基于多層PCB的基板射頻信號(hào)傳輸性能研究

余昌喜，笪余生，林玉敏，廖翱，杜順勇

(1.中國(guó)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(lái)，隨著系統(tǒng)陣列化、小型化要求越來(lái)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(lái)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(lái)越無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)射頻垂直過(guò)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(guò)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(guò)射頻垂直過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)射頻垂直過(guò)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(zhǎng)度傳輸線(X1：50mm，X2：100mm，X3：150mm)，以測(cè)試基板單位長(zhǎng)度傳輸損耗情況。同層射頻隔離通過(guò)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(guò)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(wú)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?jī)?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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)比較ULP銅箔和普通銅箔所測(cè)得的單位長(zhǎng)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(zhǎng)度傳輸損耗測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度(100mm)損耗值。單位長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(lái)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(guò)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(wú)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(guò)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。