一款表面贴装3dB电桥的制作

樊 佳 许校彬 邵 勇 陈金星

（特创电子科技股份有限公司，广东 惠州 516369）

0 前言

随着通信技术的不断发展，3 dB电桥和定向耦合器，作为一种功率分配、合成的无源器件，在通信行业中，存在十分广泛的应用；特别是在当今高速发展的4G和5G网络中，为了实现更多端口的信号输入和输出，对多进多出的复合电桥的需求越来越大，技术要求也越来越高。电桥有很多的实现方式，同轴线、微带线、带状线、矩形波导等，但为了承载更高的功率，实现更高无源互调。3 dB电桥是一种定向耦合器,它是一种小型的高性价比的表面贴装器件（SMD），图1是传统3 dB电桥与SMD 3 dB电桥示例。SMD具有高隔离度、高回波损耗、低插入损耗及高幅度平衡度和相位平衡度等优秀的射频性能，能达到诸如平衡放大器、可变衰减器、可变移相器及低噪声放大器等功率分配、合成、信号控制电路的严格要求。

图1 3 dB电桥图片

3 dB电桥又可称为同频合路器，是一种特殊的耦合度为3 dB的定向耦合器，在当今移动通信领域中的应用十分普遍。定向耦合器是一种由传输线构成的无源器件，通常有两组相互靠近的传输线（主线和副线）组成，通过小孔耦合、分支耦合、缝隙耦合或平行线耦合等方式，将主线上的一部分信号功率耦合到副线上去，从而实现功率分配。

电桥是个四端口网络（图2），特性是两口输入、两口输出，两输入端口相互隔离。为了方便与系统中其他子路相连，在接口上端口2和3需要在同一方向，于是可将平行耦合线段相互错位。平行耦合线的长度应该设计在1/4导内波长，根据平行耦合线相互靠近的程度在端口2可获得不同的耦合电平输出。

图2 电桥端口网络示意图

对于耦合功率比为1:1的情况，直通口和耦合口等幅平衡输出，相位差90°或180°，此时称为3 dB电桥。

1 SMD 3 dB电桥生产工艺探讨

1.1 电桥的材料选用

在材料的选用上，对比聚四氟乙烯材料和陶瓷材料（如表1所示），聚四氟乙烯具有良好的低损耗、耐高温、射频特性好的特点。SMD 3 dB电桥在电路板上的贴装效果如图3所示，所用板材多为聚四氟乙烯的射频板材，在热膨胀系数（CTE）上两者非常接近，从而保证在高温焊接或长期发热工作的状态下，每层介质之间没有产生分层、形变或裂开等隐患。故此，电桥的材料选择上多为聚四氟乙烯。

图3 电桥在电路板装贴效果

表1 电桥使用的材料对比表

1.2 产品工艺流程

微波通讯装置的4层SMD 3 dB电桥流程：开料（材料：PTFE 0.127 mm 、0.93 mm，铜35 μm）→内层湿膜→内层蚀刻→内层AOI→棕化→压合→板面除胶→钻孔→等离子除胶→沉铜→全板电镀→图形转移→图形电镀→图电后铣半孔→蚀刻披锋→外层蚀刻→外层AOI→测试→成品检验→沉金→字符→成型→成品检验→FQA→出货

1.3 过程控制参数

4层SMD 3 dB电桥其压合结构及对应线路图形，如图4所示。为了贴装焊接，需在电桥侧面设计金属化半孔。L1与L4均为大铜面，内层L2和L3层为电桥的耦合线路（两进两出）。四层SMD 3 dB电桥过程参数控制，如表2所示。

表2 电桥过程控制参数

图4 4层SMD 3 dB电桥压合结构及对应线路图

1.4 电桥的金属半孔或四分之一孔和外形加工

SMD 3 dB电桥的金属半孔主要作为了贴片的焊接点，一方面要保证外形的尺寸精度，还要保证焊接点的良好对准度与贴片的可靠性，因为对于通信的产品来讲，焊接点的饱满度对信号有一定的影响。所以金属半孔加工的时候选用精度高的设备来完成。采用加大补偿的方式来解决蚀刻后焊接点内缩，按蚀刻量的补偿进行加大。

由于铜具有较好的延展性，加工时，玻纤和铜丝在四分之一金属孔处缺少着力点，如果采用直铣的方式的话，金属孔会出现拉丝的情况，为避免这种情况发生，四分之一金属孔的加工则采用真空铣床吸住连片板后，在直角圆孔的中心下刀来避免披锋的产生，如图5所示。

图5 电桥直角处的四分之一金属孔的CNC铣切方式

SMD 3 dB电桥的主要一个特点是尺寸相对比普通PCB产品尺寸要小很多，尺寸一般为小的2 mm×1.25 mm到大的50.8 mm×19 mm不等，必须使用薄板专用CNC设备以确保满足小尺寸的外形要求。除此以外，电桥的外形制作也还可以用SMT分半机、砂轮切割机、晶圆切割机来完成，但是在过程出现的披锋问题仍是生产过程的主要控制项目。

1.5 电桥的表面处理

因为SMD产品，外层无阻焊层，两面沉金表面处理，要求外观平整无凹凸，所有运输禁平放，插架或隔胶片运输，生产前做好设备清洁工作，控制的重点为设计时采用负片流程减少铜粒的产生，各工序避免采用磨板的方式进行前处理。

2 SMD 3 dB电桥性能测试

2.1 3 dB电桥的网络分析仪测试结果

使用网络分析仪，设置网分的中频带宽为1 kHz，POWER为0 dBm，对仪表进行双端口校准，针对不同测试项目，按图6连接测试系统，在常温25℃、频段1800 MHz的前提下，不同端口加匹配负载，得出4层SMD 3 dB电桥相关测试结果（如图7所示）。

图6 网络分析仪测试结果

图7 网络分析仪测试电桥的不同连接方式

2.2 电桥的无源互调扫频测试结果

使用互调测试仪进行测试，按图8连接测试系统，将电桥的输入端口IN1接仪表REV端口（2载波功率输出端口），其预三个端口接低互调测试负载；各接口均使用力矩扳手按规定力矩拧紧，测试完毕前不得再次接触测试电缆和被测件。设置互调测试仪载波频率和无源互调阶数，频率配置为仪表默认设置，互调阶数为3阶，设置输出功率，两载波均为43 dBm，设置互调测试仪测试模式，要求反向模式，在常温25 ℃、频段1800 MHz的前提下，得出4层SMD 3 dB电桥相关测试结果如图9所示。

图8 无源互调测试仪测试电桥的连接方式

图9 电桥的无源互调扫频测试结果合格

2.3 可焊性及热应力测试

可焊性及热应力测试结果见表4所示。

表4 可焊性及热应力测试结果

2.4 电桥的冷热冲击测试

电桥的冷热冲击测试结果见表5所示。前处理：5 次无铅回流焊模拟预处理。冷热冲击测试：125 ℃/ 15 min，-55 ℃/ 15 min，200循环。阻值测试：分别以1、50、100、150、200循环后测量阻值，要求阻值变化率小于±10%。得出4层SMD 3 dB电桥相关测试结果，阻值变化率均在10%范围内。

表5 冷热冲击阻值变化率测试结果

3 结论

通过对四层SMD 3dB 电桥全流程的跟进生产，针对电桥的重点控制项目做出如下总结。

（1）在材料的选择上尤为重要，考虑到热膨胀系数、耐焊性和抗震能力等性能原因，偏向于使用聚四氟乙烯材料,淘汰了高频陶瓷材料。良好Df、Dk值的优质聚四氟乙烯高频材料，可以保证在高温焊接或长期发热工作的状态下，不会出现分层、形变或裂开等可靠性的隐患；

（2）在金属半孔加工上，采用加大补偿的方式来解决蚀刻后焊接点内缩，按蚀刻量的补偿进行加大，针对四分之一的金属孔和外形，采用高精密度的真空铣床铣切，且在设计上采用圆中心下刀往两头铣切的方式来避免金属孔会出现拉丝的情况，为提高效率一般还会使用砂轮切割机、晶圆切割机分割；

（3）在电桥的信号性能测试上，主要采用网络分析仪和无源互调测试仪进行测试，通过不同的连接系统方式，将插入损耗、隔离度、相位平衡度、回波耗损和扫频峰值等指标作为电桥性能的主要测试指标，电桥测试的频段和温度是测试结果的重要前提。