组装方法对微波模块VSWR的影响

2012-09-05刘炳龙

电子与封装 2012年6期

刘炳龙，唐亮

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230031）

1 引言

电压驻波比（VSWR）作为检测微波组件最重要的指标之一，是电路设计与制造水平的综合反映，其数值的高低决定了产品的质量。在产品的制造过程中，对相关工艺参数进行有效控制以保证产品具有良好的电压驻波比是很有必要的。因此，找出影响电压驻波比的因素对提高产品的质量是有必要的。

2 电压驻波比

微波电路作为分布参数电路而言，信号的波长远远大于电路的微带线长。信号线上入射波与反射波相互作用形成了驻波。电压驻波比S是传输线上最大电压与最小电压的比值，反映了在不同条件下反射回源端的信号能量[1]。电压驻波比是反映传输线波阻抗不均匀性的参数，它定义为：

式中ρ为输入端反射系数。

VSWR与反射系数ρ一样，可用来描述传输线的工作状态。其大小反映了信号的反射情况，尤其是在微波模块中，VSWR衡量了一个微波器件在系统中的匹配情况，也是分析微波器件和微波模块特性的重要依据。

3 影响电压驻波比的因素分析

微波组件的VSWR主要受器件参数、器件间的级联匹配和装配工艺等因素影响。在实际应用中，微波组件内部的阻抗不匹配程度越大，组件的插入损耗( IL) 、VSWR也相应增加，而且这种影响随着工作频率的增加会越来越明显。在生产过程中，接地效果、装配间隙和互连工艺的变化，都会使组件的VSWR变得不稳定。电压驻波比是反映传输线波阻抗不均匀性的参数，因此可以将对电压驻波比的分析转换为对波阻抗不均匀性的分析。

3.1 接地效果对电压驻波比的影响

微波器件接地不良或局部接地不良必会引起电场畸变，导致幅频持性变化乃至自激；接地不稳定、不可靠是造成电路性能不稳定和变化的主要原因。微波电路基片采用面焊接技术，把基片钎焊到电路盒体是最佳的接地方案。而钎透率直接反映接地效果，是整个技术的重要指标。电路基板的大面积接地钎焊的缺陷对微波电路的性能影响较大，而钎焊的缺陷是随机分布的，通过工艺过程中采取相应措施，减少钎焊缺陷，提高钎焊的钎透率，保证微波电路基板的钎焊可靠性、一致性。

3.2 装配间隙对电压驻波比的影响

装配间隙大，微带板与芯片焊盘互连线变长，互连线长度加大，电感量也随之加大，微波信号传输过程损耗变大，造成电压驻波比变大；互连线长度相同，信号传输的连续性在有介质和无介质状态不同，装配间隙使得互连线下方无介质，微波信号传输过程会造成信号传输的不连续性，也会使电压驻波比变大。

3.3 互连工艺对电压驻波比的影响

与低频数字电路不同，高频微波电路中，键合引线本身产生的微波效应是影响多芯片组件微波性能的一个重要因素。理论上要求键合引线越短越好，即引线的拱高越低、跨距越短，则由引线产生的寄生电感和电阻就越小，从而对微波传输特性的影响越小。但由于多芯片微组装工艺条件的限制，键合引线的实际跨距往往比电路设计要求的大；而且引线也不能绝对平直，因为平直引线没有伸缩余地，在受到温度冲击或振动时容易断裂，必须要有一定的弧度和拱高才能保证键合的可靠性。因此，引线的长度就难以达到理论上要求的最短化，由此产生的寄生电感较大，致使实际的微波特性与设计值相比有较大偏差。这时就可以通过增加键合引线的根数来弥补上述缺陷。采用两根或多根并行的金丝实现键合互连时可降低串联电感，其效果接近平直简短的单根引线，对信号传输的影响可大幅降低，便可得到较好的微波特性[3]。

4 试验及结果

4.1 接地效果验证试验

将微带板通过焊接方式装入测试架，利用X-Ray检测焊接效果，通过选择两种焊接钎透率不同的试验件进行电压驻波比规律摸索试验，见表1。通过回波损耗测试数据分析，我们可以得出，焊接钎透率越高，接地效果越好，驻波越小，50Ω微带线的接地效果不同时对VSWR影响非常大。

表1 焊接效果S21测试对比数据表

4.2 装配精度验证试验

应用相同的工艺组装3件5dB均衡器的样件，分别为微带线开芯片安装槽比芯片尺寸大0.05mm的样件C1、微带线开芯片安装槽比芯片尺寸大0.2mm的样件C2和微带线拼接安装孔比芯片尺寸大1.5mm的样件C3。通过电测分析，C1样件的VSWR＜1.67，C2样件的VSWR＜1.8，C3样件的VSWR＜2.3，XY方向装配间隙越大，微波信号的插损和驻波越大（见表2）。应用相同的工艺组装两件6dB均衡器的样件，目视样件的组装平坦度不同，通过测试试验数据分析（见表3），我们得出组装Z轴方向精度偏差越小越有利于信号传输，减小微波信号的插损和驻波。

表2 5dB均衡器回波损耗测试对比表

表3 6dB均衡器回波损耗测试对比表

4.3 互连方法验证试验

将HMC460装载在测试架上，分别通过金丝键合、金带键合和金箔键合等互连方式对比试验，比较样件电压驻波比的变化。测试系统设置Vdd=8V，Vgg=-1.0V，G=15dB（2GHz），13dB（18GHz）；VSWR在18GHz时≥2，在输入微带线上贴金箔，VSWR改善＜2，Gain变得平缓下降，曲线走势改善。依据电讯测试驻波比得出结论，多线键合使键合引线总的寄生电阻和电感减小，使信号传输线的特性阻抗降低，从而减小了微波信号的插损和驻波。金丝键合、金带键合和金箔键合三种互连方法比较，金箔互连对传输线的匹配效果最好，回波损耗最低，VSWR最小。见表4、表5。