接地通孔基板對毫米波產(chǎn)品性能影響研究

張 瑜

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

接地通孔基板對毫米波產(chǎn)品性能影響研究

張 瑜

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

接地通孔基板已廣泛應用于微波產(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，針對接地通孔基板帶來的芯片與微帶線間縫隙大、接地孔對微波性能的影響和鍵合絲跨度增加對高頻特性的影響等問題進行分析，通過仿真軟件對結構進行建模仿真，提取并驗證了電路拓撲結構。選取毫米波頻段的放大器進行裝配，測試結果表明，在毫米波頻段，可以使用接地通孔基板結合適當?shù)钠ヅ浞绞剑狗糯笃鬟_到設計的增益值20 dB，端口駐波小于1.4。

毫米波；接地通孔；匹配設計；微波性能

0 引言

近幾年，Ka頻段在雷達系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，從而推動了毫米波收發(fā)組件的快速發(fā)展[1]。由于毫米波的波長較短和雷達性能要求等客觀因素的限制[2]，對毫米波T/R組件的體積提出了較為苛刻的要求，給組裝工藝設計和實現(xiàn)帶來了困難[3]。

接地通孔基板通過實現(xiàn)導通孔的小徑化和高精度化，在國內印制板廠家加工中逐漸形成了主流，在PCB中廣泛應用。實現(xiàn)成本低、高可靠性，是高速信號最佳傳輸方式。

將接地通孔基板應用到毫米波產(chǎn)品中，滿足了信號的射頻傳輸，適應了毫米波產(chǎn)品的小型化要求，將大幅提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。本文針對毫米波頻段接地通孔基板用高頻結構仿真軟件建立了三維模型，對毫米波頻段組裝中鍵合絲的分布效應進行了仿真，結合高頻電路仿真軟件，從頻域角度對此問題進行了分析和研究，驗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計

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，在設計時通常會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存在一定的高度差，由此會使鍵合金絲在跨距和高度上有所增加，鍵合金絲的感性對高頻影響是需要分析的[4]。另外，芯片裝配到電路板上，對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越來越明顯[5]，因此，在毫米波頻段對鍵合金絲的分析和優(yōu)化設計非常重要。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

對于自由空間中長度為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為空氣介質的磁導率(μ0=4π×10-7H/m)；μr和ρ分別為鍵合線材料的相對磁導率和電阻率；ds為鍵合線的趨膚深度[7]。

為了在一定頻率范圍內補償串聯(lián)電感的作用，一種辦法是適當增加鍵合傳輸線的寬度，以提高并聯(lián)電容[8]。本文采用了較為簡單的T型匹配技術對鍵合線結構匹配處理。為驗證鍵合金絲傳輸線原理，對補償結構的傳輸特性進行了仿真。將接地通孔基板進行建模，如圖2所示，L1通常設定為0.15～0.2 mm，需要確定的是T型結的長度和寬度。

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

對接地通孔基板使用三維仿真軟件進行建模[9]，如圖3所示。選用5 mil厚的羅杰斯3003基板，在芯片位置上設計與芯片尺寸合適的焊盤，焊盤上設計接地孔，用于形成芯片上射頻傳輸?shù)幕芈贰ＤＰ秃喕癁樵谛酒副P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際的應用環(huán)境。對模型進行參數(shù)設置后進行分析，仿真結果如圖4所示，在所需要的頻段內，補償結構的差損小于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 仿真結果

改變接地通孔的孔密度，其他條件不變，重新進行計算，仿真結果顯示，減少孔密度對電路性能影響不大。在實際電路版圖設計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

圖4中分別對鍵合線互聯(lián)中的主要參數(shù)——拱高和跨距進行仿真分析。分2種情況進行比較：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，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，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，對電路特性影響越小。

圖5 鍵合絲寄生效應

2.3 三維模型的場路聯(lián)合仿真

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

圖6 接地通孔基板三維模型

對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。把芯片模型當成一個黑盒子，在芯片壓點位置上畫一個pad面，設置成理想邊界條件；將電路板表面金屬設置成參考地，在芯片壓點和參考地之間設置端口，這樣就將盤中孔接地效果對芯片性能的影響考慮進去。芯片和微帶線間用鍵合金絲鍵合，模擬了實際的應用環(huán)境。

圖7 端口的建立

在工程中添加一個電路設計，將之前仿真好的電路板三維模型導入到設計中，同時導入低噪聲放大器的S參數(shù)，設置好端口信息，形成一個包含三維模型的電路原理圖，如圖8所示。

圖8 場路聯(lián)合仿真

對電路進行仿真求解，從結果可以看到，增益在帶內平坦度較好，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，優(yōu)化后的w1=0.16mm,w2=1.1mm,L2=0.5mm。

3 裝配測試結果

對仿真結果進行驗證，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設計如圖9所示。裝配了仿真中使用的低噪聲放大器芯片，芯片采用導電膠粘接方式[12]，測試結果如圖10所示。

圖9 PCB設計

圖10 測試結果

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用。在所需頻帶內，增益平坦度較好，輸出駐波小于1.3，輸入駐波小于1.4。

4 結束語

本文通過使用仿真軟件對毫米波放大器使用接地通孔基板進行建模仿真研究，并對由此方案帶來的裝配間隙和鍵合絲長度等問題進行分析，最終驗證了該方案的可行性并提出了適當?shù)钠ヅ浞绞?。測試結果表明，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。對于毫米波相控陣雷達系統(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[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。毫米波相控陣應用前景廣闊[15]，是現(xiàn)代雷達應用發(fā)展的重要方向[16]，本文的研究對毫米波相控陣可生產(chǎn)性具有較高的推動意義。

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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.接地通孔基板對毫米波產(chǎn)品性能影響研究[J].無線電工程,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

國家部委基金資助項目。

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。