余昌喜，笪余生，林玉敏，廖翱，杜順勇

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036；2.四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心，成都 610036)

0 引言

射頻產(chǎn)品是通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其性能好壞直接決定了系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。近年來，隨著系統(tǒng)陣列化、小型化要求越來越高，特別是星載、彈載等平臺(tái)，系統(tǒng)空間極其緊湊，功能需求越來越多，射頻產(chǎn)品的小型化高密度集成需求十分迫切[1]。射頻產(chǎn)品需要在更小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同或更加復(fù)雜的功能指標(biāo)情況。傳統(tǒng)混合集成方式越來越無法滿足產(chǎn)品小型化需求，這就要求射頻產(chǎn)品需要更多的考慮其他集成形式[2]。

目前較為可行的小型化高密度集成方式是通過將射頻功能單元封裝成相應(yīng)的射頻SIP產(chǎn)品，利用射頻基板將這些QFN、BGA等封裝形式的射頻SIP產(chǎn)品集成在一起，實(shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)的功能，各SIP產(chǎn)品間的低頻及射頻互連均通過基板內(nèi)部實(shí)現(xiàn)[3-4]。

基于多層PCB工藝的射頻基板，將射頻SIP產(chǎn)品封裝成QFN或者BGA后雙面焊接在基板上，探索出一種實(shí)現(xiàn)高密度集成、多層射頻交叉走線、小型化的有效手段[5-6]。在這種高密度集成方式中，其基板的射頻傳輸性能的好壞直接關(guān)系射頻系統(tǒng)的性能[7]。在這種應(yīng)用背景下，對(duì)基板內(nèi)射頻傳輸線的信號(hào)傳輸性能進(jìn)行仿真及驗(yàn)證[8]，針對(duì)射頻傳輸中比較關(guān)鍵的射頻傳輸損耗進(jìn)行分析，給出了減小傳輸損耗的設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證了相關(guān)設(shè)計(jì)。同時(shí)針對(duì)星載應(yīng)用環(huán)境，研究了深層充放電、總劑量等試驗(yàn)對(duì)多層PCB的基板性能的影響。

1 射頻傳輸性能仿真及設(shè)計(jì)

1.1 射頻傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為研究分析基于多層PCB工藝的射頻基板內(nèi)射頻信號(hào)傳輸性能，本文設(shè)計(jì)一款專門基板樣件，以測(cè)試驗(yàn)證其射頻傳輸性能。

1.1.1 疊層設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)仿真之前，需要設(shè)計(jì)射頻基板的疊層，射頻傳輸線采用與實(shí)際應(yīng)用一致的帶狀線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)射頻傳輸，對(duì)外連接采用SMPM表貼連接器實(shí)現(xiàn)射頻的對(duì)外連接及測(cè)試，材料選擇兩層TSM-DS3板材(介電常數(shù)：3，厚度0.254mm，耗散因子：0.0011)及2929粘接片(介電常數(shù)：2.94，厚度0.05mm，耗散因子：0.003)，主要驗(yàn)證內(nèi)容有：駐波、傳輸損耗、隔離(包含同層射頻隔離和相鄰層射頻隔離)，設(shè)計(jì)的樣件有兩層射頻層，圖1所示為射頻傳輸性能驗(yàn)證板的疊層及傳輸示意，其中第一層射頻傳輸線主要驗(yàn)證駐波、傳輸損耗、同層射頻隔離性能，第二層射頻傳輸線主要驗(yàn)證相鄰層射頻傳輸線間的射頻隔離性能。

板內(nèi)射頻傳輸線為帶狀線，信號(hào)層在L2和L4層，其各自的上下兩層均為GND層，兩端通過射頻垂直過渡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到TOP層與表貼焊接的SMPM連接器實(shí)現(xiàn)信號(hào)互連[9]，兩端SMPM射頻連接器通過射頻電纜與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測(cè)試儀器實(shí)現(xiàn)連通測(cè)試。

圖1 射頻傳輸性能驗(yàn)證板的疊層及傳輸示意Fig.1 Schematic diagram of stacking and transmission of verification board

1.1.2 SMPM-基板轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)仿真

射頻基板通常通過射頻垂直過孔與表層的射頻連接器、BGA等接口類型封裝產(chǎn)品等實(shí)現(xiàn)射頻互連，本文選擇SMPM射頻表貼連接器進(jìn)行互連測(cè)試，完成射頻基板傳輸性能測(cè)試，為實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)試結(jié)果和更高的測(cè)試頻率，此處需對(duì)SMPM-基板帶狀線的垂直過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，在Asoft HFSS軟件中將SMPM射頻表貼連接器、射頻基板帶狀線結(jié)構(gòu)等進(jìn)行建模，其中第一層射頻傳輸SMPM-基板帶狀線的垂直過渡結(jié)構(gòu)如圖2所示(第二層模型類似)。

圖2 SMPM-基板轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)模型Fig.2 SMPM-substrate transfer structure model

SMPM射頻表貼連接器的阻抗匹配直接關(guān)系到射頻的傳輸性能[10]，通過對(duì)射頻垂直過渡結(jié)構(gòu)及相應(yīng)匹配節(jié)尺寸精細(xì)設(shè)計(jì)仿真，可得到滿足更優(yōu)的射頻性能，本文中選用的SMPM連接器的工作頻率為DC-40GHz，仿真頻率范圍為DC-45GHz，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖3所示，其中SMPM-基板第一層射頻轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)輸入輸出端口的回波損耗在DC-41GHz頻率范圍內(nèi)均優(yōu)于-20dB，DC-45GHz頻率范圍內(nèi)優(yōu)于-15dB。SMPM-基板第二層射頻轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)輸入輸出端口的回波損耗在DC-39.5GHz頻率范圍內(nèi)均優(yōu)于-20dB，DC-42GHz頻率范圍內(nèi)優(yōu)于-15dB。

圖3 SMPM-基板射頻層轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.3 The simulation results of SMPM-substrate transfer structure

根據(jù)仿真結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)版本的射頻基板傳輸性能驗(yàn)證件(記為S0)，如圖4所示，在驗(yàn)證件中設(shè)計(jì)了3種長度傳輸線(X1：50mm，X2：100mm，X3：150mm)，以測(cè)試基板單位長度傳輸損耗情況。同層射頻隔離通過位于L2層的X4、X5傳輸線驗(yàn)證(最近處間隔1mm，相鄰傳輸線間保持兩排交錯(cuò)地屬性屏蔽孔)，相鄰層射頻隔離通過位于L2層的X5和位于L4層的X6傳輸線驗(yàn)證(上下位置交疊)。驗(yàn)證件中未標(biāo)記走線形式的接頭為驗(yàn)證其他性能所用，與本文所述內(nèi)容無關(guān)。

圖4 射頻基板傳輸性能驗(yàn)證件Fig.4 RF substrate transmission performance verification part

1.2 傳輸損耗改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于多層PCB工藝的射頻基板作為實(shí)現(xiàn)高密度互連和射頻SIP產(chǎn)品集成的有效手段，是實(shí)現(xiàn)高集成、射頻系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵，相對(duì)傳統(tǒng)形態(tài)的電纜互連，其傳輸損耗偏大，故如何改進(jìn)射頻基板的傳輸損耗也將是一個(gè)關(guān)鍵研究內(nèi)容。

射頻基板內(nèi)的帶狀線傳輸線，其損耗主要包含介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗和輻射損耗，其中帶狀線的輻射損耗較小，故此處不作單獨(dú)分析[11]。

理論上，介質(zhì)損耗隨介質(zhì)的損耗角正切(tanδ)、介質(zhì)的介電常數(shù)和頻率的增大而增大；導(dǎo)體損耗隨導(dǎo)體厚度、導(dǎo)體寬度、導(dǎo)體離地距離增大而減小，隨介質(zhì)介電常數(shù)、導(dǎo)體電導(dǎo)率和頻率的增大而增大[12]。另外，實(shí)際加工中導(dǎo)體粗糙度等因素對(duì)導(dǎo)體損耗也有影響，粗糙度低，則損耗相應(yīng)減小，頻率越高影響越明顯[13]。在設(shè)計(jì)射頻基板時(shí)，一般選擇損耗角正切和介電常數(shù)較小的材料，如本文中考慮加工、損耗因子的因素，基材選擇TSM-DS3(介電常數(shù)：3，損耗角正切：0.0011@10GHz)，導(dǎo)體一般選擇損耗較小的銅箔。針對(duì)影響損耗的各個(gè)參數(shù)，同時(shí)考慮加工等因素，本文主要針對(duì)介質(zhì)厚度和導(dǎo)體材料粗糙度對(duì)損耗的影響進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

針對(duì)基材厚度對(duì)損耗的影響，通過增加帶狀線中介質(zhì)厚度，可增大導(dǎo)體離地距離和50歐姆射頻傳輸線寬，可降低射頻傳輸損耗[9]。故本文中在基礎(chǔ)版本驗(yàn)證板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)厚度增加的驗(yàn)證件(記為S1)，將基礎(chǔ)版本中第一層射頻對(duì)應(yīng)的0.254mm厚度的介質(zhì)基板更換為0.508mm厚度，材料不變，射頻過渡結(jié)構(gòu)和傳輸線寬相應(yīng)調(diào)整，以驗(yàn)證介質(zhì)厚度對(duì)傳輸損耗影響。

另外，仿真中一般默認(rèn)導(dǎo)體為光滑的[14]，但是實(shí)際中因加工工藝等因素要求，導(dǎo)體或介質(zhì)表面存在一定的粗糙度，在低頻時(shí)，粗糙度對(duì)傳輸損耗影響較小，但工作頻率較高時(shí)，粗糙度的影響將無法忽略不記，故本文中在基礎(chǔ)版本(普通ED銅箔1oz,表面粗糙度RzISO為5.1μm)驗(yàn)證板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款使用低粗糙度銅皮(超低輪廓ULP銅箔,表面粗糙度RzISO為1.2μm)的驗(yàn)證件(記為S2)，將基礎(chǔ)版本驗(yàn)證板(S0)的第一層射頻層銅箔更換為ULP銅箔，介質(zhì)厚度等均不變，通過比較ULP銅箔和普通銅箔所測(cè)得的單位長度傳輸損耗值，驗(yàn)證ULP銅箔對(duì)射頻傳輸性能的改善。

2 射頻傳輸性能測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)之前的設(shè)計(jì)加工了相應(yīng)的驗(yàn)證板，通過實(shí)物測(cè)試，以驗(yàn)證相應(yīng)傳輸性能。圖5所示為所加工驗(yàn)證板的實(shí)物圖片(S0基板，S1、S2基板外形接口均相同，未單獨(dú)給出)。

圖5 射頻基板傳輸性能驗(yàn)證件實(shí)物圖片F(xiàn)ig.5 The physical picture of the RF substrate transmission performance verification part

2.1 射頻傳輸性能測(cè)試

針對(duì)S0基礎(chǔ)版本驗(yàn)證件X3傳輸線插損及駐波測(cè)試，可驗(yàn)證射頻傳輸?shù)鸟v波及損耗情況，測(cè)試曲線如圖6所示，測(cè)試結(jié)果顯示，DC-20GHz頻率范圍內(nèi)，駐波優(yōu)于1.5，傳輸損耗曲線波動(dòng)小，變化均勻，無突變，20-40GHz，駐波優(yōu)于2.0，損耗波動(dòng)變大，但整體變化趨勢(shì)平穩(wěn)，無較大突變等，傳輸性能良好。測(cè)試結(jié)果表面帶狀線及SMPM連接器轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)測(cè)試性能較好，能夠滿足現(xiàn)有大部分應(yīng)用需求。

圖6 S0驗(yàn)證件射頻傳輸性能測(cè)試結(jié)果Fig.6 The RF transmission performance test results of S0 verification part

針對(duì)基板隔離性能，通過測(cè)試X4和X5通道傳輸線間的隔離性能以驗(yàn)證同層傳輸線隔離性能，測(cè)試X5和X6通道傳輸線間的隔離性能以驗(yàn)證相鄰層傳輸線隔離性能，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，測(cè)試結(jié)果表明，同層及相鄰層的隔離均優(yōu)于80dB，隔離性能良好，基本滿足現(xiàn)有各類系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

圖7 SO驗(yàn)證件射頻隔離性能驗(yàn)證件實(shí)物圖片F(xiàn)ig.7 The RF isolation performance test results of S0 verification part

2.2 單位長度傳輸損耗測(cè)試驗(yàn)證

通過測(cè)試驗(yàn)證件的X1、X2和X3通道的損耗，在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試傳輸損耗過程中，先測(cè)試X1通道的傳輸損耗后，將損耗曲線歸一化，然后測(cè)試X2和X3通道的損耗，可分別得到50mm和100mm長度傳輸線的損耗值，考慮到20GHz以上插損波動(dòng)較大，影響單位損耗的精確測(cè)試，此處僅測(cè)試比較DC-18GHz頻率范圍內(nèi)的單位長度(100mm)損耗值。單位長度傳輸插損測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

測(cè)試結(jié)果對(duì)比情況整理如表1所列，測(cè)試結(jié)果顯示，加厚介質(zhì)厚度能夠減小23%左右的傳輸損耗，使用ULP銅箔替換普通銅箔可以減少19%左右的傳輸損耗。因此，在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇加厚介質(zhì)厚度或使用ULP等低粗糙度銅箔的方式減小傳輸損耗，也可多種方式同時(shí)使用，以更多的減小傳輸損耗值。

圖8 驗(yàn)證件100mm長度傳輸損耗測(cè)試結(jié)果Fig.8 The transmission loss test results of the 100mm length transmission line in the verification board

表1 100mm傳輸損耗測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 星載應(yīng)用試驗(yàn)射頻性能驗(yàn)證

隨著國內(nèi)外星載陣列系統(tǒng)的快速建設(shè)，基于多層PCB的射頻復(fù)合基板在系統(tǒng)中應(yīng)用越來越多，特別是在高密度射頻前端、波束合成網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)品中。本文針對(duì)星載應(yīng)用中深層充放電、總劑量等試驗(yàn)對(duì)基板射頻性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

本文選擇了一塊波束合成母板作為試驗(yàn)分析，主要材料為TSM-DS3，如圖9所示，首先進(jìn)行了深層充放電試驗(yàn)，根據(jù)某項(xiàng)目應(yīng)用計(jì)算情況，選擇25keV的電子槍進(jìn)行深層充放電試驗(yàn)，試驗(yàn)電流約1nA/cm2/s，總通量：5×1013e/cm2，試驗(yàn)結(jié)果顯示樣品未發(fā)生充放電效應(yīng)。

圖9 星載應(yīng)用試驗(yàn)樣件圖片F(xiàn)ig.9 The physical picture of test sample for spaceborne application

同時(shí)進(jìn)行了總劑量試驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算及冗余考慮，進(jìn)行了照射總劑量為1×106Gy，并在照射完成的12小時(shí)內(nèi)進(jìn)行射頻性能復(fù)測(cè)。如圖10所示，通過與照射前射頻性能的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前后射頻性能無明顯變化。

圖10 輻照試驗(yàn)前后射頻傳輸性能對(duì)比測(cè)試結(jié)果Fig.10 Comparison test results of RF transmission lines before and after irradiation test

4 結(jié)論

基于多層PCB的板級(jí)射頻傳輸線的傳輸性能及其單位長度損耗的測(cè)試結(jié)果表明：在DC-40GHz頻率范圍內(nèi)，板級(jí)射頻傳輸線均能夠?qū)崿F(xiàn)良好的射頻傳輸，插損隨頻率變化平穩(wěn)，無突變，駐波均優(yōu)于2。另外，本文給出了基于文中疊層的內(nèi)層帶狀線單位長度插損測(cè)試值，同時(shí)給出了兩種減小傳輸插損的方法，兩種方法均能夠減小20%左右的傳輸損耗。同時(shí)針對(duì)星載應(yīng)用環(huán)境，研究了深層充放電、總劑量等試驗(yàn)對(duì)多層PCB基板性能的影響。通過本文的研究，驗(yàn)證了寬度板級(jí)射頻傳輸及星載應(yīng)用的可行性，為板級(jí)射頻組件及射頻SIP集成基板的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了測(cè)試數(shù)據(jù)和試驗(yàn)支撐。