弹上光电复合传输系统的设计与工艺研究

张学进，王 萌，向 超，康美玲，季 飚，孟光韦

(1.上海机电工程研究所，上海，201109；2.上海航天技术研究院，上海，201109)

1 引言

武器装备中信号的传输速率已步入Gbps甚至10Gbps级别。为了保证信号的传输质量，保障装备的技战术指标，在研和预研的各种武器装备都不约而同的选择了光纤作为高速信号的传输介质。弹上光传输系统主要有两种实现方式：总线式和交换式。

总线式主要采用FC-AE-1553总线。和ASM、传统1553B的技术对比，有如下5点优势。1、G比特的带宽满足大数据传输的要求；2、主从式协议，保证信息交付、延时可确定，符合军工等高可靠领域对强实时的要求；3、基于光纤传输对电磁干扰的天生免疫力，所以在抗干扰方面有铜缆不可比拟的优势。4、光纤体积小、重量轻，同一飞行器上，使用光纤和使用铜缆，重量比是1：8，线缆重量节省了，就可以放更多的实验仪器或其他载荷；5、FC-AE-1553可以平滑兼容传统1553B，不像ASM那样需要另行开发顶层协议，提高了可靠性，同时也避免了以前的传统1553B设备的浪费。

总线式采用PON光网络，主要采用PON光模块和光无源分路技术。单纤双向传输，光网络通道数少，但是光模块和分路光网络实现比较难。主要应用于多舱段的大型武器。

交换式主要采用多通道并行光模块实现点对点连接。优点是光模块简单，实时带宽很大，光缆网制作简单。但是，如果工作单元较多，会导致总口光纤通道数很多。在灰尘敏感的脱插位置，光纤环境"免疫"处理难度加大。

扩束是采用自聚焦透镜将光纤端面的光斑变成扩大的平行光束，在另一端再用透镜将平行光耦合回到光纤中。该方案将光斑面积扩大，降低光纤对灰尘的敏感程度。总体来说，成本较有源缆方案低。但是本质上还是光对接。

有源缆方案是在连接器内部集成光电转换功能，使连接器对接端面为电连接，彻底解决灰尘敏感问题。而且，客户不用改变设备内部的设计即可实现升级。

2 研究内容

2.1 目标

实现LVDS信号的光纤传输，使其具有低功耗、高密度、远传输以及抗干扰等优点，能够实现LVDS信号的光纤传输功能。

2.2 研究范围

信号光电/电光转换电路高度集成在连接器插头中，将插头和光缆封装成密封的整体，连接界面通过电接触件实现，整套组件中没有光纤连接界面，从根本上杜绝了光污染的问题，可显著提高光网络传输的可靠性。

2.3 研究内容

设备和设备之间通过有源连接器互连，内部实现有源光电转换和其它低频信号的传输；设备之间通过有源连接器实现信号互连。设备之间的互连全部采用有源的连接方案，实现电接口-光传输，即可保证高速信号的可靠传输也可以避免光接口易污染的问题，并大幅减轻系统电缆的重量。

3 光电复合缆关键技术及实施途径

有源缆分为发射组件和接收组件。

构皮滩水电站库区某边坡出现村民民房开裂、路面塌陷等不良地质现象，受乌江公司委托，我单位对不良地质灾害进行勘察，对边坡稳定性进行分析评价，并提出治理措施。

发射组件完成电信号转光信号传输，由激光器、激光器驱动电路及外围电路组成，带有电输入接口(表现为连接器的电接触件，至少一对差分引脚，一个电源引脚，一个地引脚)，以及光输出接口。

接收组件完成光信号转电信号传输，由探测器、限幅放大电路及外围电路组成，同样带有电接口和光输入接口。

1)裸芯片电路设计及光学子装配结构设计技术

要在连接器壳体的狭小空间内实现信号处理及多路光电转换功能，必须采用裸芯片设计电路。裸芯片的电路设计完全不同于常规封装芯片的电路设计，特别是高速信号电路的设计。裸芯片与印制板布线的互联可以采用金丝键合或者倒装焊工艺。金丝键合是明显的阻抗不连续点，不加处理将造成高速信号眼图劣化，需要进行复杂的阻抗补偿电路设计。倒装焊虽然阻抗较容易控制，但是芯片热量无法通过基板有效散发，影响电路的高温工作性能。对于封装好的芯片，供应商已完成了阻抗补偿设计，并且提供有较为完善的器件热性能参数，可以方便的利用。一般的芯片供应商不直接提供裸片形式的产品，虽然我们可以通过一些渠道采购，但对于这些芯片的应用，供应商不会提供全面的指导文件。因此，阻抗的补偿、热性能模型等参数都需要我们通过复杂的测试获取。

同样为了缩小体积，有源光缆组件中不可能采用常规的光电转换模块，必须采用与TOSA(ROSA)或蝶形激光器等类似的结构设计，将光器件，如LD、PD、微透镜等进行设计安装，形成光学子装配。虽然在光电子器件方面，最终的光性能参数主要靠工艺保证。但是结构设计也是重要的环节，结构设计要保证便于工艺实施，并尽可能的通过结构设计简化工艺复杂性，降低工艺难度。

图1 光纤通信系统方框图

2)裸芯片电路装配及光学子装配工艺技术

除了常规的粘片(倒装焊)、打线工艺、工序外，军用有源光缆组件还包括光学子装配工艺，工序更多工艺更复杂。常规电子器件的裸芯片装配主要是实现电信号连接，对装配精度等要求不高。而光学子装配工艺除了实现电信号连接外，还要实现光信号的对准。光信号对准所需的精度在μm两级。对于单模激光器和光纤之间，如果对准偏差1μm，光信号的耦合功率将下降70%，并且还要保证在振动、高低温变化等严酷的环境条件下的性能，有很大的工艺难度。

3)电路设计仿真技术

在Gbps以上的系统中，若要信号接口满足相关标准的眼图模板，电路的设计将无法凭借经验进行。而必须通过完善的仿真、计算保障，即使仿真无法严格的保证设计正确，也可以提供一种设计改善的方向。在连接器内部的小空间内，不仅需要考虑信号本身的传输特性，各个信号之间的串扰也是重要的考虑因素，如果没有仿真软件的帮助，实现设计预期基本没有可能。

仿真技术的关键是所用元器件的建模，正确的模型是仿真结果正确前提，也是仿真的技术难点。

4)热设计及仿真技术

初步计算各规划产品的功耗，基本在10w以下。如果选用x号壳体，则产品的温升将超过30℃。当环境温度为40℃，产品外壳温度将超过70℃。如此高的温度使产品无法操作，并且容易烫伤操作人员。因此在采用低功耗设计的基础上，进行有效的热设计、分析，提高散热效率，降低温升，是有源光缆组件的关键技术方面。

技术上最主要的特点是通过K系数补偿法来控制整个工作温度范围内的偏置电流和调制电流，从而反馈控制光功率及消光比稳定。由于激光器P-I曲线的温度特性，在不同温度下，保持相同发光功率及消光比所需的驱动电流均不同，温度越高，所需驱动电流就越大。为了保证模块在-40℃～+85℃温度范围内保持相对稳定的平均光功率以及消光比，必须在不同温度下设置不同的驱动电流值。

目前市场上简单宜行的方式主要有温度查询表补偿法和K系数补偿法。

温度查询表补偿法主要通过寄存器读写控制实现，调试较为简单。但根据其实现原理可知，其需要额外的控制器来实现，即需要在模块内部增加控制器芯片，占用了模块内部印制板面积，不利于小型化设计。

而K系数补偿法，原理架构全部依赖硬件电路实现。设置合理的反馈点电压，当整个工作温度范围内电压变动后，模块芯片内部即可通过负反馈原理实现补偿，保持反馈点电压相对稳定。该方法只需增加外挂电阻，并不需要控制类芯片，可大大减小板上空间。而该方案的难点就是如何选取合适的电阻，从而保证模块在整个工作温度范围(-40～+85℃)内光功率相对稳定。为此，通过对光组件进行高低温筛选，选出性能表现接近的为一组，根据光组件在不同温度条件下的特征参数来选取合理的电阻。最终也可对个别模块的电阻进行微调更换。

4 封装关键技术及实施途径

光电有源接触件封装密度很高，对于元器件的封装尺寸及表面贴装技术带来新的挑战。

1)锡膏材料的选择

图2 Chip尺寸图

图2是光电接触件上用到的0201和01005 Chip电容的尺寸图，Chip电阻的尺寸只有高度方面的微小差异。对于Micro-chip来说，锡膏颗粒直径在很大程度上决定了在印刷过程中的下锡效果。试验结果表明，锡膏的颗粒直径越小，其印刷效果越好。

图3 锡膏颗粒直径分布图

图3是锡膏颗粒直径的分布图，根据颗粒直径的大小及分布，锡膏可以分为1～6#，牌号越高，颗粒直径越小。推荐使用4#以上的锡膏，即颗粒小于40u，同时配合免清洗的助焊剂。

2)印刷参数选择

印刷参数与锡膏颗粒直径，钢网开口设计一样，对于锡膏印刷都起着非常重要的作用，它们是决定印刷效果的三个主要因数。在印刷过程中，在三个因素都将转化为"摩擦力"，对印刷效果产生影响。而摩擦力=锡膏粘度×接触面积，当锡膏的粘度一定时，摩擦力的大小由接触面积决定。锡膏与网孔内壁接触形成向上的摩擦力，对印刷效果起反 ；锡膏与焊盘接触形成向下的摩擦力，对印刷效果有利。当向上的摩擦力大于向下的摩擦力时，印刷效果差，往往出现拉尖或少锡的现象。反之，当向上的摩擦力小于向下的摩擦力时印刷效果较好。

另外锡膏的粘度也不是一成不变的。通过调整印刷参数，可以适当改变锡膏的粘度，从而达到调整印刷效果的目的。锡膏的粘度随温度的降低而增大，为获得较适宜的粘度，需对锡膏使用环境的温度进行控制，一般控制在25±2.5℃的范围内。锡膏的粘度与其运动的角速度成反比。锡膏的粘度与其印刷状态的优劣息息相关，通常可以通过适当调整印刷参数来调节，具体需遵循如下原则：

1)锡膏在钢网上印刷时的截面直径越大，粘度越大，但考虑到锡膏暴露在空气中时间过长会使其品质劣化，通常采用10～15mm锡膏滚动直径。

2)刮刀角度也可以影响到锡膏的粘度。角度越大，粘度越大，通常采用45°或60°两种型号的刮刀。

印刷速度越大，粘度越小。钢网上的锡膏在印刷一段时间后由于吸收了空气中的水气或助焊剂的挥发而造成锡膏粘度变化从而印象印刷效果。除了可以通过适时添加新锡膏改善外，还可以通过适当调整刮刀速度来改善锡膏的粘度，从而改善锡膏的印刷状态。

金丝材键合是指微电子器件中固态电路内部互联线的连接，是把金属丝向芯片上的焊盘处相连接，如图4、图5所示。键合过程通过压力或加热，使接头区产生典型的塑性变形，在键合接头内金属发生原子扩散，使连接面之间达到了产生原子结合力的距离，实现连接。

图4 微组装工艺中金丝键合

图5 高密度金丝键合实物照片

高速数字电路中，金丝键合互连的高频特性的影响非常关键，其焊丝长度、拱高和跨距、焊点位置等参数均对高速信号传输具有很大影响。通过对手动键合设备键合机理和模块封装的整体工艺条件的分析，制定出控制键合拱度和跨距的技术措施。

采用三维电磁场分析软件HFSS和高速电路设计仿真软件Cadence对并行模块中键合互连的电磁特性进行建模分析和仿真，研究键合金丝的空间分布、拱高、跨距的不同所引起的高速信号特性的差异，优化键合的工艺参数。

5 结论

本文针对综合电子相关的光电复合传输系统进行研究，供综合电子设计单位设计参考，具有重要的工程价值。