一款表面貼裝3dB電橋的制作

樊 佳 許校彬 邵 勇 陳金星

（特創(chuàng)電子科技股份有限公司，廣東 惠州 516369）

0 前言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，3 dB電橋和定向耦合器，作為一種功率分配、合成的無源器件，在通信行業(yè)中，存在十分廣泛的應(yīng)用；特別是在當(dāng)今高速發(fā)展的4G和5G網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)更多端口的信號輸入和輸出，對多進(jìn)多出的復(fù)合電橋的需求越來越大，技術(shù)要求也越來越高。電橋有很多的實(shí)現(xiàn)方式，同軸線、微帶線、帶狀線、矩形波導(dǎo)等，但為了承載更高的功率，實(shí)現(xiàn)更高無源互調(diào)。3 dB電橋是一種定向耦合器,它是一種小型的高性價比的表面貼裝器件（SMD），圖1是傳統(tǒng)3 dB電橋與SMD 3 dB電橋示例。SMD具有高隔離度、高回波損耗、低插入損耗及高幅度平衡度和相位平衡度等優(yōu)秀的射頻性能，能達(dá)到諸如平衡放大器、可變衰減器、可變移相器及低噪聲放大器等功率分配、合成、信號控制電路的嚴(yán)格要求。

圖1 3 dB電橋圖片

3 dB電橋又可稱為同頻合路器，是一種特殊的耦合度為3 dB的定向耦合器，在當(dāng)今移動通信領(lǐng)域中的應(yīng)用十分普遍。定向耦合器是一種由傳輸線構(gòu)成的無源器件，通常有兩組相互靠近的傳輸線（主線和副線）組成，通過小孔耦合、分支耦合、縫隙耦合或平行線耦合等方式，將主線上的一部分信號功率耦合到副線上去，從而實(shí)現(xiàn)功率分配。

電橋是個四端口網(wǎng)絡(luò)（圖2），特性是兩口輸入、兩口輸出，兩輸入端口相互隔離。為了方便與系統(tǒng)中其他子路相連，在接口上端口2和3需要在同一方向，于是可將平行耦合線段相互錯位。平行耦合線的長度應(yīng)該設(shè)計在1/4導(dǎo)內(nèi)波長，根據(jù)平行耦合線相互靠近的程度在端口2可獲得不同的耦合電平輸出。

圖2 電橋端口網(wǎng)絡(luò)示意圖

對于耦合功率比為1:1的情況，直通口和耦合口等幅平衡輸出，相位差90°或180°，此時稱為3 dB電橋。

1 SMD 3 dB電橋生產(chǎn)工藝探討

1.1 電橋的材料選用

在材料的選用上，對比聚四氟乙烯材料和陶瓷材料（如表1所示），聚四氟乙烯具有良好的低損耗、耐高溫、射頻特性好的特點(diǎn)。SMD 3 dB電橋在電路板上的貼裝效果如圖3所示，所用板材多為聚四氟乙烯的射頻板材，在熱膨脹系數(shù)（CTE）上兩者非常接近，從而保證在高溫焊接或長期發(fā)熱工作的狀態(tài)下，每層介質(zhì)之間沒有產(chǎn)生分層、形變或裂開等隱患。故此，電橋的材料選擇上多為聚四氟乙烯。

圖3 電橋在電路板裝貼效果

表1 電橋使用的材料對比表

1.2 產(chǎn)品工藝流程

微波通訊裝置的4層SMD 3 dB電橋流程：開料（材料：PTFE 0.127 mm 、0.93 mm，銅35 μm）→內(nèi)層濕膜→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化→壓合→板面除膠→鉆孔→等離子除膠→沉銅→全板電鍍→圖形轉(zhuǎn)移→圖形電鍍→圖電后銑半孔→蝕刻披鋒→外層蝕刻→外層AOI→測試→成品檢驗(yàn)→沉金→字符→成型→成品檢驗(yàn)→FQA→出貨

1.3 過程控制參數(shù)

4層SMD 3 dB電橋其壓合結(jié)構(gòu)及對應(yīng)線路圖形，如圖4所示。為了貼裝焊接，需在電橋側(cè)面設(shè)計金屬化半孔。L1與L4均為大銅面，內(nèi)層L2和L3層為電橋的耦合線路（兩進(jìn)兩出）。四層SMD 3 dB電橋過程參數(shù)控制，如表2所示。

表2 電橋過程控制參數(shù)

圖4 4層SMD 3 dB電橋壓合結(jié)構(gòu)及對應(yīng)線路圖

1.4 電橋的金屬半孔或四分之一孔和外形加工

SMD 3 dB電橋的金屬半孔主要作為了貼片的焊接點(diǎn)，一方面要保證外形的尺寸精度，還要保證焊接點(diǎn)的良好對準(zhǔn)度與貼片的可靠性，因?yàn)閷τ谕ㄐ诺漠a(chǎn)品來講，焊接點(diǎn)的飽滿度對信號有一定的影響。所以金屬半孔加工的時候選用精度高的設(shè)備來完成。采用加大補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫鉀Q蝕刻后焊接點(diǎn)內(nèi)縮，按蝕刻量的補(bǔ)償進(jìn)行加大。

由于銅具有較好的延展性，加工時，玻纖和銅絲在四分之一金屬孔處缺少著力點(diǎn)，如果采用直銑的方式的話，金屬孔會出現(xiàn)拉絲的情況，為避免這種情況發(fā)生，四分之一金屬孔的加工則采用真空銑床吸住連片板后，在直角圓孔的中心下刀來避免披鋒的產(chǎn)生，如圖5所示。

圖5 電橋直角處的四分之一金屬孔的CNC銑切方式

SMD 3 dB電橋的主要一個特點(diǎn)是尺寸相對比普通PCB產(chǎn)品尺寸要小很多，尺寸一般為小的2 mm×1.25 mm到大的50.8 mm×19 mm不等，必須使用薄板專用CNC設(shè)備以確保滿足小尺寸的外形要求。除此以外，電橋的外形制作也還可以用SMT分半機(jī)、砂輪切割機(jī)、晶圓切割機(jī)來完成，但是在過程出現(xiàn)的披鋒問題仍是生產(chǎn)過程的主要控制項(xiàng)目。

1.5 電橋的表面處理

因?yàn)镾MD產(chǎn)品，外層無阻焊層，兩面沉金表面處理，要求外觀平整無凹凸，所有運(yùn)輸禁平放，插架或隔膠片運(yùn)輸，生產(chǎn)前做好設(shè)備清潔工作，控制的重點(diǎn)為設(shè)計時采用負(fù)片流程減少銅粒的產(chǎn)生，各工序避免采用磨板的方式進(jìn)行前處理。

2 SMD 3 dB電橋性能測試

2.1 3 dB電橋的網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)置網(wǎng)分的中頻帶寬為1 kHz，POWER為0 dBm，對儀表進(jìn)行雙端口校準(zhǔn)，針對不同測試項(xiàng)目，按圖6連接測試系統(tǒng)，在常溫25℃、頻段1800 MHz的前提下，不同端口加匹配負(fù)載，得出4層SMD 3 dB電橋相關(guān)測試結(jié)果（如圖7所示）。

圖6 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果

圖7 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試電橋的不同連接方式

2.2 電橋的無源互調(diào)掃頻測試結(jié)果

使用互調(diào)測試儀進(jìn)行測試，按圖8連接測試系統(tǒng)，將電橋的輸入端口IN1接儀表REV端口（2載波功率輸出端口），其預(yù)三個端口接低互調(diào)測試負(fù)載；各接口均使用力矩扳手按規(guī)定力矩擰緊，測試完畢前不得再次接觸測試電纜和被測件。設(shè)置互調(diào)測試儀載波頻率和無源互調(diào)階數(shù)，頻率配置為儀表默認(rèn)設(shè)置，互調(diào)階數(shù)為3階，設(shè)置輸出功率，兩載波均為43 dBm，設(shè)置互調(diào)測試儀測試模式，要求反向模式，在常溫25 ℃、頻段1800 MHz的前提下，得出4層SMD 3 dB電橋相關(guān)測試結(jié)果如圖9所示。

圖8 無源互調(diào)測試儀測試電橋的連接方式

圖9 電橋的無源互調(diào)掃頻測試結(jié)果合格

2.3 可焊性及熱應(yīng)力測試

可焊性及熱應(yīng)力測試結(jié)果見表4所示。

表4 可焊性及熱應(yīng)力測試結(jié)果

2.4 電橋的冷熱沖擊測試

電橋的冷熱沖擊測試結(jié)果見表5所示。前處理：5 次無鉛回流焊模擬預(yù)處理。冷熱沖擊測試：125 ℃/ 15 min，-55 ℃/ 15 min，200循環(huán)。阻值測試：分別以1、50、100、150、200循環(huán)后測量阻值，要求阻值變化率小于±10%。得出4層SMD 3 dB電橋相關(guān)測試結(jié)果，阻值變化率均在10%范圍內(nèi)。

表5 冷熱沖擊阻值變化率測試結(jié)果

3 結(jié)論

通過對四層SMD 3dB 電橋全流程的跟進(jìn)生產(chǎn)，針對電橋的重點(diǎn)控制項(xiàng)目做出如下總結(jié)。

（1）在材料的選擇上尤為重要，考慮到熱膨脹系數(shù)、耐焊性和抗震能力等性能原因，偏向于使用聚四氟乙烯材料,淘汰了高頻陶瓷材料。良好Df、Dk值的優(yōu)質(zhì)聚四氟乙烯高頻材料，可以保證在高溫焊接或長期發(fā)熱工作的狀態(tài)下，不會出現(xiàn)分層、形變或裂開等可靠性的隱患；

（2）在金屬半孔加工上，采用加大補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫鉀Q蝕刻后焊接點(diǎn)內(nèi)縮，按蝕刻量的補(bǔ)償進(jìn)行加大，針對四分之一的金屬孔和外形，采用高精密度的真空銑床銑切，且在設(shè)計上采用圓中心下刀往兩頭銑切的方式來避免金屬孔會出現(xiàn)拉絲的情況，為提高效率一般還會使用砂輪切割機(jī)、晶圓切割機(jī)分割；

（3）在電橋的信號性能測試上，主要采用網(wǎng)絡(luò)分析儀和無源互調(diào)測試儀進(jìn)行測試，通過不同的連接系統(tǒng)方式，將插入損耗、隔離度、相位平衡度、回波耗損和掃頻峰值等指標(biāo)作為電橋性能的主要測試指標(biāo)，電橋測試的頻段和溫度是測試結(jié)果的重要前提。