微波收發組件中公差設計的影響范文

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摘要：微波收發組件作為有源相控陣天線的核心部件，其主要功能包括微波信號的接收、發射和幅度與相位控制。隨著武器裝備向小型化、高集成度化和高可靠方向發展，在保持微波收發組件的性能不變的情況下需進一步地提高其集成度。在高集成度微波收發組件的實現過程中發生了部分失效現象，暴露了一些可靠性問題，制約了武器裝備的發展。通過分析高集成度微波收發組件的典型失效案例，論述了公差設計對于產品可靠性的重要影響。根據各種失效原因，提出了相應的控制措施，為提高組件的可靠性提供了一定的指導。

關鍵詞：高集成度微波收發組件；可靠性；公差設計；失效原因；控制措施

引言

隨著相控陣技術的發展進步，有源相控陣技術被廣泛地應用于現代各種高新武器雷達裝備中，例如：先進戰機的機載火控雷達、遠程預警探測系統、新一代艦船艦載一體化系統、星載對地觀測雷達和導彈導引頭制導雷達等，有源相控陣雷達已經成為了現代高新武器裝備先進與否的一個重要標準[1]。收發組件在各類有源相控陣雷達裝備中實現信號接收和發射功能，是裝備實現電控掃描和收/發的核心部件。現代戰爭正在向高機動化、信息化方向發展，對各種系統提出了固態化、高可靠性和小型化的要求。在這種形勢需求下，高集成度收發組件得到了大力發展。應用高集成度收發組件的有源相控陣雷達與傳統的雷達相比，具有體積重量大幅減小、掃描更靈活、性能更可靠、抗干擾能力更強和能快速地適應戰場條件的變化等特點[2]。高集成度收發組件作為有源相控陣雷達中最為核心的組成部分，影響和制約著武器裝備的主要性能，是提高武器裝備性能功能的核心部件。

1收發組件工作原理

收發組件的工作原理框圖如圖1所示，接收和發射分時獨立工作。穩壓電源提供專用集成電路（ASIC：ApplicationSpecificIntegratedCircuit）、驅放、功放和低噪放的工作電壓。ASIC將信號機提供的串聯控制信號（DATA、EN和T/R等）進行處理后產生并聯控制信號（C2、C3、C4和C5等）。在發射狀態下，發射信號TX由數控移相器按ASIC提供的數據進行移相后，由開關1進入發射支路，經驅放和功放進行放大，使輸出功率達到要求的電平，經過環形器由天線向空間輻射。在接收狀態下，天線接收空間輻射的信號由環形器輸入到接收支路，經限幅器和低噪放進行放大，然后由開關1送衰減器和移相器進行幅相調整，最后輸出RX信號到信號處理機[3]。

2高集成度微波收發組件的特點

高集成度收發組件是以微波毫米波單片集成電路芯片和射頻MEMS芯片等核心芯片為基礎，利用微電子制造技術、低溫共燒陶瓷（LTCC）技術、芯片微組裝和高集成度封裝技術等工藝技術開發的新型集成組件，具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好和成本低等優點[4]。核心芯片、微組裝和LTCC微封裝等制造技術的不斷提高，牽引收發組件制造技術快速更新，突出表現在收發組件體積和重量不斷減小，集成度不斷提升，可靠性不斷提高[5]。某高集成度毫米波八通道收發組件的外形圖如圖2所示，從圖2中可以看出，該產品實現封裝一體化，大小與一枚硬幣相近，在該體積內共集成了8個收發通道，每個通道均可以實現信號接收和發射功能。

3典型的失效案例分析

以某毫米波收發組件為例，其應用環境為導彈導引頭制導雷達，在裝機使用過程中，發生多起失效導致整機工作異常。將失效的組件返回，經過開帽后排查，確定故障原因包括：1）四芯絕緣子內導體與PCB包邊之間公差設計不良，導致四芯絕緣子內導體與PCB包邊存在短路隱患，在整機使用過程中受溫度應力的影響，由短路隱患變為短路；2）ASIC芯片與吸收體之間公差設計不良，導致ASIC芯片上的金絲被吸收體壓趴，金絲之間存在短路隱患，在整機使用過程中受溫度應力的影響，由短路隱患變為短路。

3.1四芯絕緣子內導體與PCB包邊之間公差設計不良某用戶反映，在常溫條件下整機測試正常，但是在低溫（-55℃）條件下整機電流異常偏大。經排查，發現整機中某毫米波收發組件在低溫條件下柵極加電端口（Vg）對地短路。將故障組件開帽后，根據故障樹在顯微鏡下進行故障定位，發現負責電壓傳輸的四芯絕緣子內導體（圓圈內）與PCB包邊（電學接地）近乎短路，在80倍顯微鏡下觀察不到明顯的縫隙，如圖3所示。將該內導體遠離PCB包邊，預留可見的縫隙后，低溫下該加電端口對地開路，恢復正常。因此，定位該四芯絕緣子內導體與PCB包邊存在短路隱患導致低溫下該組件失效。從圖3中可以看出，發生短路的四芯絕緣子內導體（右側）距PCB包邊比處于同一平面的左側的內導體更近，同時發生短路的四芯絕緣子內導體有一定的偏心，對四芯絕緣子內導體偏心角度進行測量，結果如圖4所示。發生短路的四芯絕緣子偏心角度為4.36°，未發生短路的四芯絕緣子偏心角度為1.55°，該角度符合GJB548B方法2009.1的規定，即引線偏離平面不可超過20°。 對四芯絕緣子內導體與PCB包邊的各相關尺寸（如圖5所示）進行測量，測量結果和設計值對比如表1所示，從表1中可以看出，各尺寸均滿足設計要求。在圖5中，尺寸A為PCB“U形”凹槽的距離，尺寸B和D分別為四芯絕緣子內導體側邊與PCB包邊的距離，尺寸C為四芯絕緣子兩個內導體之間的距離，尺寸E為四芯絕緣子內導體頂端與PCB包邊的距離。通過以上測量可知，四芯絕緣子內導體與PCB包邊的各相關尺寸均在設計文件的規定范圍之內，但是均有一定的偏差。這些偏差累積結合四芯絕緣子內導體發生了一定的偏心，共同導致了四芯絕緣子內導體會與PCB包邊發生短路隱患。在常溫條件下，尚未短路；但在低溫條件下，各種材料發生形變，這些形變的綜合作用導致短路隱患變為短路[6]。

3.2ASIC芯片與吸收體之間公差設計不良某用戶反映，在常溫條件下整機測試正常，但是在高溫（+70℃）條件下整機不受控。經排查，發現整機中某毫米波收發組件在高溫條件下DATA信號端口為高電平，正常應為低電平。該組件開帽后，根據故障樹進行故障定位，發現負責DATA信號傳輸的金絲與負責SEL信號傳輸的金絲近乎短路，在80倍顯微鏡下觀察不到明顯的縫隙，如圖6所示。因為SEL信號為高電平，因此，兩者發生短路時，DATA信號端口被拉高上升為高電平。人為將兩根金絲分離，預留可見的縫隙后，高溫下DATA信號端口為低電平，恢復正常。因此，定位DATA信號金絲和SEL信號金絲存在短路隱患導致高溫下該組件失效。觀察圖6所示的4根金絲的形貌可以看出，除了DATA和SEL信號金絲外，其余2根金絲拱弧處也發生了扭曲變形。該4根金絲均位于ASIC芯片上方，ASIC芯片區域剖面結構如圖7所示，蓋板下面貼吸收體，蓋板距離基板設計尺寸為1mm±0.05mm，吸收體的厚度為0.25mm±0.02mm，ASIC芯片的厚度為0.4mm±0.02mm，ASIC芯片底部粘接材料的厚度為0.01mm±0.005mm。該處金絲采用楔形鍵合工藝，金絲鍵合的高度為0.3mm±0.05mm。經測量，該組件蓋板距離基板尺寸為0.98mm，吸收體的厚度為0.28mm、ASIC芯片的厚度為0.41mm，粘接材料的厚度為0.01mm，均符合設計要求。測量變形后的金絲，金絲高度為0.28mm。將以上尺寸累加，金絲已經觸碰至吸收體。結合金絲拱弧處發生扭曲變形，而拱弧處在金絲的最高點，判斷圖6中的4根金絲被吸收體壓趴。在常溫條件下，金絲之間尚有微小的間隙，因此組件電性能正常；而在高溫條件下，各種材料發生形變，這些形變的綜合作用導致金絲由短路隱患變為短路。

4解決措施

將圖5中的尺寸A由原來的1360μm±100μm增加為1460μm±100μm，可以保證極限公差和四芯絕緣子內導體偏心10°同時發生時，四芯絕緣子內導體與PCB包邊仍然不會發生短路。由于ASIC芯片是低頻硅芯片，不會向外界輻射電磁波，因此其上方不貼吸收體不會影響組件的性能。后續產品不在ASIC芯片上方貼吸收體，以消除觸碰金絲的隱患。小蓋板上粘貼吸收體示意圖如圖8所示。

5結束語

本文對高集成度微波收發組件由于公差設計存在不足而導致的典型失效案例進行了分析，論述了公差設計對于產品可靠性的重要影響。針對這些失效案例，可以獲得以下幾點啟示：a）在高集成度收發組件實現過程中，對于尺寸精確度的要求不斷地提高，在尺寸設計時要考慮充分，不僅要考慮到原材料的公差，還要考慮到裝配的公差，保證在各種公差累積的情形下均不會出現失效，條件允許的情況下，可以留一定的余量；b）針對公差設計存在隱患的地方，在裝配工藝文件或圖紙中進行標注，確保組件裝配后可以達到設計效果；c）組件試驗要充分，不僅要關注各項電性能指標的實現情況，也要關注結構安裝，保證產品在高低溫或者綜合應力條件下仍能正常工作。

參考文獻：

[1]葉顯武.艦載相控陣雷達的技術發展與應用[J].現代雷達，2012，34（6）：5-8.

[2]夏琛海，牛寶君.一種高集成機載有源相控陣天線系統[J].現代雷達，2011，33（5）：70-73.

[3]胡明春，周志鵬，嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京：國防工業出版社，2010.

[4]胡仕偉，方圓，錢志宇.基于多層PCB布線的Ku波段TR組件的設計[J].電子與封裝，2013，13（11）：28-32.

[5]戈江娜.基于LTCC基板的Ku波段寬帶八通道T/R組件設計與實現[J].艦船電子對抗，2016，39（2）：74-79.

[6]恩云飛，謝少鋒，何小琦.可靠性物理[M].北京：電子工業出版社，2015.

作者：魏守明 顧江川 張文超 吳小虎 單位：南京電子器件研究所