光电器件用金属外壳高频性能的改进

2016-09-13袁中朝崔大健姚科明中国电子科技集团公司第44研究所重庆400060

电子与封装 2016年7期

袁中朝，许　健，崔大健，姚科明（中国电子科技集团公司第44研究所，重庆 400060）

光电器件用金属外壳高频性能的改进

袁中朝，许健，崔大健，姚科明
（中国电子科技集团公司第44研究所，重庆 400060）

金属外壳对光电器件的微波高频特性有重要的影响。从金属外壳的内腔结构和传输线过渡结构两个方面，对光电器件的高频特性进行改进。通过对金属外壳内腔的几何结构、传输线过渡结构进行改进，成功地将器件的衰减尖峰从14.5 GHz移至3 dB带宽之外的19.1 GHz，使器件的3 dB带宽提高了1 GHz。

外壳；高频特性；谐振频率；阻抗匹配

1　引言

光电器件金属外壳起承载、保护光电器件芯片和提供光电信号传输通道的作用，对器件光电性能参数及器件的可靠性有着重要影响。随着高速光纤通信技术与微波光子技术的发展，高速、高保真、低损耗的信息交换需求推动着高频光电器件金属外壳的设计、工艺及测试技术的发展。

某型号高速光电器件在研制过程中发现高频性能不理想，在器件的频率响应曲线上14.5 GHz附近有一个吸收峰，该吸收峰位于器件的3 dB带宽之内；该器件裸芯片测试满足高频特性要求，经分析认为这是由于外壳的高频特性与器件要求不匹配造成的。为此，本文主要从决定外壳高频特性的两个主要环节——内腔结构和传输线过渡结构——对该金属外壳进行结构优化，改进其高频特性。

2　光电金属外壳结构

图1　金属外壳的结构

此光电器件由金属壳体、盖板、光纤端口、电信号端口、光电核心及高频组件几部分组成，如图1所示。壳体与盖板通过平行缝焊形成气密性结构，起承载、保护芯片和提供光电信号传输通道的作用，光纤端口为数据的输入端，电信号由引线输入，光电核心的作用是处理输入的数据，高频组件将处理后的数据输出。

3　腔体的谐振频率对衰减尖峰位置的影响

首先分析一下腔体结构对高频特性的影响。

典型的外壳内腔结构简化为一个矩形腔，应用时在底部有一层厚度为h、相对介电常数为εr的介质基片，如图2所示，因此是一部分填充介质的矩形谐振腔，其长宽高分别是L、a、b。在求其谐振频率时，和一般的矩形腔相同，先将其看成一段横截面尺寸为a×b的矩形波导，求出其波导波长λg，再令长度为λg/2的整数倍，根据此关系，即可求得谐振频率［1］。

式中：m、n、l为模式数，L、a、b为外壳的长、宽、高；μ、ε为腔体内填充材料的磁导率和介电常数。

图2　典型屏蔽盒腔体

当外壳腔体尺寸选择不合适时，可能会在某一频率发生衰减的尖峰，经过分析和试验，已证实这是屏蔽盒的谐振效应引起的，当工作频率接近此种“屏蔽盒空腔”的谐振频率时，部分能量被吸收，因而产生了衰减的尖峰［2～3］，如图3所示。

图3　谐振对高频参数的影响

为避免外壳腔体壁对电路中电场的扰动，盖板离电路的距离应在（5～10） h以上（h为电路基板厚度），最靠近边缘的导体条带距腔体内壁的距离应在3h以上。

本文提到的金属外壳根据具体光电器件对封装结构尺寸的需要，腔体内部结构为不规则形状，见图1。

由于金属外壳的结构内腔不规则，在计算谐振频率时，除内腔外光电器件芯片本身所占的空间（它们可与金属外壳的腔体体积比拟）同样会影响谐振频率。用式（1）来简单计算该腔体的谐振频率不准确，因此我们采用高频仿真软件High Frequency Structure Simulator 13（HFSS）的本征模求解功能来分析腔体的谐振频率点，如图4所示。

图4　仿真模型及仿真结果

通过对1阶和2阶本征模式进行模拟分析，其中2阶本征模式的谐振频率为27.5 GHz，不在考虑的频率范围之内，1阶本征模式的谐振频率为15.0 GHz。器件的频响实测结果如图5所示，谐振产生在14～15 GHz之间，与由HFSS模拟得到的谐振频率相符合，在3 dB带宽内信号严重失真。

图5　金属外壳封装后的器件实测频响曲线

因此需要对腔体的内腔结构进行进一步的改进，使其衰减尖峰优化到3 dB的工作带宽以外。

由式（1）可以看出，外壳腔体尺寸的长、宽、高3个参数对高频特性起到重要作用，通过HFSS软件模拟分析并进行了优化，具体如下：

·光纤进入面壁厚加厚了0.3 mm；

·将腔体内左边的区域去除；

·将盖板与介质基板的距离由原来的1 mm改进为2.4 mm（介质基板厚度为0.3 mm），改进后的外壳结构如图6所示。

4　传输线过渡结构对带宽的影响

微波传输线的重要参量之一是特性阻抗，它与阻抗匹配有关。为使信号源和负载间有低反射传输，需要恰当设计中间的阻抗匹配网络。Zo是负载的阻抗，Zg是信号源的阻抗，Zout是阻抗匹配网络的阻抗。将无源网络与负载看作二端口网络，二端口网络的信号流图如图7所示。从端口1入射的高频信号一部分传输到端口2，传输系数为S21，一部分被反射回端口1，反射系数为S11；同样的，从端口2到端口1的传输系数为S12，反射系数为S22。于是，无耗匹配网络与负载间的反射系数Г为［4］：

对于无源网络，0≤Г≤1。全反射时|Г|=1，全传输时|Г|=0。理想状态下，Zo=Zout，但通常状态都是有损耗的，驻波比ρ表示入射电压和反射电压之比。

图7　二端口网络信号流图

由此，我们在外壳设计时必须考虑通过设计外壳传输线使其特征阻抗等于负载的阻抗Zo，从而使阻抗匹配，插入损耗最小，驻波比最低。一般而言微波器件为获得足够增益和输出功率，都利用电路内的匹配把阻抗转为标准50 Ω。在本文中涉及的光电核心及其外围电路输出匹配为50 Ω，因此只需考虑其输出与外壳之间互联的阻抗一致性。

外壳与高频组件的连接部位是通孔结构，并采用模具定位后再与外壳之间进行焊接。但是由于模具加工及装配时与设计有一定的误差，导致高频组件在焊接时定位精度不高，且高频组件的针与安装孔的同轴度不好，会使微波性能变差。

对高频组件与外壳连接方式进行了重新设计，采用自定位的焊接结构，用精密加工设备进行加工，保证了定位孔与高频组件紧密的公差配合精度，配合间隙控制在0.01～0.02 mm以内，定位精度0.02 mm，同轴度的精度0.02 mm，台阶孔的设计省去了复杂的钎焊定位模具的设计及加工，焊接时利用组件的自重实现自定位，降低了钎焊模具对组件定位精度的影响。同时设计了焊料环的控制槽，既控制了焊料流淌，且定位孔与高频组件的配合间隙小，还保证了焊料填充饱满，减小了空洞率。图8所示为高频组件（过渡结构）与外壳连接示意图。

图8　高频组件与外壳连接示意图

焊接采用低温焊接工艺，焊料为Au80Sn20（熔点280℃），此工艺为成熟的钎焊工艺，焊接完成后采用氦质谱检漏仪进行气密性检验，使用X射线透视技术检测焊接的空洞率，保证其满足高频传输的要求。

然后将优化后的结构模型导入HFSS并建立一体化的微波传输模型，再进行仿真，仿真结果满足要求，如图9所示。

5　金属外壳内腔表面及尖角的处理

由于高频电磁波在金属中传播时会遇到所谓的“趋肤效应”［5］，信号频率越高，电磁波越趋于在金属表面传播而不是在金属内部传播。因此金属外壳的腔体内表面光洁度、尖角及毛刺对性能也会产生一定的影响。在金属外壳机加工过程中采用高精度的设备进行加工，保证内腔的光洁度Ra达到0.8 μm，将尖端处加工成圆角，圆角大小为1 mm，在一定程度上避免腔体内部出现尖端及毛刺，减少其对信号的干扰。

图9　仿真模型及谐振频率

6　改进金属外壳高频特性实测结果

对改进后的金属外壳进行了试制、器件封装和测试，器件衰减尖峰的位置由原来的14.5 GHz调整到了19.1 GHz，优化后3 dB带宽增加了1 GHz，如图10所示，为便于比较，将优化前的测试结果也显示在图中。由此可见，通过以上改进，避免金属外壳盖板对电路中电场的扰动，改善了谐振性能。

图10　优化前后频响曲线

7　结论

通过对一款光电器件用金属外壳高频特性的改进，总结出金属外壳对光电器件的高频特性影响主要有两个方面：一是腔体结构引起的衰减尖峰，二是源于负载之间传输线过渡结构设计不合理导致的器件频响特性下降。外壳结构尺寸的一些经验值可对金属外壳设计起到帮助作用，例如盖板离光电核心部件表面的距离理论上应在（5～10）h以上（h为介质基板厚度），最靠近边缘的导体带条距腔体内壁的距离应在3h以上等。不同的金属外壳结构形式差异大，具体结构可采用HFSS软件分析调试后确定，达到快速、准确设计开发外壳的目的。

［1］清华大学《微带电路》编写组.微带电路［M］.北京：人民邮电出版社，1976：227-230.

［2］盛子烨.基于基片集成波导谐振腔微扰法测量微波介质磁导率的方法研究［D］.南京邮电大学，2014：21-23.

［3］李绪益.微波技术与微波电路［M］.广州：华南理工大学出版社，2007：88-91.

［4］Pozar D M.微波工程［M］.张肇仪，周乐柱，吴德明，等译. 第3版.北京：电子工业出版社，2006：66-68.

［5］谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2000：205-213.

Microwave Performance Improvement of Metal Packages for Optoelectronic Devices

YUAN Zhongchao，XU Jian，CUI Dajian，YAO Keming
（China Electronics Technology Group Corporation No.44 Research Institute，Chongqing 400060，China）

Metal packages significantly affect the high-frequency characteristics of optoelectronic devices.In the paper，both the inner cavity and transition structure of transmission lines of packages for high-frequency optoelectronic devices have been optimized.The improved structures successfully shift the resonant peak attenuation from 14.5 GHz to 19.1 GHz with 3 dB bandwidth increased by 1 GHz.

package；high-frequency characteristic；resonance frequency；impedance matching