光電器件用金屬外殼高頻性能的改進(jìn)

袁中朝，許　健，崔大健，姚科明（中國電子科技集團(tuán)公司第44研究所，重慶 400060）

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光電器件用金屬外殼高頻性能的改進(jìn)

袁中朝，許健，崔大健，姚科明
（中國電子科技集團(tuán)公司第44研究所，重慶 400060）

金屬外殼對光電器件的微波高頻特性有重要的影響。從金屬外殼的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和傳輸線過渡結(jié)構(gòu)兩個方面，對光電器件的高頻特性進(jìn)行改進(jìn)。通過對金屬外殼內(nèi)腔的幾何結(jié)構(gòu)、傳輸線過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，成功地將器件的衰減尖峰從14.5 GHz移至3 dB帶寬之外的19.1 GHz，使器件的3 dB帶寬提高了1 GHz。

外殼；高頻特性；諧振頻率；阻抗匹配

1　引言

光電器件金屬外殼起承載、保護(hù)光電器件芯片和提供光電信號傳輸通道的作用，對器件光電性能參數(shù)及器件的可靠性有著重要影響。隨著高速光纖通信技術(shù)與微波光子技術(shù)的發(fā)展，高速、高保真、低損耗的信息交換需求推動著高頻光電器件金屬外殼的設(shè)計、工藝及測試技術(shù)的發(fā)展。

某型號高速光電器件在研制過程中發(fā)現(xiàn)高頻性能不理想，在器件的頻率響應(yīng)曲線上14.5 GHz附近有一個吸收峰，該吸收峰位于器件的3 dB帶寬之內(nèi)；該器件裸芯片測試滿足高頻特性要求，經(jīng)分析認(rèn)為這是由于外殼的高頻特性與器件要求不匹配造成的。為此，本文主要從決定外殼高頻特性的兩個主要環(huán)節(jié)——內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和傳輸線過渡結(jié)構(gòu)——對該金屬外殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進(jìn)其高頻特性。

2　光電金屬外殼結(jié)構(gòu)

圖1　金屬外殼的結(jié)構(gòu)

此光電器件由金屬殼體、蓋板、光纖端口、電信號端口、光電核心及高頻組件幾部分組成，如圖1所示。殼體與蓋板通過平行縫焊形成氣密性結(jié)構(gòu)，起承載、保護(hù)芯片和提供光電信號傳輸通道的作用，光纖端口為數(shù)據(jù)的輸入端，電信號由引線輸入，光電核心的作用是處理輸入的數(shù)據(jù)，高頻組件將處理后的數(shù)據(jù)輸出。

3　腔體的諧振頻率對衰減尖峰位置的影響

首先分析一下腔體結(jié)構(gòu)對高頻特性的影響。

典型的外殼內(nèi)腔結(jié)構(gòu)簡化為一個矩形腔，應(yīng)用時在底部有一層厚度為h、相對介電常數(shù)為εr的介質(zhì)基片，如圖2所示，因此是一部分填充介質(zhì)的矩形諧振腔，其長寬高分別是L、a、b。在求其諧振頻率時，和一般的矩形腔相同，先將其看成一段橫截面尺寸為a×b的矩形波導(dǎo)，求出其波導(dǎo)波長λg，再令長度為λg/2的整數(shù)倍，根據(jù)此關(guān)系，即可求得諧振頻率［1］。

式中：m、n、l為模式數(shù)，L、a、b為外殼的長、寬、高；μ、ε為腔體內(nèi)填充材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。

圖2　典型屏蔽盒腔體

當(dāng)外殼腔體尺寸選擇不合適時，可能會在某一頻率發(fā)生衰減的尖峰，經(jīng)過分析和試驗，已證實這是屏蔽盒的諧振效應(yīng)引起的，當(dāng)工作頻率接近此種“屏蔽盒空腔”的諧振頻率時，部分能量被吸收，因而產(chǎn)生了衰減的尖峰［2～3］，如圖3所示。

圖3　諧振對高頻參數(shù)的影響

為避免外殼腔體壁對電路中電場的擾動，蓋板離電路的距離應(yīng)在（5～10） h以上（h為電路基板厚度），最靠近邊緣的導(dǎo)體條帶距腔體內(nèi)壁的距離應(yīng)在3h以上。

本文提到的金屬外殼根據(jù)具體光電器件對封裝結(jié)構(gòu)尺寸的需要，腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為不規(guī)則形狀，見圖1。

由于金屬外殼的結(jié)構(gòu)內(nèi)腔不規(guī)則，在計算諧振頻率時，除內(nèi)腔外光電器件芯片本身所占的空間（它們可與金屬外殼的腔體體積比擬）同樣會影響諧振頻率。用式（1）來簡單計算該腔體的諧振頻率不準(zhǔn)確，因此我們采用高頻仿真軟件High Frequency Structure Simulator 13（HFSS）的本征模求解功能來分析腔體的諧振頻率點，如圖4所示。

圖4　仿真模型及仿真結(jié)果

通過對1階和2階本征模式進(jìn)行模擬分析，其中2階本征模式的諧振頻率為27.5 GHz，不在考慮的頻率范圍之內(nèi)，1階本征模式的諧振頻率為15.0 GHz。器件的頻響實測結(jié)果如圖5所示，諧振產(chǎn)生在14～15 GHz之間，與由HFSS模擬得到的諧振頻率相符合，在3 dB帶寬內(nèi)信號嚴(yán)重失真。

圖5　金屬外殼封裝后的器件實測頻響曲線

因此需要對腔體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，使其衰減尖峰優(yōu)化到3 dB的工作帶寬以外。

由式（1）可以看出，外殼腔體尺寸的長、寬、高3個參數(shù)對高頻特性起到重要作用，通過HFSS軟件模擬分析并進(jìn)行了優(yōu)化，具體如下：

·光纖進(jìn)入面壁厚加厚了0.3 mm；

·將腔體內(nèi)左邊的區(qū)域去除；

·將蓋板與介質(zhì)基板的距離由原來的1 mm改進(jìn)為2.4 mm（介質(zhì)基板厚度為0.3 mm），改進(jìn)后的外殼結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4　傳輸線過渡結(jié)構(gòu)對帶寬的影響

微波傳輸線的重要參量之一是特性阻抗，它與阻抗匹配有關(guān)。為使信號源和負(fù)載間有低反射傳輸，需要恰當(dāng)設(shè)計中間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。Zo是負(fù)載的阻抗，Zg是信號源的阻抗，Zout是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗。將無源網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載看作二端口網(wǎng)絡(luò)，二端口網(wǎng)絡(luò)的信號流圖如圖7所示。從端口1入射的高頻信號一部分傳輸?shù)蕉丝?，傳輸系數(shù)為S21，一部分被反射回端口1，反射系數(shù)為S11；同樣的，從端口2到端口1的傳輸系數(shù)為S12，反射系數(shù)為S22。于是，無耗匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載間的反射系數(shù)Г為［4］：

對于無源網(wǎng)絡(luò)，0≤Г≤1。全反射時|Г|=1，全傳輸時|Г|=0。理想狀態(tài)下，Zo=Zout，但通常狀態(tài)都是有損耗的，駐波比ρ表示入射電壓和反射電壓之比。

圖7　二端口網(wǎng)絡(luò)信號流圖

由此，我們在外殼設(shè)計時必須考慮通過設(shè)計外殼傳輸線使其特征阻抗等于負(fù)載的阻抗Zo，從而使阻抗匹配，插入損耗最小，駐波比最低。一般而言微波器件為獲得足夠增益和輸出功率，都利用電路內(nèi)的匹配把阻抗轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)50 Ω。在本文中涉及的光電核心及其外圍電路輸出匹配為50 Ω，因此只需考慮其輸出與外殼之間互聯(lián)的阻抗一致性。

外殼與高頻組件的連接部位是通孔結(jié)構(gòu)，并采用模具定位后再與外殼之間進(jìn)行焊接。但是由于模具加工及裝配時與設(shè)計有一定的誤差，導(dǎo)致高頻組件在焊接時定位精度不高，且高頻組件的針與安裝孔的同軸度不好，會使微波性能變差。

對高頻組件與外殼連接方式進(jìn)行了重新設(shè)計，采用自定位的焊接結(jié)構(gòu)，用精密加工設(shè)備進(jìn)行加工，保證了定位孔與高頻組件緊密的公差配合精度，配合間隙控制在0.01～0.02 mm以內(nèi)，定位精度0.02 mm，同軸度的精度0.02 mm，臺階孔的設(shè)計省去了復(fù)雜的釬焊定位模具的設(shè)計及加工，焊接時利用組件的自重實現(xiàn)自定位，降低了釬焊模具對組件定位精度的影響。同時設(shè)計了焊料環(huán)的控制槽，既控制了焊料流淌，且定位孔與高頻組件的配合間隙小，還保證了焊料填充飽滿，減小了空洞率。圖8所示為高頻組件（過渡結(jié)構(gòu)）與外殼連接示意圖。

圖8　高頻組件與外殼連接示意圖

焊接采用低溫焊接工藝，焊料為Au80Sn20（熔點280℃），此工藝為成熟的釬焊工藝，焊接完成后采用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行氣密性檢驗，使用X射線透視技術(shù)檢測焊接的空洞率，保證其滿足高頻傳輸?shù)囊蟆?/p>

然后將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入HFSS并建立一體化的微波傳輸模型，再進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果滿足要求，如圖9所示。

5　金屬外殼內(nèi)腔表面及尖角的處理

由于高頻電磁波在金屬中傳播時會遇到所謂的“趨膚效應(yīng)”［5］，信號頻率越高，電磁波越趨于在金屬表面?zhèn)鞑ザ皇窃诮饘賰?nèi)部傳播。因此金屬外殼的腔體內(nèi)表面光潔度、尖角及毛刺對性能也會產(chǎn)生一定的影響。在金屬外殼機(jī)加工過程中采用高精度的設(shè)備進(jìn)行加工，保證內(nèi)腔的光潔度Ra達(dá)到0.8 μm，將尖端處加工成圓角，圓角大小為1 mm，在一定程度上避免腔體內(nèi)部出現(xiàn)尖端及毛刺，減少其對信號的干擾。

圖9　仿真模型及諧振頻率

6　改進(jìn)金屬外殼高頻特性實測結(jié)果

對改進(jìn)后的金屬外殼進(jìn)行了試制、器件封裝和測試，器件衰減尖峰的位置由原來的14.5 GHz調(diào)整到了19.1 GHz，優(yōu)化后3 dB帶寬增加了1 GHz，如圖10所示，為便于比較，將優(yōu)化前的測試結(jié)果也顯示在圖中。由此可見，通過以上改進(jìn)，避免金屬外殼蓋板對電路中電場的擾動，改善了諧振性能。

圖10　優(yōu)化前后頻響曲線

7　結(jié)論

通過對一款光電器件用金屬外殼高頻特性的改進(jìn)，總結(jié)出金屬外殼對光電器件的高頻特性影響主要有兩個方面：一是腔體結(jié)構(gòu)引起的衰減尖峰，二是源于負(fù)載之間傳輸線過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致的器件頻響特性下降。外殼結(jié)構(gòu)尺寸的一些經(jīng)驗值可對金屬外殼設(shè)計起到幫助作用，例如蓋板離光電核心部件表面的距離理論上應(yīng)在（5～10）h以上 （h為介質(zhì)基板厚度），最靠近邊緣的導(dǎo)體帶條距腔體內(nèi)壁的距離應(yīng)在3h以上等。不同的金屬外殼結(jié)構(gòu)形式差異大，具體結(jié)構(gòu)可采用HFSS軟件分析調(diào)試后確定，達(dá)到快速、準(zhǔn)確設(shè)計開發(fā)外殼的目的。

［1］清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路［M］.北京：人民郵電出版社，1976：227-230.

［2］盛子燁.基于基片集成波導(dǎo)諧振腔微擾法測量微波介質(zhì)磁導(dǎo)率的方法研究［D］.南京郵電大學(xué)，2014：21-23.

［3］李緒益.微波技術(shù)與微波電路［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2007：88-91.

［4］Pozar D M.微波工程［M］.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯. 第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006：66-68.

［5］謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2000：205-213.

Microwave Performance Improvement of Metal Packages for Optoelectronic Devices

YUAN Zhongchao，XU Jian，CUI Dajian，YAO Keming
（China Electronics Technology Group Corporation No.44 Research Institute，Chongqing 400060，China）

Metal packages significantly affect the high-frequency characteristics of optoelectronic devices.In the paper，both the inner cavity and transition structure of transmission lines of packages for high-frequency optoelectronic devices have been optimized.The improved structures successfully shift the resonant peak attenuation from 14.5 GHz to 19.1 GHz with 3 dB bandwidth increased by 1 GHz.

package；high-frequency characteristic；resonance frequency；impedance matching

TN305.94

A

1681-1070（2016）07-0014-04

2016-3-3

袁中朝（1982—），男，重慶人，畢業(yè)于長春理工大學(xué)，現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第44研究所，工程師，主要從事光電金屬外殼技術(shù)研究。