微波收發(fā)組件中公差設(shè)計(jì)的影響范文

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摘要：微波收發(fā)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(hào)的接收、發(fā)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(fā)展，在保持微波收發(fā)組件的性能不變的情況下需進(jìn)一步地提高其集成度。在高集成度微波收發(fā)組件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)生了部分失效現(xiàn)象，暴露了一些可靠性問(wèn)題，制約了武器裝備的發(fā)展。通過(guò)分析高集成度微波收發(fā)組件的典型失效案例，論述了公差設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品可靠性的重要影響。根據(jù)各種失效原因，提出了相應(yīng)的控制措施，為提高組件的可靠性提供了一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高集成度微波收發(fā)組件；可靠性；公差設(shè)計(jì)；失效原因；控制措施

引言

隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，有源相控陣技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代各種高新武器雷達(dá)裝備中，例如：先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的機(jī)載火控雷達(dá)、遠(yuǎn)程預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)、新一代艦船艦載一體化系統(tǒng)、星載對(duì)地觀測(cè)雷達(dá)和導(dǎo)彈導(dǎo)引頭制導(dǎo)雷達(dá)等，有源相控陣?yán)走_(dá)已經(jīng)成為了現(xiàn)代高新武器裝備先進(jìn)與否的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。收發(fā)組件在各類(lèi)有源相控陣?yán)走_(dá)裝備中實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收和發(fā)射功能，是裝備實(shí)現(xiàn)電控掃描和收/發(fā)的核心部件。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)正在向高機(jī)動(dòng)化、信息化方向發(fā)展，對(duì)各種系統(tǒng)提出了固態(tài)化、高可靠性和小型化的要求。在這種形勢(shì)需求下，高集成度收發(fā)組件得到了大力發(fā)展。應(yīng)用高集成度收發(fā)組件的有源相控陣?yán)走_(dá)與傳統(tǒng)的雷達(dá)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(qiáng)和能快速地適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)條件的變化等特點(diǎn)[2]。高集成度收發(fā)組件作為有源相控陣?yán)走_(dá)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(fā)組件工作原理

收發(fā)組件的工作原理框圖如圖1所示，接收和發(fā)射分時(shí)獨(dú)立工作。穩(wěn)壓電源提供專(zhuān)用集成電路（ASIC：ApplicationSpecificIntegratedCircuit）、驅(qū)放、功放和低噪放的工作電壓。ASIC將信號(hào)機(jī)提供的串聯(lián)控制信號(hào)（DATA、EN和T/R等）進(jìn)行處理后產(chǎn)生并聯(lián)控制信號(hào)（C2、C3、C4和C5等）。在發(fā)射狀態(tài)下，發(fā)射信號(hào)TX由數(shù)控移相器按ASIC提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行移相后，由開(kāi)關(guān)1進(jìn)入發(fā)射支路，經(jīng)驅(qū)放和功放進(jìn)行放大，使輸出功率達(dá)到要求的電平，經(jīng)過(guò)環(huán)形器由天線向空間輻射。在接收狀態(tài)下，天線接收空間輻射的信號(hào)由環(huán)形器輸入到接收支路，經(jīng)限幅器和低噪放進(jìn)行放大，然后由開(kāi)關(guān)1送衰減器和移相器進(jìn)行幅相調(diào)整，最后輸出RX信號(hào)到信號(hào)處理機(jī)[3]。

2高集成度微波收發(fā)組件的特點(diǎn)

高集成度收發(fā)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(chǔ)，利用微電子制造技術(shù)、低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)、芯片微組裝和高集成度封裝技術(shù)等工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)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(yōu)點(diǎn)[4]。核心芯片、微組裝和LTCC微封裝等制造技術(shù)的不斷提高，牽引收發(fā)組件制造技術(shù)快速更新，突出表現(xiàn)在收發(fā)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(fā)組件的外形圖如圖2所示，從圖2中可以看出，該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)封裝一體化，大小與一枚硬幣相近，在該體積內(nèi)共集成了8個(gè)收發(fā)通道，每個(gè)通道均可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收和發(fā)射功能。

3典型的失效案例分析

以某毫米波收發(fā)組件為例，其應(yīng)用環(huán)境為導(dǎo)彈導(dǎo)引頭制導(dǎo)雷達(dá)，在裝機(jī)使用過(guò)程中，發(fā)生多起失效導(dǎo)致整機(jī)工作異常。將失效的組件返回，經(jīng)過(guò)開(kāi)帽后排查，確定故障原因包括：1）四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與PCB包邊之間公差設(shè)計(jì)不良，導(dǎo)致四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與PCB包邊存在短路隱患，在整機(jī)使用過(guò)程中受溫度應(yīng)力的影響，由短路隱患變?yōu)槎搪罚?）ASIC芯片與吸收體之間公差設(shè)計(jì)不良，導(dǎo)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(jī)使用過(guò)程中受溫度應(yīng)力的影響，由短路隱患變?yōu)槎搪贰?/p>

3.1四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與PCB包邊之間公差設(shè)計(jì)不良某用戶反映，在常溫條件下整機(jī)測(cè)試正常，但是在低溫（-55℃）條件下整機(jī)電流異常偏大。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)整機(jī)中某毫米波收發(fā)組件在低溫條件下柵極加電端口（Vg）對(duì)地短路。將故障組件開(kāi)帽后，根據(jù)故障樹(shù)在顯微鏡下進(jìn)行故障定位，發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)電壓傳輸?shù)乃男窘^緣子內(nèi)導(dǎo)體（圓圈內(nèi)）與PCB包邊（電學(xué)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(nèi)導(dǎo)體遠(yuǎn)離PCB包邊，預(yù)留可見(jiàn)的縫隙后，低溫下該加電端口對(duì)地開(kāi)路，恢復(fù)正常。因此，定位該四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與PCB包邊存在短路隱患導(dǎo)致低溫下該組件失效。從圖3中可以看出，發(fā)生短路的四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體（右側(cè)）距PCB包邊比處于同一平面的左側(cè)的內(nèi)導(dǎo)體更近，同時(shí)發(fā)生短路的四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體有一定的偏心，對(duì)四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體偏心角度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。發(fā)生短路的四芯絕緣子偏心角度為4.36°，未發(fā)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(guī)定，即引線偏離平面不可超過(guò)20°。 對(duì)四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與PCB包邊的各相關(guān)尺寸（如圖5所示）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果和設(shè)計(jì)值對(duì)比如表1所示，從表1中可以看出，各尺寸均滿足設(shè)計(jì)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(nèi)導(dǎo)體側(cè)邊與PCB包邊的距離，尺寸C為四芯絕緣子兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體之間的距離，尺寸E為四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體頂端與PCB包邊的距離。通過(guò)以上測(cè)量可知，四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與PCB包邊的各相關(guān)尺寸均在設(shè)計(jì)文件的規(guī)定范圍之內(nèi)，但是均有一定的偏差。這些偏差累積結(jié)合四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體發(fā)生了一定的偏心，共同導(dǎo)致了四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體會(huì)與PCB包邊發(fā)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(fā)生形變，這些形變的綜合作用導(dǎo)致短路隱患變?yōu)槎搪穂6]。

3.2ASIC芯片與吸收體之間公差設(shè)計(jì)不良某用戶反映，在常溫條件下整機(jī)測(cè)試正常，但是在高溫（+70℃）條件下整機(jī)不受控。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)整機(jī)中某毫米波收發(fā)組件在高溫條件下DATA信號(hào)端口為高電平，正常應(yīng)為低電平。該組件開(kāi)帽后，根據(jù)故障樹(shù)進(jìn)行故障定位，發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)DATA信號(hào)傳輸?shù)慕鸾z與負(fù)責(zé)SEL信號(hào)傳輸?shù)慕鸾z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?yàn)镾EL信號(hào)為高電平，因此，兩者發(fā)生短路時(shí)，DATA信號(hào)端口被拉高上升為高電平。人為將兩根金絲分離，預(yù)留可見(jiàn)的縫隙后，高溫下DATA信號(hào)端口為低電平，恢復(fù)正常。因此，定位DATA信號(hào)金絲和SEL信號(hào)金絲存在短路隱患導(dǎo)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(hào)金絲外，其余2根金絲拱弧處也發(fā)生了扭曲變形。該4根金絲均位于ASIC芯片上方，ASIC芯片區(qū)域剖面結(jié)構(gòu)如圖7所示，蓋板下面貼吸收體，蓋板距離基板設(shè)計(jì)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(jīng)測(cè)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(shè)計(jì)要求。測(cè)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(jīng)觸碰至吸收體。結(jié)合金絲拱弧處發(fā)生扭曲變形，而拱弧處在金絲的最高點(diǎn)，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(fā)生形變，這些形變的綜合作用導(dǎo)致金絲由短路隱患變?yōu)槎搪贰?/p>

4解決措施

將圖5中的尺寸A由原來(lái)的1360μm±100μm增加為1460μm±100μm，可以保證極限公差和四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體偏心10°同時(shí)發(fā)生時(shí)，四芯絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與PCB包邊仍然不會(huì)發(fā)生短路。由于ASIC芯片是低頻硅芯片，不會(huì)向外界輻射電磁波，因此其上方不貼吸收體不會(huì)影響組件的性能。后續(xù)產(chǎn)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(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高集成度微波收發(fā)組件由于公差設(shè)計(jì)存在不足而導(dǎo)致的典型失效案例進(jìn)行了分析，論述了公差設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品可靠性的重要影響。針對(duì)這些失效案例，可以獲得以下幾點(diǎn)啟示：a）在高集成度收發(fā)組件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，對(duì)于尺寸精確度的要求不斷地提高，在尺寸設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)出現(xiàn)失效，條件允許的情況下，可以留一定的余量；b）針對(duì)公差設(shè)計(jì)存在隱患的地方，在裝配工藝文件或圖紙中進(jìn)行標(biāo)注，確保組件裝配后可以達(dá)到設(shè)計(jì)效果；c）組件試驗(yàn)要充分，不僅要關(guān)注各項(xiàng)電性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況，也要關(guān)注結(jié)構(gòu)安裝，保證產(chǎn)品在高低溫或者綜合應(yīng)力條件下仍能正常工作。

參考文獻(xiàn)：

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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