一款可覆盖DC-20 GHz的带引线的表贴管壳的设计

摘  要：利用高温共烧陶瓷（HTCC）工艺，研制了一款具有6根射频引脚的有引线封装微波管壳，外形尺寸为20 mm×15 mm×5 mm。同时，在此基础上设计、制作了一款带引脚的表贴式Ku波段双通道下变频3D-SIP模块，成功实现了模块的表贴化，小型化和封装标准化。其尺寸仅为传统设计方案的5%，重量小于5 g。

关键词：3D-SIP;管壳;Ku波段

中图分类号：TN12        文献标识码：A文章编号：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

随着现代无线通讯技術的高速发展，对微波射频系统的要求越来越高，系统向着更高频率、更宽的频带和更小体积发展。在这种要求下，频率覆盖高频的表贴形式管壳结合3D形式集成电路的方式可有效满足系统需求，解决众多问题。目前，QFN表贴管壳的外形尺寸太小，长宽均在10 mm×10 mm以内，这对于大部分的功能复杂的3D电路显然不太实用;而有引线表贴管壳虽然尺寸较大，但最高的应用频率基本在C波段以下，严重束缚了3D电路的频率使用范围。为了克服以上管壳种种的不足之处，创新采用HTCC多层布线技术，结合微波信号三维传输的设计方法，设计、制作了一种新型有引线的表贴封装管壳，实现了DC～20 GHz的信号传输，满足大部3D分电路的频率需求;同时结合3D技术实现了多功能电路的表贴化、小型化和封装标准化设计。

1  高频表贴管壳的设计与仿真

随着射频微波技术的高速发展，电路模块需要集成的功能越来越复杂，为了集成更多的电路与功能，多功能模块内部常常由很多种芯片及器件组合而成，采用3D电路形式设计的多功能模块更是如此，经常集成十几种以上的芯片，所以用于3D电路的表贴管壳需要有充足的空间容量。经多种方面综合考虑，将管壳尺寸初步定为20 mm×15 mm×5 mm，由于此尺寸较大，QFN的设计方式已不再满足可靠性要求。因此，需将管壳的所有端口设计成有引线结构。同时，为了防止管壳在使用时被拉裂，还需对引脚进行缓冲化设计（将引脚半圆化处理）这大大增加了射频端口电特性的设计难度，端口结构如图1所示。

目前各种陶瓷外壳射频引脚常用的实现方式，一般都是多种微波传输方式的互连结构，最常见的过渡结构包括微带线-带状线-微带线、微带线-同轴线、共面波导-微带线等。

根据HTCC工艺的设计要求及规则，本文所设计的表贴式微波管壳的射频端口主要由6部分组成：带弧形的引线-引线焊盘-信号过孔-带状线-信号过孔-键合指。这种连接方式带来的问题有：（1）引线弧形半径为0.5 mm，对于射频信号而言，已呈高阻特性;（2）由于工艺对引线可靠性的要求，引线焊盘尺寸一般较大，对射频信号而言又呈低阻抗特性;（3）过孔需按工艺设计规则进行设计，一般也会偏离50欧姆的阻抗值。因此，这样的一个过渡结构必然带来微波传输的不连续性;从等效电路来看相当于串联或并联一些电抗元件，或使微波网络的参考面发生变化。从而严重影响信号的传输特性。

对于这样阻抗不连续处较多阻抗变化剧烈，且包含多种微波射频传输形式的复杂过渡结构来说，要实现微波射频信号端口在频率范围从DC～20 GHz的宽带匹配，确保微波射频信号的完整传输，需要经过完整且准确的理论分析，同时需要结合仿真软件对其采取合理的匹配设计，仿真优化，消除阻抗的不连续性。

弧形引线与引线的焊盘是较为常见的结构，分析处理相对较为简单，对其的研究分析也较为充足。弧形引线在一定的频率范围内主要体现出电感特性，引线的焊盘在一定的频率范围内主要体现出电容特性。而过孔对信号的影响较为复杂，故在此进行详细的分析。

由单过孔模型可知，过孔含有寄生电感和电容，图2为单过孔LC等效模型。模型中C是寄生电容，L是寄生电感，以上L与C均可通过公式计算。

过孔的寄生电容可以通过式（1）计算[1-3]：

式中D1为过孔的焊盘直径，D2为电路板上隔离环的直径，C为过孔寄生电容量，εr1为电路的介电常数，T为电路板的厚度。

同样，过孔也存在串联寄生电感，这个电感的存在可以造成信号传输的不连续，造成信号的反射，也会降低电源旁路电容的有效性，最终会使整个电源供电滤波效果的变差。

上式中，h为过孔高度，L为过孔的寄生电感，d为过孔直径。

由以上公式分析可以得出以下结论，对寄生电感影响最大的是过孔的高度，而过孔的直径对电感的影响相对较小。经过以上理论分析，选用的材料介电常数为9.8，介质损耗为0.01的氧化铝黑瓷。在三维电磁仿真软件中对该三维互连结构进行建模和仿真分析。

图3为表贴管壳端口互连结构仿真模型示意图，该结构上面部分为HTCC 基板，是表贴封装的主体部分，下面部分为印刷电路板，是表贴封装的安装母板;中间层为镀金可伐材料加工的引脚，主要将陶瓷管壳的射频信号和母板微带线相连。经分析，引脚的弧形部分会给端口引入较大的电感量，这样必然带来传输特性的恶化。因此需要引入电容对其进行匹配：在引脚焊盘处加宽带线，引入匹配电容。同理对端口其它部分的阻抗失配进行匹配分析后，利用仿真软件进行仿真匹配设计。经匹配设计后，仿真曲线如图4所示，其回波损耗在DC～20 GHz内均小于-18 dB，插损小于0.5 dB，频率特性满足设计要求。

2  高频表贴管壳的加工与测试

根据仿真模型进行管壳加工，实物如图5所示，对实际加工管壳进行测试，图6为单端口（腔体内部端口接50欧姆负载）测试曲线，在20 GHz以下，其端口驻波小于1.5;图7为直通（端口+50歐姆带线+端口）测试曲线，其插损小于2 dB，除去带线和夹具插损，单端口插损约为0.6 dB，图8为直通测试端口插损测试。从测试结果看，测试和仿真曲线基本吻合，达到管壳设计要求。因此，此管壳可广泛用于频率小于20 GHz的模块电路中，来实现电路的小型化，标准化和表贴化。

3  基于3D表贴管壳进行3D-SIP模块的设计

利用前面所设计的高频表贴管壳，设计一个Ku波段双通道下变频3D-SIP模块，其原理如图9所示。射频频率为16～18 GHz，一本振频率为12～14 GHz，二本振为3.65 GHz，增益为34 dB，数控衰减器的控制方式采用串转并来实现。

基于上述高频管壳，对Ku波段双通道下变频电路进行合理的设计，最终设计出小型化，表贴化的Ku波段双通道变频3D-SIP模块，其体积仅为传统设计方式的5%左右。图10为其外形图，图11～13为部分典型测试曲线，均达到指标要求。此3D-SIP模块的成功设计，验证了通过高频表贴管壳结合3D电路的方式来实现电路的小型化、标准化和表贴化是可行的。

4  可靠性分析

可靠性对任何系统都是非常重要的，可靠性高的系统可以持续稳定工作。由于产品技术性能和结构要求等方面的提高，如今对各类产品可靠性的要求也逐渐提高。产品可靠性水平的高低，不仅关系到产品市场竞争力，更会关系到企业形象，各类军用器件产品的可靠性还会影响到国家国防安全。从整体上讲，产品可靠性贯穿于产品整个的生命周期内，从设计过程到生产环节以及产品的各级管理过程。对本文中上述管壳设计制作完成后，进行了可靠性验证。

将设计完成的管壳依据GJB2438A中的H级产品的考核要求，并且参考了GJB548B中的相关的试验方法与试验条件进行摸底试验，试验的项目及试验的条件如表1所示。试验完成之后对产品进行了高倍的目检以及各类电性能的测试，确认可靠性达到产品使用环境的要求。

经过以上各项可靠性试验后，可以得出设计的3D-SIP管壳的可靠性满足使用要求。

5  结  论

经过分析和仿真，设计完成了一款频率覆盖DC～20GHz带引线的表贴式陶瓷管壳，并基于此管壳成功设计出了一款Ku波段双通道变频3D-SIP模块，体积仅为传统设计方式的5%。因此，通过高频表贴管壳结合3D电路的方式可实现多功能模块的小型化、表贴化和外形标准化。对未来通讯及其他电子系统发展的轻薄化，小型化具有指导意义。

参考文献：

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作者简介：罗建（1981—），男，汉族 ，四川眉山人，工程师，硕士研究生，研究方向：3D-SIP及微系统。