伍藝龍，呂曉萌，廖 翱，葉永貴

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

引言

微波光子技術(shù)是將傳統(tǒng)的微波毫米波技術(shù)與光子技術(shù)結(jié)合，以解決通信與信息科學中關(guān)鍵問題的一門交叉技術(shù)[1]。微波光子技術(shù)自20世紀90年代提出以后，在微波毫米波信號的光學產(chǎn)生、微波毫米波信號的光域處理、光載射頻（RoF，RF over fiber）信號傳輸?shù)确矫姘l(fā)展迅速，其中光載射頻信號傳輸結(jié)合了微波和光纖通訊的優(yōu)勢，使微波信號在光纖中實現(xiàn)低損耗、長距離、抗干擾大動態(tài)的信號傳輸，可實現(xiàn)復雜的微波處理單元與天線間的信號傳送和分配，是微波光子技術(shù)一個重要的應用領(lǐng)域[2]。如何實現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的高集成度、高可靠性，從而拓展微波光子技術(shù)的應用范圍，成為目前研究的重點[3-4]。

與傳統(tǒng)使用射頻電纜實現(xiàn)信號傳輸相比，光纖具有質(zhì)量輕、頻帶寬、傳輸損耗低、抗電磁干擾能力強等特點。光載射頻傳輸技術(shù)使用光作為信號載波，可使天線與收發(fā)組件、變頻組件、處理機等系統(tǒng)核心單元在空間上遠距離分開，實現(xiàn)一個射頻信號通過多個遠距離天線發(fā)射，可組建多基站系統(tǒng)、網(wǎng)絡、分布式應用[5]。在軍事應用上，由于天線與核心單元的遠距離隔離，可使昂貴的核心單元在天線受到反輻射武器攻擊時仍能得到保全；同時，一個射頻信號通過多個遠距離天線進行發(fā)射，也使組建多基站雷達、立體電子支援和電子對抗系統(tǒng)成為可能[6-7]。典型的光載射頻信號傳輸系統(tǒng)構(gòu)成及信號流如圖1所示，其中光探測組件是光載射頻信號傳輸系統(tǒng)的重要部分。介紹了一種微波光子探測器組件的封裝設(shè)計與實現(xiàn)，該組件可完成光載射頻信號的探測與處理，該組件使用混合集成方法，使微波芯片、光子芯片等在同一封裝內(nèi)集成并完成氣密性封裝，具有較高的集成度與可靠性。

圖1 典型的光載射頻信號傳輸系統(tǒng)構(gòu)成及信號流Fig.1 Structure diagram and signal flow of a typical ROF system

1 探測器組件封裝設(shè)計

本文所述探測器組件工作在光載射頻信號傳輸系統(tǒng)接收通道，當遠端天線單元（RAU，remote access unit）接收到射頻信號后，在遠端單元被處理并進行電光轉(zhuǎn)化，形成光載射頻信號，在光纖中傳輸至位于核心單元的探測器組件，由探測器組件將光載射頻信號解調(diào)為射頻信號并進行處理，完成射頻信號的接收。受限于系統(tǒng)安裝空間的限制，需提升該探測器組件的集成度，使探測器組件除實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換外，還兼?zhèn)渖漕l放大、均衡功能，同時進行5 通道陣列設(shè)計，具體原理框圖如圖2所示。微波光子探測器組件主要包括光電探測器、射頻放大、射頻均衡器、電源模塊等部分。各部分主要功能為：光電探測器用于實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，射頻放大和均衡器分別實現(xiàn)將射頻信號進行放大和均衡功能，電源模塊用于系統(tǒng)供電。在信號完整性方面，射頻端口與射頻芯片、射頻芯片之間使用50 Ω 阻抗的微帶線進行級聯(lián)。

根據(jù)上級產(chǎn)品需求，該探測器組件的最大尺寸及輸入、輸出端口位置已有明確要求，因此無法選擇業(yè)內(nèi)常見的SMD 封裝[8]、TO 封裝、雙列直插封裝、蝶形封裝及mini-DIL 封裝等，需進行定制化封裝設(shè)計。具體設(shè)計思路為：

1）在殼體材料方面，考慮到芯片、入殼光纖與封裝殼體的熱膨脹系數(shù)匹配，避免高低溫工作時產(chǎn)生過大的熱應力，選擇可伐合金作為殼體材料[9]。

2）在熱管理方面，該組件的熱量來源主要為探測器芯片、低噪聲放大器芯片工作時產(chǎn)生的熱量，由于這些芯片均為低功耗芯片，所以組件內(nèi)部無需特別進行熱沉設(shè)計，使用可伐合金作為殼體材料、芯片使用貼裝方式裝配在殼體上即可。

3）在封裝可靠性方面，考慮到組件的三防性能，殼體進行鍍金處理；該組件采用氣密性封裝，射頻端口與光路端口均使用焊接方式裝配，封裝殼體使用激光封焊方式實現(xiàn)最終封蓋，以提升組件可靠性，避免封裝殼體內(nèi)水汽含量超標導致電化學腐蝕、金屬遷移等失效[10]。

圖2 探測器組件原理框圖Fig.2 Schematic diagram of detector assembly principle

4）在光纖與探測器芯片耦合方面，通常有兩種耦合方式：直接耦合與透鏡耦合，其中透鏡耦合又分為單透鏡耦合和多透鏡耦合[11]。為提升耦合效率、降低裝配難度，選取直接耦合方式。直接耦合方案的探測器芯片貼裝有兩種方案：臥式貼裝與立式貼裝，如圖3所示。兩種方案均為縮短鍵合金絲跨距以減少級聯(lián)次數(shù)，從而避免射頻損耗增加和波動變大，本方案選取臥式貼裝方案。臥式貼裝方案需使光傳輸路徑發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，故選用斜面透鏡光纖，如圖4所示。

圖3 探測器芯片貼裝方案Fig.3 Bonding scheme of detector chip

圖4 斜面透鏡光纖Fig.4 Optical fiber with oblique lens

2 測器組件工藝實現(xiàn)

2.1 工藝流程

本文所述探測器組件工藝流程圖如圖5所示。

圖5 工藝流程圖Fig.5 Process flow diagram

2.2 具體工藝過程及要求

1）殼體加工。使用機械加工方法完成可伐金屬殼體，殼體表面電鍍鎳金。使用玻璃燒結(jié)方法完成低頻供電插針裝配，使用焊接方法完成射頻連接器裝配，低頻供電插針與射頻連接器裝配后具備氣密性。

2）探測器芯片貼裝。使用環(huán)氧導電膠貼裝探測器芯片及芯片附近傳輸線，應嚴格控制貼裝精度，便于后續(xù)探測器芯片與光纖的耦合。

3）引線鍵合。使用超聲熱壓焊方法進行探測器芯片與傳輸線的金絲鍵合。

4）光纖耦合。使用專用耦合臺夾持光纖，并將光纖從光路端口伸入殼體，直至光纖的出光面與探測器芯片的感光面臨近。使用探針對探測器芯片加電，并向光纖中輸入光信號，使用電流表測試光生電流。微調(diào)五維調(diào)整臺，移動光纖出光面與探測器芯片感光面的相對位置，直至光生電流到達最大值。此時進行光纖預固定。

5）光纖尾管焊接。在專用耦合臺上，使用電阻焊設(shè)備的電極對光纖尾管與殼體光路端口進行加熱，加熱的同時注入錫鉛焊料，直至焊料填充飽滿。要求光纖尾管焊接后，焊接處具備氣密性。

6）射頻芯片及電源模塊貼裝。使用環(huán)氧導電膠貼裝探測器芯片、電源模塊及附近傳輸線。

7）引線鍵合。使用超聲熱壓焊方法進行射頻芯片、傳輸線、電源模塊之間的金絲鍵合。

8）激光封焊。確認組件性能滿足要求后，使用激光封焊機對殼體與蓋板進行激光封焊，封焊后進行氦質(zhì)譜檢漏以判定氣密性。要求組件氣密性滿足GJB 548B 相關(guān)要求。

9）測試及篩選。根據(jù)組件性能指標要求，輸入光信號、輸出微波信號，進行測試，并按相關(guān)要求完成篩選試驗。

10）交付。完成組件的標示及包裝，并交付用戶。

2.3 關(guān)鍵工藝點

1）射頻引線鍵合

射頻引線鍵合通常使用金絲連接芯片及外圍電路。由于金絲呈現(xiàn)感性，其作用類似于一個串聯(lián)電感，高頻工作產(chǎn)生寄生效應，導致高頻響應信號幅度下降[12]。在本研究中，為減少寄生參數(shù)，提升高頻性能，采取以下手段：a）將射頻鏈路部分元器件及傳輸線盡量接近裝配，使金絲跨距盡量短；b）使用低弧度焊接，使金絲長度盡量短；c）使用楔形焊進行雙絲焊接。

2）光纖耦合及尾管焊接

由于PD 芯片的探測區(qū)域約為直徑20 μm 的圓，單模光纖出射光斑尺寸約為8 μm～11 μm，在光纖與PD 芯片耦合完成后，任何微量的形變均會導致耦合效率降低。因此，應盡量直接在耦合臺上進行尾管焊接并合理選擇焊接方法，避免因組件移動或焊接熱應力導致的光纖與PD 芯片耦合處相對位置移動，從而避免耦合效率降低[13-14]。

3）氣密性封裝

氣密性封裝能夠?qū)⒃骷?、芯片與外界隔絕，避免水汽、腐蝕性氣體帶來的可靠性問題（如電化學腐蝕、銀遷移等）。氣密性封裝的關(guān)鍵在于對水汽含量的控制，水汽主要源于封裝內(nèi)管殼、電路片、元器件、膠體等吸附的水汽及裝配工作環(huán)境中的水汽[15]。因此，應嚴格控制如環(huán)氧導電膠、UV膠等易吸附水汽材料的用量，并進行充分固化。還應嚴格控制裝配工作環(huán)境中的水汽含量，在封裝前應進行充分的真空充氮烘烤，以排除封裝中吸附的水汽。

2.4 探測器組件實測性能指標

因探測器組件的微波鏈路部分性能取決于芯片，故本文使用光纖與探測器芯片的耦合效率對探測器組件進行性能表征。利用波長為1 310 nm，光功率為372 μW 的光源來測試微波光子探測器組件5 個通道光生電流。測試指標如表1所示。從表中可看出光信號較好地轉(zhuǎn)化為電信號后輸出。組件經(jīng)過溫度沖擊（-55 ℃～+85 ℃）后測試，指標無明顯變化。產(chǎn)品的最終光電耦合效率在68%～79%之間，滿足總體指標需求。

表1 耦合光電流與耦合效率Table1 Coupled photocurrent and efficiency

3 結(jié)論

探測器組件是光載射頻信號傳輸系統(tǒng)的重要部分，本文設(shè)計了一種包含光探測與微波放大功能的探測器組件，并通過混合集成封裝方法實現(xiàn)了微波芯片與光子芯片在同一封裝內(nèi)的陣列化集成及氣密性封裝。該組件具有較高的集成度與可靠性，該組件的封裝設(shè)計與實現(xiàn)方法，可用于其他微波光子產(chǎn)品，有助于提升光載射頻傳輸系統(tǒng)的集成度與可靠性。