接地通孔基板对毫米波产品性能影响研究

张 瑜

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

接地通孔基板对毫米波产品性能影响研究

张 瑜

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

接地通孔基板已广泛应用于微波产品中，能够有效提高产品可生产性和一致性。在毫米波频段，针对接地通孔基板带来的芯片与微带线间缝隙大、接地孔对微波性能的影响和键合丝跨度增加对高频特性的影响等问题进行分析，通过仿真软件对结构进行建模仿真，提取并验证了电路拓扑结构。选取毫米波频段的放大器进行装配，测试结果表明，在毫米波频段，可以使用接地通孔基板结合适当的匹配方式，使放大器达到设计的增益值20 dB，端口驻波小于1.4。

毫米波；接地通孔；匹配设计；微波性能

0 引言

近几年，Ka频段在雷达系统中得到了广泛的应用，从而推动了毫米波收发组件的快速发展[1]。由于毫米波的波长较短和雷达性能要求等客观因素的限制[2]，对毫米波T/R组件的体积提出了较为苛刻的要求，给组装工艺设计和实现带来了困难[3]。

接地通孔基板通过实现导通孔的小径化和高精度化，在国内印制板厂家加工中逐渐形成了主流，在PCB中广泛应用。实现成本低、高可靠性，是高速信号最佳传输方式。

将接地通孔基板应用到毫米波产品中，满足了信号的射频传输，适应了毫米波产品的小型化要求，将大幅提高产品的生产效率。本文针对毫米波频段接地通孔基板用高频结构仿真软件建立了三维模型，对毫米波频段组装中键合丝的分布效应进行了仿真，结合高频电路仿真软件，从频域角度对此问题进行了分析和研究，验证了接地通孔基板在毫米波产品中的可行性。

1 接地通孔基板匹配设计

芯片装配到接地通孔基板的焊盘上，需要考虑以下问题：首先芯片与微带线缝隙比较大，在设计时通常会在焊盘和微带线间留有0.15～0.2 mm的距离；并且芯片和微带线之间会存在一定的高度差，由此会使键合金丝在跨距和高度上有所增加，键合金丝的感性对高频影响是需要分析的[4]。另外，芯片装配到电路板上，对射频性能的影响也将在本文中论证。

随着频率的升高，键合金丝的寄生效应越来越明显[5]，因此，在毫米波频段对键合金丝的分析和优化设计非常重要。通常情况下，微带线之间的键合线等效电路模型可以简单地用并联电容C1、串联电阻R、串联电感L和并联电容C2组成的低通滤波器网络表示，如图1所示。该模型中起主要作用的是键合线的串联电感L，而并联电容C1、C2很小，可以用开路短截线近似求得[6]。

图1 键合线等效电路

对于自由空间中长度为l、直径为d的圆形键合线，其电感L0和串联电阻R可分别表示为：

式中，μ0为空气介质的磁导率(μ0=4π×10-7H/m)；μr和ρ分别为键合线材料的相对磁导率和电阻率；ds为键合线的趋肤深度[7]。

为了在一定频率范围内补偿串联电感的作用，一种办法是适当增加键合传输线的宽度，以提高并联电容[8]。本文采用了较为简单的T型匹配技术对键合线结构匹配处理。为验证键合金丝传输线原理，对补偿结构的传输特性进行了仿真。将接地通孔基板进行建模，如图2所示，L1通常设定为0.15～0.2 mm，需要确定的是T型结的长度和宽度。

图2 键合线等效模型

2 仿真分析

2.1 接地通孔密度的影响

对接地通孔基板使用三维仿真软件进行建模[9]，如图3所示。选用5 mil厚的罗杰斯3003基板，在芯片位置上设计与芯片尺寸合适的焊盘，焊盘上设计接地孔，用于形成芯片上射频传输的回路。模型简化为在芯片焊盘上用一段微带线连接，微带线模拟了芯片的高度，使得键合金丝的拱高和跨距都接近于实际的应用环境。对模型进行参数设置后进行分析，仿真结果如图4所示，在所需要的频段内，补偿结构的差损小于0.2 dB，回波损耗小于-30 dB。

图3 接地通孔基板等效模型

图4 仿真结果

改变接地通孔的孔密度，其他条件不变，重新进行计算，仿真结果显示，减少孔密度对电路性能影响不大。在实际电路版图设计中建议在芯片焊盘的四周和中心位置均匀打孔，孔径为0.3 mm，孔间距为0.6 mm。

2.2 键合丝的寄生效应

图4中分别对键合线互联中的主要参数——拱高和跨距进行仿真分析。分2种情况进行比较：① 同金丝直径、同拱高、不同跨距；② 同金丝直径、同跨距、不同拱高。建模时选用了常用且可靠性较高的双根25 μm金丝，固定拱高为150 μm，跨距分别为250 μm、350 μm和450 μm时，模型的微波传输特性如图5(a)所示，从图中可看出，随着跨距的增加，对电路特性影响越大；固定跨距为250 μm，拱高分别为100 μm、150 μm和200 μm时，模型的微波传输特性如图5(b)所示，从图中可看出，拱高越小，对电路特性影响越小。

图5 键合丝寄生效应

2.3 三维模型的场路联合仿真

选用一款毫米波频段的低噪声放大器进行场路联合仿真。将电路板的PCB文件导入到仿真模型里，根据实际情况，设置好板材叠层和过孔的信息，导入后的模型如图6所示。为实现接地通孔，顶层金属厚度需设定为至少35 μm[10]。在软件中设定好电路的激励端口、仿真参数后，进行求解分析。

图6 接地通孔基板三维模型

对于芯片在接地通孔电路板上的建模，建立的模型如图7所示。把芯片模型当成一个黑盒子，在芯片压点位置上画一个pad面，设置成理想边界条件；将电路板表面金属设置成参考地，在芯片压点和参考地之间设置端口，这样就将盘中孔接地效果对芯片性能的影响考虑进去。芯片和微带线间用键合金丝键合，模拟了实际的应用环境。

图7 端口的建立

在工程中添加一个电路设计，将之前仿真好的电路板三维模型导入到设计中，同时导入低噪声放大器的S参数，设置好端口信息，形成一个包含三维模型的电路原理图，如图8所示。

图8 场路联合仿真

对电路进行仿真求解，从结果可以看到，增益在带内平坦度较好，输出驻波小于1.2，输入驻波小于1.3，满足工程使用要求。此时，优化后的w1=0.16mm,w2=1.1mm,L2=0.5mm。

3 装配测试结果

对仿真结果进行验证，在制版厂加工了5mil厚的rogers3003双面板，焊盘采用了接地通孔工艺[11]，PCB设计如图9所示。装配了仿真中使用的低噪声放大器芯片，芯片采用导电胶粘接方式[12]，测试结果如图10所示。

图9 PCB设计

图10 测试结果

从图10中可以看出，放大器的增益、输入驻波、输出驻波能够满足工程应用。在所需频带内，增益平坦度较好，输出驻波小于1.3，输入驻波小于1.4。

4 结束语

本文通过使用仿真软件对毫米波放大器使用接地通孔基板进行建模仿真研究，并对由此方案带来的装配间隙和键合丝长度等问题进行分析，最终验证了该方案的可行性并提出了适当的匹配方式。测试结果表明，使用接地通孔基板的放大器增益值为20dB，端口驻波小于1.4，微波性能较好。对于毫米波相控阵雷达系统，保证各收发通道的幅度和相位一致性非常重要[13]，这与微组装的方式息息相关[14]。采用接地通孔基板的方式可以显著提高组装效率，提高毫米波产品的一致性。毫米波相控阵应用前景广阔[15]，是现代雷达应用发展的重要方向[16]，本文的研究对毫米波相控阵可生产性具有较高的推动意义。

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Study on Influence of Grounding Vias Substrate on Performance of Millimeter Wave Products

ZHANG Yu

(The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

The grounding vias substrate is widely used in millimeter wave product,which can improve production efficiency and consistency.This paper analyzes the problems such as wider gap between the chip and microstrip,influence of grounding vias on microwave performance,influence of increased span of bonding wires on high-frequency characteristics,etc.The structure modeling and simulation is performed by using simulation software,and the circuit topologies are extracted and verified.Finally,the amplifier of millimeter wave is assembled.The test results show that the gain of the amplifier can be up to 20 dB and the VSWR is less than 1.4 by using grounding vias substrate combined with appropriate matching in millimeter wave band.

millimeter wave;grounding vias;matching design;microwave performance

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.12

张瑜.接地通孔基板对毫米波产品性能影响研究[J].无线电工程,2017,47(9):60-63.[ZHANG Yu.Study on Influence of Grounding Vias Substrate on Performance of Millimeter Wave Products[J].Radio Engineering,2017,47(9):60-63.]

TN957

A

1003-3106(2017)09-0063-04

2017-04-11

国家部委基金资助项目。

张 瑜 女，(1983—)，硕士，工程师。主要研究方向：T/R组件、毫米波微波组件。