(shè)置成參考地，在芯片壓點(diǎn)和參考地之間設(shè)置端口，這樣就將盤中孔接地效果對(duì)芯片性能的影響考慮進(jìn)去。芯片和微帶線間用鍵合金絲鍵合，模擬了實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境。

圖7 端口的建立

在工程中添加一個(gè)電路設(shè)計(jì)，將之前仿真好的電路板三維模型導(dǎo)入到設(shè)計(jì)中，同時(shí)導(dǎo)入低噪聲放大器的S參數(shù)，設(shè)置好端口信息，形成一個(gè)包含三維模型的電路原理圖，如圖8所示。

圖8 場(chǎng)路聯(lián)合仿真

對(duì)電路進(jìn)行仿真求解，從結(jié)果可以看到，增益在帶內(nèi)平坦度較好，輸出駐波小于1.2，輸入駐波小于1.3，滿足工程使用要求。此時(shí)，優(yōu)化后的w1=0.16mm,w2=1.1mm,L2=0.5mm。

3 裝配測(cè)試結(jié)果

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在制版廠加工了5mil厚的rogers3003雙面板，焊盤采用了接地通孔工藝[11]，PCB設(shè)計(jì)如圖9所示。裝配了仿真中使用的低噪聲放大器芯片，芯片采用導(dǎo)電膠粘接方式[12]，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖9 PCB設(shè)計(jì)

圖10 測(cè)試結(jié)果

從圖10中可以看出，放大器的增益、輸入駐波、輸出駐波能夠滿足工程應(yīng)用。在所需頻帶內(nèi)，增益平坦度較好，輸出駐波小于1.3，輸入駐波小于1.4。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過使用仿真軟件對(duì)毫米波放大器使用接地通孔基板進(jìn)行建模仿真研究，并對(duì)由此方案帶來(lái)的裝配間隙和鍵合絲長(zhǎng)度等問題進(jìn)行分析，最終驗(yàn)證了該方案的可行性并提出了適當(dāng)?shù)钠ヅ浞绞?。測(cè)試結(jié)果表明，使用接地通孔基板的放大器增益值為20dB，端口駐波小于1.4，微波性能較好。對(duì)于毫米波相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，保證各收發(fā)通道的幅度和相位一致性非常重要[13]，這與微組裝的方式息息相關(guān)[14]。采用接地通孔基板的方式可以顯著提高組裝效率，提高毫米波產(chǎn)品的一致性。毫米波相控陣應(yīng)用前景廣闊[15]，是現(xiàn)代雷達(dá)應(yīng)用發(fā)展的重要方向[16]，本文的研究對(duì)毫米波相控陣可生產(chǎn)性具有較高的推動(dòng)意義。

[1] 任榕,盧紹英,趙丹,等.毫米波射頻互聯(lián)微組裝工藝優(yōu)化研究[J].電子與封裝,2013(10):1-9.

[2] 王海.激光開槽技術(shù)在毫米波產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù),2009,34(6):539-542.

[3] 石星.毫米波相控陣?yán)走_(dá)及其應(yīng)用發(fā)展[J].電訊技術(shù),2008(1):6-12.

[4] 曾耿華,唐高弟.微波多芯片組件中鍵合線的參數(shù)提取和優(yōu)化[J].信息與電子工程,2007(2):40-43.

[5] 任榕,盧紹英,金家富,等.毫米波射頻互聯(lián)金絲熱超聲楔焊工藝優(yōu)化研究[J].電子工藝技術(shù),2013(7):239-242.

[6] 徐鴻飛,殷曉星,孫忠良.毫米波微帶鍵合金絲互連模型的研究[J].電子學(xué)報(bào),2003(12):2 015-2 017.

[7]BUDKATP.WideBandwidthMillimeterWaveBondWireInterconnects[J].IEEETrans,2001,MTT-49(4):715-718.

[8]SANZGIRIS,BOSTROMD,POTTENGERW.AHybridTileApproachforKaBandSubarrayModules[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,1995,43(9):953-959.

[9] 徐興福.HFSS射頻仿真設(shè)計(jì)實(shí)例大全[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015:135-158.

[10] 張兆華,崔魯婧,李浩,等.基于BCB的薄膜多層基板在毫米波T/R組件中的應(yīng)用[J].微波學(xué)報(bào),2017(2):63-66.

[11] 任榕,宋夏,邱穎霞,等.毫米波多芯片組裝工藝優(yōu)化研究[J].電子工藝技術(shù),2015(3):76-78.

[12] 薛偉鋒,劉炳龍.到微波芯片元件的導(dǎo)電膠粘接工藝與應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù),2012,3(3):156-159.

[13] 劉炳龍,唐亮.組裝方法對(duì)微波模塊VSWR的影響[J].電子與封裝,2012,12(6):9-11.

[14] 黃建.毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)[J].電訊技術(shù),2011(2):1-6.

[15] 張維,張均華.毫米波T/R子陣研究與設(shè)計(jì)[J].電子與封裝,2016(9):28-30.

[16]WEHLINGJH.MultifunctionMillimeterWaveSystemsforArmoredVehicleApplication[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,53(3):1 021-1 025.

Study on Influence of Grounding Vias Substrate on Performance of Millimeter Wave Products

ZHANG Yu

(The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

The grounding vias substrate is widely used in millimeter wave product,which can improve production efficiency and consistency.This paper analyzes the problems such as wider gap between the chip and microstrip,influence of grounding vias on microwave performance,influence of increased span of bonding wires on high-frequency characteristics,etc.The structure modeling and simulation is performed by using simulation software,and the circuit topologies are extracted and verified.Finally,the amplifier of millimeter wave is assembled.The test results show that the gain of the amplifier can be up to 20 dB and the VSWR is less than 1.4 by using grounding vias substrate combined with appropriate matching in millimeter wave band.

millimeter wave;grounding vias;matching design;microwave performance

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.12

張瑜.接地通孔基板對(duì)毫米波產(chǎn)品性能影響研究[J].無(wú)線電工程,2017,47(9):60-63.[ZHANG Yu.Study on Influence of Grounding Vias Substrate on Performance of Millimeter Wave Products[J].Radio Engineering,2017,47(9):60-63.]

TN957

A

1003-3106(2017)09-0063-04

2017-04-11

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

張 瑜 女，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：T/R組件、毫米波微波組件。