带状线组件与射频连接器的键合过渡结构_杜明.pdf

杜明.带状线组件与射频连接器的键合过渡结构J.电波科学学报，2023，38（1）：137-141.DOI:10.12265/j.cjors.2022018DU M.Transition between strip-line module and RF connector by bondingJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：137-141.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022018带状线组件与射频连接器的键合过渡结构杜明*（中国西南电子技术研究所,成都 610036）摘要 提出了一种带状线组件与射频连接器的键合过渡结构，采用地-信号-地（ground signal ground,GSG）键合方式以及板内垂直互连成功实现了带状线与射频连接器的过渡，同时对此过渡结构尤其是射频连接器键合台面的特性阻抗进行了理论研究，并采用类比法给出了其特性阻抗公式.为了验证研究结论，对此过渡结构的背靠背形式以及射频连接器进行了加工、测试.测试结果表明，在 0.540 GHz 频带内，该过渡结构具有良好的驻波以及传输特性.关键词过渡结构；键合；带状线；地-信号-地（GSG）；射频连接器中图分类号TN811+.2文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0137-05DOI 10.12265/j.cjors.2022018Transition between strip-line module and RF connector by bondingDU Ming*（Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China）AbstractA transition structure between strip-line module and radio frequency(RF)connector is achieved byground signal ground(GSG)bonding wires and vertical transition in printed circuit board(PCB).At the same time,thetheory of the transition structure,especially the characteristic impedance of the bonding desk is researched,and thecharacteristic impedance of the bonding desk is provided by analogy method.At last,the back-to-back transitionstructure and the RF connector are fabricated and measured.The measured results show that the transition structure hasa wide impedance bandwidth and low transmission loss from 0.5 to 40 GHz.Keywordstransition structure；bonding；strip line；ground signal ground(GSG)；radio frequency(RF)connector 引言在典型的射频组件中，裸芯片装配并互连到印制板上，射频连接器装配在射频组件的壳体上并与印制板进行互连，从而实现射频组件内外射频信号的传输.传统射频连接器与印制板大多采用焊接方式1-6，即射频连接器各针脚焊接到印制板上实现射频互连，众多学者对这种互连方式进行了理论研究和应用.2017 年，李海岸等人1对毫米波转微带射频连接器进行了仿真与测试研究，射频连接器信号针焊接在微带线上，采用多目标优化算法，在 040 GHz频带内实现了电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)1.06.2019 年，宋凯旋等人2对射频连接器与微带线组件焊接过渡阻抗补偿进行了研究，射频连接器采用地-信号-地(ground signal ground，GSG)焊接方式，焊接到印制板上，采用接地板开槽等补偿手 段，在 0 12 GHz 频 带 内 实 现 了|S11|10 dB.2020 年，李曦等人3在一种机载超宽带相控阵雷达T/R 组件的设计中，在集合口使用了焊接方式的 SMA射频连接器.然而，这种焊接互连方式存在一定的可靠性风险，这是由于印制板与射频组件壳体的热膨胀系数往往存在差异，而焊接又属于硬性连接，因此，在高低温环境下，焊点处存在热应力.此外，其装配过程需先焊接射频连接器后进行针脚的二次焊接，装配流程较为繁琐.收稿日期：2022-01-24通信作者：杜明 E-mail:mingdu_ 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 相比微带线，带状线具有更好的电磁屏蔽特性，在多层电路工艺飞速发展的今天，例如 PCB 混压、低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)、高温共烧陶瓷(high temperature co-fired ceramic,HTCC)等工艺，其使用率越来越高7-9.基于上述考虑，本文提出了一种带状线组件与射频连接器的键合过渡结构，采用 GSG 键合方式以及板内垂直互连成功实现了带状线与射频连接器的过渡.由于键合是一种公认可靠的软性互连方式，可以缓冲热应力，同时不需要二次焊接，一定程度上简化了装配流程，因此其可以克服焊接互连方式的缺点.1 过渡结构图 1 所示为过渡结构示意图，射频信号由 50 同轴线经键合台面、金带、带地共面波导(coplanarwaveguide with ground,CPWG)低阻线 1、50 CPWG、CPWG 低阻线 2 以及垂直互连信号孔过渡到 50 带状线.键合台面为 GSG 形式，为保证键合顺利进行，信号针进行了削平处理.采用金带键合可进一步提升过渡的可靠性，也更有利于射频性能的改善.印制板采用 Rogers RO4350B 芯板(介电常数为3.6610 GHz，损耗角正切值为 0.003 710 GHz)与Rogers RO4450F 半固化片(介电常数为 3.5210 GHz，损耗角正切值为 0.004 110 GHz)混压而成，信号孔采用背钻工艺实现.图中各尺寸具体如下：w1=0.24mm，w2=0.6 mm，w3=0.48 mm，w4=0.8 mm，w5=0.3 mm，l1=0.5 mm，l2=0.67 mm，l3=0.28 mm，l4=1 mm，d1=0.2 mm，d2=1 mm，d3=0.4 mm，h1=0.254 mm，h2=0.2 mm，h3=0.2mm，h4=0.8 mm，金带宽度为 300 m.为避免键合劈刀与射频模块壳体干涉，键合台面长度设置为 0.7mm.地50 带状线屏蔽孔金带信号孔背钻孔50 同轴线50 微带线wwwwwllll低阻线50 CPWG低阻线(a)三维视图(a)3D view(b)俯视图(b)Tview(c)侧视图(c)Side view地50 带状线屏蔽孔金带信号孔背钻孔50 同轴线50 微带线h1h2h3h4d2d3w1w2w3w4w5d1l1l2l3l4低阻线 150 CPWG低阻线 2(a)三维视图(a)3D view(b)俯视图(b)Top view(c)侧视图(c)Side view图 1 过渡结构示意图Fig.1 The structure of the transition 2 过渡原理由于键合线以及过孔具有电感效应，而低阻线具有电容效应，因此，本文过渡结构的电路布局的目的在于，低阻线 1 的电容效应用以抵消键合线的电感效应，低阻线 2 的电容效应用以抵消信号孔的电感效应，从而实现阻抗匹配.这部分原理在文献 10-13中有详细的介绍，本文不再重复研究.由于键合台面电长度较短，若其特性阻抗不为 50 则较难实现宽带匹配，又由于键合台面为非标准 TEM 波传输线，因此本文重点研究如何保证键合台面的特性阻抗为 50.键合台面为非标准 TEM 波传输线，其特性阻抗可根据电磁理论准确计算，但较为复杂，本文根据类比法提供一种简单的估算方法.根据电报方程，TEM 波传输线的特性阻抗可以表示为14ZC=R0+jL0G0+jC0.（1）式中：R0、G0、L0、C0分别为传输线单位长度上的串联 138电波科学学报第 38 卷电阻、并联电导、串联电感和并联电容.对于无耗传输线，式(1)可以简化为ZC=L0C0.（2）由于本文连接器电尺寸很小以及多采用空气介质，损耗较低，因此，无耗近似是一个准确近似，同时可大大简化分析、计算难度，后续分析均采用无耗近似.又因 TEM 波传输线的相速为14vp=1L0C0.（3）vp等于介质光速，根据式(3)和(2)，可得ZC=1vpC0.（4）由式(4)可知，对于一般的均匀介质 TEM 波传输线，求其特性阻抗归根到底为求其单位长度上的并联电容.图 2 所示为同轴线与键合台面类比示意图.可以看出，键合台面可看作由相同内外径、填充介质的同轴线去掉一半的外导体而形成.由于电容的并联关系，键合台面 C0应大致等于此同轴线 C0的一半，根据式(4)可得ZC_键合台面=1vpC0_键合台面=1vpC0_同轴线2=2ZC同轴线.（5）C图 2 同轴线与键合台面类比示意图Fig.2 The comparison between the coaxial cable andthe desk for bonding t=1根据式(5)，键合台面的特性阻抗大致等于此同轴线特性阻抗的 2 倍.为使键合台面的特性阻抗等于 50，此对应的同轴线的特性阻抗应为 25.本文中，考虑实际加工使用(具体原因见第 3 节)，对应同轴线的内导体直径 d1被设置为 0.5 mm，外导体直径d2被设置为 0.8 mm，根据非磁性媒质，情况下的同轴线特性阻抗公式12为ZC_同轴线=60rlnab.（6）rr=1式中：为同轴填充介质的介电常数，本文中为空气介质，；a 为内导体直径，本文中对应 d1；b 为外ZC同轴线=28 导体直径，本文中对应 d2.此时，比较接近上述分析的 25，基本不影响过渡性能.3 仿真与测试结果图 3 所示为图 1 过渡结构的仿真结果.可以看出，此过渡结构在 0.540 GHz 频带内，|S11|15 dB(40 GHz)，|S12|0.8 dB(40 GHz).0.5510152025303540102030400f/GHzS 参数/dB|S11|S12|图 3 过渡结构仿真结果Fig.3 The simulated results of the transition structure 为了验证研究结论，对上述背靠背形式的过渡结构以及射频连接器进行加工、测试.图 4 所示为本文射频连接器结构及装配示意图，连接器分为三个部分，分别为超小型推入式(small subminiature push-on,SSMP)空气接口部分、玻璃烧结部分以及键合台面部分.图中各尺寸具体如下：dc1=0.5 mm，dc2=0.8mm，dc3=1.6 mm，dc4=2.6 mm，dc5=3 mm，dc6=3.3 mm，wc1=2.3 mm，lc1=0.7 mm，lc2=0.5 mm，lc3=1 mm，lc4=2.4 mm，sc1=(dc2dc1)/2=0.15 mm.本文射频连接器的 SSMP 空气接口部分提供对外 50 接口；玻璃烧结部分提供连接器内导体支撑以及实现气密封装，此部分为玻璃介质填充的 50 同轴传输线；键合台面