表貼封裝射頻器件的低成本測試方法研究

彭建業，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)

隨著科技進步，電路集成度越來越高，表面貼裝的射頻產品應用越來越廣泛。因此，在研發和生產中，對表貼產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品，尺寸大小、射頻頻段范圍、管腿定義等各不同。每種產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的測試方案[1]，隨著測試次數增加，彈片容易產生形變，導致彈片與射頻接口接觸不良。在高低溫和電老煉試驗中，這種形變產生的測試結果變化，很容易導致對產品性能的錯誤分析。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的測試方案[2－3]，測試準確且穩定，頻率可以達到非常高。但是容易在測試后，殘留金絲在接觸點。并且每個產品都要經過金絲鍵合與測試后去絲，十分地費時費力。

采用導電橡膠作為接觸媒質的測試方案[4]。導電橡膠自身雖然可以導電且滿足彈性接觸的需求，但是隨著頻率的提升，導電橡膠在射頻端口失配的情況越來越嚴重。因此這種測試方案隨著頻率變高，會在3 GHz～4 GHz 左右，端口駐波和損耗會急劇變差，當然一些進口的導電橡膠可以達到的頻率會更高一點，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行軟接觸[5]，可以保障射頻測試的精度，同時也可以用作產品的電老練。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。經過實測，該測試方案在DC－12 GHz 內，插入損耗小于0.6 dB，駐波典型值為1.15。

1 測試方案設計

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(彈針實物圖)和圖2(彈針結構示意圖)所示，彈針是電測試的接觸介質，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、耐磨(內部有平均壽命3 萬～10 萬次的高性能彈簧)、良好的導電率、有伸縮彈性等優點[7]。

圖1 彈針實物圖

圖2 彈針結構示意圖

通過給彈針匹配同軸結構的設計，既可以實現對被測器件的軟接觸，又可以實現射頻信號的良好傳輸，可以實現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)、聚四氟乙烯環形介質、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域，都是大面積地與測試底座下層進行燒結固定。PCB 板另外一面為微帶線連接SMA 接頭。彈針通過公差設計嵌入聚四氟乙烯環形介質，然后整體安裝進底座的射頻過孔中。彈針作為內導體，聚四氟乙烯作為介質層，測試底座接地作為外導體，三者構成同軸結構。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實現軟接觸。測試時，射頻信號由矢網發出經過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過彈針、微帶線和SMA 接頭輸出至矢網接收端。

2 測試方案中射頻通道的仿真設計

產品的射頻測試通道，要求能夠實現與產品射頻端口軟接觸的同時，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行模型構建和仿真。

在結構中，我們選擇彈針作為內導體，選擇聚四氟乙烯作為同軸結構的介質層，嵌入穿墻黃銅底座內，就形成了典型的同軸連接。標準同軸特征阻抗公式為(其中D0和Di分別為外導體直徑和內導體直徑，即同軸直徑和彈針直徑，εr為介質相對介電常數)[8]。根據以上公式計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構的測試端口。按照12 GHz 的頻率和PCB 板材厚度以及介電常數，計算得測試端口的微帶寬度為1.1 mm[9－10]。以彈針為內導體的同軸結構與微帶線過度結構如圖5 所示。

圖5 彈針為內導體的同軸結構與微帶線的過度結構

由于PCB 加工技術的限制，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，所以設計選擇6 個對稱分布的金屬化過孔作為類同軸結構的接地。微帶介質板使用Rogers4350通用板材，6 個金屬化過孔的直徑、位置、表面金屬層大小和彈針與微帶接觸焊盤的結構作為可調參數進行優化。

最終仿真結果如圖6、圖7 所示。該射頻連接部分，可以實現DC－12 GHz 的寬帶范圍內，駐波小于1.08，插入損耗小于0.25 dB?？梢赃M行基于該射頻通道結構的測試夾具的實際制作。

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 方案的實現和射頻通道性能測試

根據上節的仿真結構，設計加工PCB 板、測試底座、聚四氟乙烯環形介質和硬塑料定位塊。這里選用Rogers4350 的板材，厚度為0.508 mm。經過組裝后測試，如圖8 所示。

圖8 測試方案實物圖

經過實際測試該方案的射頻信號通道的性能，結果如圖9 所示，在小于11 GHz 范圍內，該射頻通道輸入輸出駐波小于1.15，在11 GHz～12 GHz 范圍內，該射頻通道輸入輸出駐波為1.2 左右。在DC－12 GHz 范圍內，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SMA 接頭、CPB板的50 歐母線、彈針結構等。

圖9 射頻通道性能測試結果

對比模型仿真結果和實物測試結果，實測整體插入損耗略高于仿真值，且高頻端12 GHz 附近駐波達到1.2 左右。導致這個結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；以上測試結果符合預期，滿足實際測試需求，對射頻測試通道的精準去嵌入方法[11－13]，在DC－12 GHz 頻段實現對表貼器件的無損且精確測試。

3 結論

本文采用電磁仿真軟件HFSS 進行建模優化設計，并加工了一款基于彈針結構的測試方案，可應用于DC－12 GHz，對表貼無引腳器件進行無損射頻測試。具有自制性、結構簡單、成本低、使用方便等特點，可以實現精確測試。

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。根據不同器件的尺寸，以廉價的成本制作高精度的測試夾具。同時可以滿足常溫、高低溫、電老煉以及各種極限試驗的要求。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。