宽带低相噪梳谱SiP的设计开发.pdf

引言随着电子对抗技术的不断发展，新一代电子对抗系统对射频分系统提出了新的要求，不仅对技术指标的要求更高，同时对射频分系统的体积、物理质量、功耗和产品质量等都提出了更高的要求，逐层分解对频率源中生成变频所需本振及时钟信号提出了宽带、低相噪、小型化、轻量化、高可靠的需求1。在此需求牵引下，对项目中的频率源产品进行了统筹规划，依托梳谱SiP核为基础，快速完成了项目中各项频率源产品的研发需求。根据频率合成方法的不同，一般频率源分为直接、间接（PLL）、直接数字（DDS）等多种频率合成方式，根据本项目需求，综合权衡成本、体积、技术指标、物理质量、功耗以及可实现性等因素，直接倍频的宽带梳谱SiP成为不二之选。根据SiP研制过程中的诸多限制和挑战，综合研究运用电路、热、力等物理量，再多维度进行仿真分析，指导硬件设计进行修改迭代，快速完成研发。1 电路设计基于频率源的功能需求，输入1路05 dBm的100 MHz低相噪参考信号，输出8路816 GHz（间隔1 GHz）的宽带低相噪梳谱信号，设计功能原理如图1所示。1.1 梳谱S i P 的设计分析图1中均衡、功分、滤波等均有满足要求的集作者简介：王燕（1 9 7 6-），女，毕业于四川大学，高级工程师，主要从事微波/毫米波集成电路及系统设计的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.002微系统技术第44卷第3期7图1 低相噪梳谱S i P 功能框图图2 梳谱发生器电路原理框图图3 脉冲发生器电路原理图图4 输出功率仿真结果成芯片电路可供选择，重点分析梳谱发生器的电路设计原理。根据梳谱发生器的功能、性能要求，典型的原理如图2所示，电路由前级放大器、驱动放大器、匹配电路、脉冲发生器、滤波器等部分组成。要产生较大的窄电流脉冲，从而获得丰富的谐波输出，需要使用驱动放大器将100 MHz输入信号放大到一定的功率来推动产生脉冲。同时，该放大器是梳谱发生器附加相噪的主要来源。如果驱动放大器的输出功率过大，则会过度激励，相位噪声会严重恶化，因此需要通过前级放大器调整输入信号幅度达到最佳激励要求。匹配电路的作用是实现输入与输出谐波信号的隔离，把放大器产生的功率有效地加到脉冲发生器上，最大限度地产生更强的窄脉冲电流，同时使脉冲发生器产生的谐波能量不会串扰到前级放大器中，输出端的滤波器用于分选所需的谐波分量。脉冲发生器电路2如图3所示。设计梳谱电路脉冲发生器首先要选择合适的阶跃恢复二极管（Step-Recovery Diode，SRD），SRD的主要参数有：阶跃时间、少数载流子寿命、结电容、反向击穿电压、串联正向传导电阻。SRD应有足够高的截至频率，足够大的少数载流子寿命以及足够小的阶跃时间，选择应符合以下条件：1）阶跃时间tt：为了获得高效率倍频的关键参数，tt应该尽量小，一般选取tt小于所需输出频率fN周期的一半，即满足tt1/2fN；2）少数载流子寿命：决定SRD的最低输入频率极限，1/2fin（fin为输入频率），最好是30/fin；3）结电容Cj：对于50 的系统，结电容增大会导致匹配困难，而且降低倍频效率，通常阻抗要求10 1/2fNCj20；4）反向击穿电压VB：输出功率与VB的平方成正比，从提高功率容量的角度，希望提高VB，但VB越大，则器件的I层越厚，导致阶跃时间增长，影响工作频率上限，所以VB不是越大越好；5）串联正向传导电阻RS：越小越好。根据以上要求，阶跃二极管选用WY0002H，技术参数见表1。表1 阶跃恢复二极管技术参数阶跃时间tt/p s少数载流子寿命/n s结电容Cj /pF反向击穿电压VB/V串联正向传导电阻RS/7 01 00.2 0.41 50.8图3中，脉冲发生电路的元件值计算公式为：（1）（2）（3）（4）（5）1.2 梳谱S i P 的建模与仿真依据器件技术参数构建仿真模型，首先对宽带低相噪梳谱进行基础电路级仿真，对电路的稳定性、技术指标的适应性以及冗余性进行仿真优化，保证能满足系统技术指标的需求。特别是机载课题进入SiP形式后，电路的形式改变对设计符合度的要求进一步提高，以期减小后期调试量，降低后期引入的可靠性风险。代入所选前级放大器、驱动放大器、SRD、滤波器等元器件的技术参数，经仿真优化匹配电路中电容、电感、电阻值等，结果如图4、图5所示。可以看出梳谱SiP输出功率大于-35 dBm，相噪约-103 dBc1 kHz、-109 dBc10 kHz、-110 dBc100 kHz，优于项目要求。频率/G H z输出功率/d B m王燕：宽带低相噪梳谱S i P 的设计开发2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology8图5 相噪仿真结果图6 热力学仿真分析图（单位：）噪声频率/G H z相噪/d B c1.3 热力学分析由于体积限制，梳谱SiP采用6层复合基板设计，集成度较高，热流密度也会随之增加，通过计算内部功耗分布，合理布局，在基板上设置不同的铜过孔数，采用有效的热力学仿真优化手段评估梳谱SiP基板的散热能力和热应力3。通过对电路板上不同过孔情况进行热力学仿真分析，结果表明：1）铜过孔有利于散热，只要发热器件底部有铜过孔，散热就将大幅度改善，但并非越多越好；2）增加铜过孔会产生热应力，在有过孔情况下，过孔数越多热应力越小，但减小幅度有限，最大热应力主要出现在过孔与发热器件接触处。掌握了以上的仿真理论，再进一步优化宽带低相噪梳谱SiP的基板设计，结果如图6所示。分析可以看出在高温环境温度下，器件局部上升温度满足器件工作环境适应性要求。1.4 低相噪梳谱S i P 管壳内腔谐振分析一定尺寸的金属管壳会存在谐振，如果梳谱的工作频段在本征模内会引起震荡，从而导致梳谱性能受到影响。矩形腔的谐振频率4为：（6）式中：c为在真空中的光速；和分别为腔体内填充材料的导磁率和介电常数；a、b、l分别表示腔体的宽度、高度和长度；m、n、p分别表示沿a、b、l分布的半驻波数，为任意正整数，是波型指数。这表明谐振时腔体的长度必须是半波导波长的整数倍。矩形谐振腔的主模是TE101模，其余TE102和TE201次模的谐振频率更高。在初次设计时，将盒体分成4个腔，仿真发现QT2在15 GHz点频附近存在主模谐振。通过仿真优化调整QT2内腔形状，盒体各分腔的基次模电场分布均移至25 GHz以上，基次模的谐振频率见表人，这样便规避了工作频段内有谐振频率的问题。表2 内腔谐振频率分布图7 低相噪梳谱S i P 实物图图8 低相噪梳谱S i P 输出功率测试结果图9 低相噪梳谱S i P 相噪测试曲线内腔编号Q T 1Q T 2Q T 3Q T 4谐振频率/G H z2 8.4 3 42 5.9 5 43 0.2 8 83 0.1 5 72 梳谱S i P 实测结果宽带低相噪梳谱SiP外形尺寸为33 mm22.5 mm3.5 mm，在背面采用BGA形式输出，实物如图7所示。输出功率、相位噪声的测试结果如图8、图9所示，相位噪声在16 GHz处达到-100 dBc1 kHz、-108 dBc10 kHz、-109 dBc100 kHz，满足项目要求，处于业界领先水平。3 应用与工艺宽带低相噪梳谱SiP主要应用在电子对抗干扰分系统综合射频前端中，通过开关滤波后主要为系统提供低相噪变频所需本振信号。宽带低相噪梳谱SiP主要应用于机载平台上，温度及振动等环境条件要求严苛，其可靠性与加工装配工艺密切相关。在前期的应用过程中，曾出现少量产品性能异常，主要表现为输出信号功率低，测试分析发现主要与装配工艺相关。经开盖检查，确认故障为末级放大器电源未供上，经探针测试末级放大器供电经电感后异常，进一步定位到末级放大器供电端电感异常。（下转第3 1 页）第44卷第3期31图6 柔性化焊接参数设置表1 焊接参数设置工步动作边焊接方式开始坐标/mm长度/mm方向等待时间/sxy焊接前焊接后1X点焊2 02 0006 0 02X平焊2 12 01 4右1 2 01 0 03X平焊1 92 01 4左5 01 5 04Y平焊2 02 11 3后01 5 05Y平焊2 01 91 3前59 0 04 结束语全自动真空封装设备可应用于加工智能穿戴、非冷却红外线微传感器阵列、汽车激光雷达、汽车激光投影仪等领域。设备的创新性体现在封装全过程在真空状态下实现，且封装过程中器件真空腔真空度可以达到10-5 Pa，真空运动过程中的机械结构变形控制，真空动密封与精确控制的融合应用技术，真空状态下电磁机械手的应用，目前所述设备在国内未见同类型产品。参考文献1 CHIAO M.MEMS packaging by rapid thermal processingD.Berkely:University of California,2002:2.2甘志银.MEMS器件真空封装的研究D.武汉:华中科技大学博士学位论文,2008(5):19-203武春晖,暴翔,王涛,等.高真空环境下晶圆对准视觉成像及数据传输技术J.电子工艺技术,2022(3):149.（收稿日期：2022-12-07）图1 0 整改前电感点胶示意图图1 1 整改后电感点胶示意图（上接第8 页）经分析排查是由于电感上防止重熔的贴片胶流入电感底部包裹漆包线与焊盘连接根部，在应用环境存在剧烈温度变化的情况下，贴片胶热胀冷缩，应力作用导致拉伸断裂、开路所致，如图10所示。针对贴片胶浸入电感底部的现象，工艺上细化了点胶工序，对点胶位置进行了详细规定。针对绕线电感具有固定绕线方向的特点，新的点胶工艺要求在电感的上下两端远离漆包线端头的一侧点胶，且要求严格控制点胶量，不让贴片胶浸入电感底部漆包线位置，如图11所示。通过试验及应用验证，调整点胶工艺后梳谱SiP质量稳定可靠，目前已广泛应用在机载平台电子干扰分系统综合射频前端中，用量超过1 000只。4 结束语通过对宽带低相噪梳谱SiP的深入研究和问题分析，在理论计算对部分元件取值进行初步确定的基础上，综合运用电路、热、力等多维度物理量的仿真分析及优化，通过试验验证对部分元器件参数的取值进行了改进，最终通过应用发现并及时解决了贴片胶等装配工艺问题，有力解决了宽带低相噪梳谱SiP小型化后引入的诸多限制和挑战，宽带低相噪梳谱SiP的广泛应用对提高小型化的微波组件或者频率源产品的研发效率具有积极重要的意义。参考文献1王燕,苏梦蜀.一种频综SiP的设计开发J.电子工艺技术,2022(5):259.2 聂杨,喻志远.基于阶跃二极管的平面结构梳状谱发生器设计J.电子测量技术,2009(12):7.3智郁雯.宽带低相噪频综SiP的多物理场综合仿真优化技术研究D.中国电子科技集团公司电子科学研究院,2019.4顾茂章,张克潜.微波技术M.北京:清华大学出版社,1989:312.（收稿日期：2023-02-21）杨晓东，等：ME MS 器件级高真空封装技术