表貼封裝射頻器件的低成本測試方法研究

彭建業(yè)，王小萍，薛愛杰，張利敏，秦 皓

(南京電子器件研究所，江蘇 南京 210016)

隨著科技進(jìn)步，電路集成度越來越高，表面貼裝的射頻產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛。因此，在研發(fā)和生產(chǎn)中，對表貼產(chǎn)品無損射頻測試的需求也在日益增加。

表面貼裝封裝形式的產(chǎn)品，尺寸大小、射頻頻段范圍、管腿定義等各不同。每種產(chǎn)品都需要定制一套無損的壓接的測試方案。市場上定制高頻測試方案成本很高且周期較長。我們嘗試過以下幾種高頻測試方案:

采用彈片作為射頻彈性接觸媒質(zhì)的測試方案[1]，隨著測試次數(shù)增加，彈片容易產(chǎn)生形變，導(dǎo)致彈片與射頻接口接觸不良。在高低溫和電老煉試驗(yàn)中，這種形變產(chǎn)生的測試結(jié)果變化，很容易導(dǎo)致對產(chǎn)品性能的錯(cuò)誤分析。另外，在高頻測試條件下，彈片引入的損耗和失配容易引入比較大的測試誤差。這種測試方案一般在3 GHz 以下選擇。

采用金絲鍵合作為接觸媒質(zhì)的測試方案[2－3]，測試準(zhǔn)確且穩(wěn)定，頻率可以達(dá)到非常高。但是容易在測試后，殘留金絲在接觸點(diǎn)。并且每個(gè)產(chǎn)品都要經(jīng)過金絲鍵合與測試后去絲，十分地費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

采用導(dǎo)電橡膠作為接觸媒質(zhì)的測試方案[4]。導(dǎo)電橡膠自身雖然可以導(dǎo)電且滿足彈性接觸的需求，但是隨著頻率的提升，導(dǎo)電橡膠在射頻端口失配的情況越來越嚴(yán)重。因此這種測試方案隨著頻率變高，會(huì)在3 GHz～4 GHz 左右，端口駐波和損耗會(huì)急劇變差，當(dāng)然一些進(jìn)口的導(dǎo)電橡膠可以達(dá)到的頻率會(huì)更高一點(diǎn)，但是一般很難滿足C 波段及以上的測試需求。

本文提出一種基于彈針的測試方案，利用彈針對被測件進(jìn)行軟接觸[5]，可以保障射頻測試的精度，同時(shí)也可以用作產(chǎn)品的電老練。該測試方案選用的材料如下:彈針、聚四氟乙烯介質(zhì)塊、金屬底座、硬塑料定位塊、單面雙層PCB 印制電路板和SMA接頭，這些材料都便宜且可靠性高。經(jīng)過實(shí)測，該測試方案在DC－12 GHz 內(nèi)，插入損耗小于0.6 dB，駐波典型值為1.15。

1 測試方案設(shè)計(jì)

對表貼無引腳射頻器件的測試，不僅要求測試過程中不能對焊盤造成損壞，還要保證射頻信號良好傳輸。如圖1(彈針實(shí)物圖)和圖2(彈針結(jié)構(gòu)示意圖)所示，彈針是電測試的接觸介質(zhì)，由鈹銅鍍厚金的針桿、磷銅鍍厚金的針管和不銹鋼鍍金彈簧組成，為高端精密型電子五金元器件[6]。彈針全長5.7 mm，針管直徑0.58 mm，針桿直徑0.3 mm。彈針具有廉價(jià)、耐磨(內(nèi)部有平均壽命3 萬～10 萬次的高性能彈簧)、良好的導(dǎo)電率、有伸縮彈性等優(yōu)點(diǎn)[7]。

圖1 彈針實(shí)物圖

圖2 彈針結(jié)構(gòu)示意圖

通過給彈針匹配同軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)對被測器件的軟接觸，又可以實(shí)現(xiàn)射頻信號的良好傳輸，可以實(shí)現(xiàn)去嵌入后的精確測試。本文提出一種基于彈針的軟接觸方式無損測試方法，可以用于X 波段和X 波段以下的表貼無引腳封裝的非焊接無損測試，如圖3 所示。該測試方案由單層雙面布線的PCB 板、測試底座(銅)、聚四氟乙烯環(huán)形介質(zhì)、彈針、硬塑料定位塊、SMA 接頭等組成。PCB 板一面除了射頻同軸過孔面積區(qū)域，都是大面積地與測試底座下層進(jìn)行燒結(jié)固定。PCB 板另外一面為微帶線連接SMA 接頭。彈針通過公差設(shè)計(jì)嵌入聚四氟乙烯環(huán)形介質(zhì)，然后整體安裝進(jìn)底座的射頻過孔中。彈針作為內(nèi)導(dǎo)體，聚四氟乙烯作為介質(zhì)層，測試底座接地作為外導(dǎo)體，三者構(gòu)成同軸結(jié)構(gòu)。彈針的一頭穿過PCB 板與微帶線連接，另外一頭與被測件射頻端口進(jìn)行軟接觸。

圖3 表貼無引腳封裝測試方法示意圖

測試前，通過定位工裝，將表貼無引腳待測件固定在測試底座上方，射頻接口與彈針一一對應(yīng)實(shí)現(xiàn)軟接觸。測試時(shí)，射頻信號由矢網(wǎng)發(fā)出經(jīng)過SMA 接頭、微帶線和彈針輸入被測器件，再由被測器件的輸出端經(jīng)過彈針、微帶線和SMA 接頭輸出至矢網(wǎng)接收端。

2 測試方案中射頻通道的仿真設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的射頻測試通道，要求能夠?qū)崿F(xiàn)與產(chǎn)品射頻端口軟接觸的同時(shí)，保證射頻測試的精確度。如圖4 所示，本文中采用HFSS 軟件，對器件與彈針接觸后的射頻信號通道進(jìn)行模型構(gòu)建和仿真。

在結(jié)構(gòu)中，我們選擇彈針作為內(nèi)導(dǎo)體，選擇聚四氟乙烯作為同軸結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層，嵌入穿墻黃銅底座內(nèi)，就形成了典型的同軸連接。標(biāo)準(zhǔn)同軸特征阻抗公式為(其中D0和Di分別為外導(dǎo)體直徑和內(nèi)導(dǎo)體直徑，即同軸直徑和彈針直徑，εr為介質(zhì)相對介電常數(shù))[8]。根據(jù)以上公式計(jì)算出聚四氟乙烯外徑為2.2 mm。彈針的一端緊密連接被測器件的射頻端口，另外一端接微帶線結(jié)構(gòu)的測試端口。按照12 GHz 的頻率和PCB 板材厚度以及介電常數(shù)，計(jì)算得測試端口的微帶寬度為1.1 mm[9－10]。以彈針為內(nèi)導(dǎo)體的同軸結(jié)構(gòu)與微帶線過度結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 彈針為內(nèi)導(dǎo)體的同軸結(jié)構(gòu)與微帶線的過度結(jié)構(gòu)

由于PCB 加工技術(shù)的限制，過孔之間0.2 mm的間距和金屬化過孔必須有外延0.1 mm 以上的金屬層，所以設(shè)計(jì)選擇6 個(gè)對稱分布的金屬化過孔作為類同軸結(jié)構(gòu)的接地。微帶介質(zhì)板使用Rogers4350通用板材，6 個(gè)金屬化過孔的直徑、位置、表面金屬層大小和彈針與微帶接觸焊盤的結(jié)構(gòu)作為可調(diào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

最終仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。該射頻連接部分，可以實(shí)現(xiàn)DC－12 GHz 的寬帶范圍內(nèi)，駐波小于1.08，插入損耗小于0.25 dB?？梢赃M(jìn)行基于該射頻通道結(jié)構(gòu)的測試夾具的實(shí)際制作。

圖6 射頻通道的電壓駐波比仿真圖

圖7 射頻通道的插入損耗仿真圖

3 方案的實(shí)現(xiàn)和射頻通道性能測試

根據(jù)上節(jié)的仿真結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加工PCB 板、測試底座、聚四氟乙烯環(huán)形介質(zhì)和硬塑料定位塊。這里選用Rogers4350 的板材，厚度為0.508 mm。經(jīng)過組裝后測試，如圖8 所示。

圖8 測試方案實(shí)物圖

經(jīng)過實(shí)際測試該方案的射頻信號通道的性能，結(jié)果如圖9 所示，在小于11 GHz 范圍內(nèi)，該射頻通道輸入輸出駐波小于1.15，在11 GHz～12 GHz 范圍內(nèi)，該射頻通道輸入輸出駐波為1.2 左右。在DC－12 GHz 范圍內(nèi)，該射頻通道插入損耗小于0.6 dB。其中，測試所得插入損耗包含兩個(gè)SMA 接頭、CPB板的50 歐母線、彈針結(jié)構(gòu)等。

圖9 射頻通道性能測試結(jié)果

對比模型仿真結(jié)果和實(shí)物測試結(jié)果，實(shí)測整體插入損耗略高于仿真值，且高頻端12 GHz 附近駐波達(dá)到1.2 左右。導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的原因有以下幾方面:①PCB 基板的過孔、線型等加工誤差；②人工組裝引入的各種因素，定位偏差以及焊膏涂抹不均勻等等；③測試底座的加工誤差；以上測試結(jié)果符合預(yù)期，滿足實(shí)際測試需求，對射頻測試通道的精準(zhǔn)去嵌入方法[11－13]，在DC－12 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)對表貼器件的無損且精確測試。

3 結(jié)論

本文采用電磁仿真軟件HFSS 進(jìn)行建模優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加工了一款基于彈針結(jié)構(gòu)的測試方案，可應(yīng)用于DC－12 GHz，對表貼無引腳器件進(jìn)行無損射頻測試。具有自制性、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)精確測試。

目前彈針的針頭工藝極限是0.1 mm，理論上只要管腿尺寸大于0.10 mm 且射頻端口之間間距大于2 mm 的表貼無引腳器件，都可以采用本文研究的測試方案。根據(jù)不同器件的尺寸，以廉價(jià)的成本制作高精度的測試夾具。同時(shí)可以滿足常溫、高低溫、電老煉以及各種極限試驗(yàn)的要求。本文提出的測試方法，對表貼器件的高頻無損測試有重要的參考意義。