一款可覆蓋DC-20 GHz的帶引線的表貼管殼的設計

摘? 要：利用高溫共燒陶瓷（HTCC）工藝，研制了一款具有6根射頻引腳的有引線封裝微波管殼，外形尺寸為20 mm×15 mm×5 mm。同時，在此基礎上設計、制作了一款帶引腳的表貼式Ku波段雙通道下變頻3D-SIP模塊，成功實現了模塊的表貼化，小型化和封裝標準化。其尺寸僅為傳統設計方案的5%，重量小于5 g。

關鍵詞：3D-SIP;管殼;Ku波段

中圖分類號：TN12? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0056-04

Abstract： Using high temperature co fired ceramic （HTCC） process， a encapsulated microwave tube shell with lead wire and 6 RF pins is developed， and the external dimension is 20 mm × 15 mm × 5 mm. At the same time， on this basis， a surface mount Ku-band dual channel down conversion 3D-SIP module with pins is designed and manufactured， which successfully realizes the surface mount， miniaturization and packaging standardization of the module. Its size is only 5% of the traditional design scheme， and its weight is less than 5 g.

Keywords： 3D-SIP; tube shell; Ku-band

0? 引? 言

隨著現代無線通訊技術的高速發展，對微波射頻系統的要求越來越高，系統向著更高頻率、更寬的頻帶和更小體積發展。在這種要求下，頻率覆蓋高頻的表貼形式管殼結合3D形式集成電路的方式可有效滿足系統需求，解決眾多問題。目前，QFN表貼管殼的外形尺寸太小，長寬均在10 mm×10 mm以內，這對于大部分的功能復雜的3D電路顯然不太實用;而有引線表貼管殼雖然尺寸較大，但最高的應用頻率基本在C波段以下，嚴重束縛了3D電路的頻率使用范圍。為了克服以上管殼種種的不足之處，創新采用HTCC多層布線技術，結合微波信號三維傳輸的設計方法，設計、制作了一種新型有引線的表貼封裝管殼，實現了DC～20 GHz的信號傳輸，滿足大部3D分電路的頻率需求;同時結合3D技術實現了多功能電路的表貼化、小型化和封裝標準化設計。

1? 高頻表貼管殼的設計與仿真

隨著射頻微波技術的高速發展，電路模塊需要集成的功能越來越復雜，為了集成更多的電路與功能，多功能模塊內部常常由很多種芯片及器件組合而成，采用3D電路形式設計的多功能模塊更是如此，經常集成十幾種以上的芯片，所以用于3D電路的表貼管殼需要有充足的空間容量。經多種方面綜合考慮，將管殼尺寸初步定為20 mm×15 mm×5 mm，由于此尺寸較大，QFN的設計方式已不再滿足可靠性要求。因此，需將管殼的所有端口設計成有引線結構。同時，為了防止管殼在使用時被拉裂，還需對引腳進行緩沖化設計（將引腳半圓化處理）這大大增加了射頻端口電特性的設計難度，端口結構如圖1所示。

目前各種陶瓷外殼射頻引腳常用的實現方式，一般都是多種微波傳輸方式的互連結構，最常見的過渡結構包括微帶線-帶狀線-微帶線、微帶線-同軸線、共面波導-微帶線等。

根據HTCC工藝的設計要求及規則，本文所設計的表貼式微波管殼的射頻端口主要由6部分組成：帶弧形的引線-引線焊盤-信號過孔-帶狀線-信號過孔-鍵合指。這種連接方式帶來的問題有：（1）引線弧形半徑為0.5 mm，對于射頻信號而言，已呈高阻特性;（2）由于工藝對引線可靠性的要求，引線焊盤尺寸一般較大，對射頻信號而言又呈低阻抗特性;（3）過孔需按工藝設計規則進行設計，一般也會偏離50歐姆的阻抗值。因此，這樣的一個過渡結構必然帶來微波傳輸的不連續性;從等效電路來看相當于串聯或并聯一些電抗元件，或使微波網絡的參考面發生變化。從而嚴重影響信號的傳輸特性。

對于這樣阻抗不連續處較多阻抗變化劇烈，且包含多種微波射頻傳輸形式的復雜過渡結構來說，要實現微波射頻信號端口在頻率范圍從DC～20 GHz的寬帶匹配，確保微波射頻信號的完整傳輸，需要經過完整且準確的理論分析，同時需要結合仿真軟件對其采取合理的匹配設計，仿真優化，消除阻抗的不連續性。

弧形引線與引線的焊盤是較為常見的結構，分析處理相對較為簡單，對其的研究分析也較為充足。弧形引線在一定的頻率范圍內主要體現出電感特性，引線的焊盤在一定的頻率范圍內主要體現出電容特性。而過孔對信號的影響較為復雜，故在此進行詳細的分析。

由單過孔模型可知，過孔含有寄生電感和電容，圖2為單過孔LC等效模型。模型中C是寄生電容，L是寄生電感，以上L與C均可通過公式計算。

過孔的寄生電容可以通過式（1）計算[1-3]：

式中D1為過孔的焊盤直徑，D2為電路板上隔離環的直徑，C為過孔寄生電容量，εr1為電路的介電常數，T為電路板的厚度。

同樣，過孔也存在串聯寄生電感，這個電感的存在可以造成信號傳輸的不連續，造成信號的反射，也會降低電源旁路電容的有效性，最終會使整個電源供電濾波效果的變差。

上式中，h為過孔高度，L為過孔的寄生電感，d為過孔直徑。

由以上公式分析可以得出以下結論，對寄生電感影響最大的是過孔的高度，而過孔的直徑對電感的影響相對較小。經過以上理論分析，選用的材料介電常數為9.8，介質損耗為0.01的氧化鋁黑瓷。在三維電磁仿真軟件中對該三維互連結構進行建模和仿真分析。

圖3為表貼管殼端口互連結構仿真模型示意圖，該結構上面部分為HTCC 基板，是表貼封裝的主體部分，下面部分為印刷電路板，是表貼封裝的安裝母板;中間層為鍍金可伐材料加工的引腳，主要將陶瓷管殼的射頻信號和母板微帶線相連。經分析，引腳的弧形部分會給端口引入較大的電感量，這樣必然帶來傳輸特性的惡化。因此需要引入電容對其進行匹配：在引腳焊盤處加寬帶線，引入匹配電容。同理對端口其它部分的阻抗失配進行匹配分析后，利用仿真軟件進行仿真匹配設計。經匹配設計后，仿真曲線如圖4所示，其回波損耗在DC～20 GHz內均小于-18 dB，插損小于0.5 dB，頻率特性滿足設計要求。

2? 高頻表貼管殼的加工與測試

根據仿真模型進行管殼加工，實物如圖5所示，對實際加工管殼進行測試，圖6為單端口（腔體內部端口接50歐姆負載）測試曲線，在20 GHz以下，其端口駐波小于1.5;圖7為直通（端口+50歐姆帶線+端口）測試曲線，其插損小于2 dB，除去帶線和夾具插損，單端口插損約為0.6 dB，圖8為直通測試端口插損測試。從測試結果看，測試和仿真曲線基本吻合，達到管殼設計要求。因此，此管殼可廣泛用于頻率小于20 GHz的模塊電路中，來實現電路的小型化，標準化和表貼化。

3? 基于3D表貼管殼進行3D-SIP模塊的設計

利用前面所設計的高頻表貼管殼，設計一個Ku波段雙通道下變頻3D-SIP模塊，其原理如圖9所示。射頻頻率為16～18 GHz，一本振頻率為12～14 GHz，二本振為3.65 GHz，增益為34 dB，數控衰減器的控制方式采用串轉并來實現。

基于上述高頻管殼，對Ku波段雙通道下變頻電路進行合理的設計，最終設計出小型化，表貼化的Ku波段雙通道變頻3D-SIP模塊，其體積僅為傳統設計方式的5%左右。圖10為其外形圖，圖11～13為部分典型測試曲線，均達到指標要求。此3D-SIP模塊的成功設計，驗證了通過高頻表貼管殼結合3D電路的方式來實現電路的小型化、標準化和表貼化是可行的。

4? 可靠性分析

可靠性對任何系統都是非常重要的，可靠性高的系統可以持續穩定工作。由于產品技術性能和結構要求等方面的提高，如今對各類產品可靠性的要求也逐漸提高。產品可靠性水平的高低，不僅關系到產品市場競爭力，更會關系到企業形象，各類軍用器件產品的可靠性還會影響到國家國防安全。從整體上講，產品可靠性貫穿于產品整個的生命周期內，從設計過程到生產環節以及產品的各級管理過程。對本文中上述管殼設計制作完成后，進行了可靠性驗證。

將設計完成的管殼依據GJB2438A中的H級產品的考核要求，并且參考了GJB548B中的相關的試驗方法與試驗條件進行摸底試驗，試驗的項目及試驗的條件如表1所示。試驗完成之后對產品進行了高倍的目檢以及各類電性能的測試，確認可靠性達到產品使用環境的要求。

經過以上各項可靠性試驗后，可以得出設計的3D-SIP管殼的可靠性滿足使用要求。

5? 結? 論

經過分析和仿真，設計完成了一款頻率覆蓋DC～20GHz帶引線的表貼式陶瓷管殼，并基于此管殼成功設計出了一款Ku波段雙通道變頻3D-SIP模塊，體積僅為傳統設計方式的5%。因此，通過高頻表貼管殼結合3D電路的方式可實現多功能模塊的小型化、表貼化和外形標準化。對未來通訊及其他電子系統發展的輕薄化，小型化具有指導意義。

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作者簡介：羅建（1981—），男，漢族 ，四川眉山人，工程師，碩士研究生，研究方向：3D-SIP及微系統。