CN104239633B - 一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，包括：1)确定微波器件结构参数、材料属性和电磁工作参数；2)确定空洞的位置坐标；3)确定空洞的直径与高度；4)建立微波器件的电磁分析模型；5)确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件；6)计算微波器件的传输性能参数；7)判断当前的空洞尺寸下，微波器件传输性能是否满足要求，若不满足要求，根据上一次的空洞直径与高度以及当前的微波传输性能，更新空洞的直径与高度，直至满足要求。该方法通过优化钎焊空洞的直径与高度，可以使微波器件的传输性能达到工程设计的指标要求，同时可以对空洞尺寸是否满足工程设计的指标要求，进行快速、有效地判定。

Description

一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法

技术领域

本发明属于微波射频电路技术领域，具体是一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，可用于快速、有效地判断空洞尺寸是否满足工程指标要求，改进微波器件的焊接工艺，使微波传输性能满足工程指标要求。

背景技术

随着电子技术的日益发展，毫米波、微米波等微波器件被广泛应用于通信、雷达、监测和导航等众多领域。随着电子设备的发展日益趋向轻量化与小型化，电子元器件的排布变得更加密集，这给微波器件的机械加工工艺特别是精密微波器件的焊接工艺带来了更大的难度。而微波器件的焊接工艺及特点直接影响着微波信号的传输性能，制约着整个微波器件电性能的实现。

在一个高速互连系统中，微波信号流经芯片内部连线、芯片封装、PCB板布线通道、焊盘、焊料、过孔，螺栓等，信号本身的电气特性使得其在任何传输路径上都有可能存在信号完整性问题。钎焊连接主要应用于微波电路中芯片的底部，将芯片底部的接地焊盘与电路基板表面进行大面积敷铜，并通过钎焊工艺连接，实现芯片的接地和信号连接。然而，由于现有工艺的不成熟，钎焊过程中会产生各种各样的空洞，最具代表性的是圆柱形空洞。在微波器件的焊接加工过程中，针对钎焊空洞对微波传输性能的预测，更多的是靠工程师的主观经验，缺少相关的理论指导与预测方法，然而钎焊空洞的出现恰恰对微波传输性能的影响很大。可见，传统意义上，利用经验方式预测钎焊空洞对微波传输性能的影响往往会导致严重的信号完整性问题，从而制约了微波器件电性能的实现与提高。

因此，有必要深入地研究钎焊空洞对微波信号传输性能的影响机理，以快速、有效地评价当前钎焊空洞的尺寸是否满足微波器件的传输性能指标，对焊接工艺提出指导性意见，降低钎焊空洞对微波信号传输性能的影响。

发明内容

针对上述钎焊工艺中存在的问题，本发明的目的在于提出一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，该方法通过优化钎焊空洞的直径与高度，可以使微波器件的传输性能达到工程设计的指标要求，同时可以对空洞尺寸是否满足工程设计的指标要求，进行快速、有效地判定。

为了实现上述目的，本发明提供的钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法包括如下步骤：

(1)根据微波器件的各组成部分，确定微波器件的结构参数以及材料属性，同时确定微波器件的电磁工作参数；

(2)根据焊料中空洞的分布，确定空洞的位置坐标；

(3)根据微波器件的电磁工作参数，确定空洞的直径与高度；

(4)根据给定的微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数、当前的空洞位置及其直径与高度，在电磁分析软件中建立微波器件的电磁分析模型；

(5)根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件；

(6)利用电磁分析软件计算微波器件的传输性能参数；

(7)根据微波器件的传输性能指标要求，判断当前空洞直径与高度下计算出的微波传输性能是否满足要求，如果满足要求，则当前的空洞尺寸可以接受，即是钎焊空洞的最大尺寸；否则，根据上一次的空洞直径与高度以及当前微波器件的传输性能，更新空洞的直径与高度，并重复步骤(3)至步骤(7)，直至满足要求。

进一步地，所述步骤(1)中确定微波器件的结构参数，包括微带传输线、介质基板、钎焊层以及接地外壳的长度、宽度及高度。

进一步地，确定微波器件的材料属性，包括相对介电常数、相对渗透率以及质量密度。

进一步地，确定微波器件的电磁工作参数，包括微带传输线的电磁工作频率f与工作波长λ。

进一步地，所述步骤(2)中空洞的位置坐标包括空洞的x方向坐标与y方向坐标。

进一步地，所述步骤(3)中根据微波器件的电磁工作参数，确定空洞的直径与高度，按照下述方法进行：

3a)根据微波器件的电磁工作频率，计算出电磁波波长λ＝c/f，c＝3×10⁸m/s为电磁波在自由空间的传播速度，f为微带传输线的电磁工作频率；

3b)设k为同时更新空洞直径与高度的次数，当k＝1时，取钎焊空洞的初始直径Dx(1)服从于均值为λ/25，标准差为λ/120正态分布的随机数；

3c)取钎焊空洞的初始高度Hx(1)服从于均值为h₂，标准差为λ/1500正态分布的随机数。

进一步地，所述步骤(5)按照如下过程进行：

(5a)设微带传输线的宽度为w₄，介质基板厚为h₁，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b，根据单模传输理论，得到馈电端口面的尺寸为：

(5b)设介质基板、钎焊层及接地外壳的长度分别l₁、l₂和l₃，宽度分别为w₁、w₂和w₃，高度分别为h₁、h₂和h₃，由电磁传播理论可知，电磁计算边界尺寸的长(L_a)、宽(W_a)、高(H_a)分别为：

(5c)根据确定的馈电端口面的尺寸在电磁分析软件中建立馈电端口；根据电磁计算边界尺寸，在电磁分析软件中建立电磁计算边界，并分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界，即是电磁计算边界条件。

进一步地，所述步骤(6)中微波器件的传输性能参数为电压驻波比。

进一步地，所述步骤(7)按照下述步骤进行：

根据步骤(6)计算的当前空洞直径与高度下微波器件的传输性能参数，判断当前空洞尺寸下的微波器件传输性能是否满足指标要求；

(7a)若满足要求，则接受当前的空洞尺寸，即是钎焊空洞的最大尺寸；

(7b)若不满足要求，则计算第k+1次更新的空洞直径与第k+1次更新的空洞高度分别为：

其中Dx(k)与Hx(k)分别为第k次更新的空洞直径与第k次更新的空洞高度；Dk与Hk分别为空洞直径的更新量与空洞高度的更新量，按如下公式计算：

其中，v_d为空洞直径的更新速度，其取值为-1/10；v_k为空洞高度的更新速度，其初值，即v(1)的取值为1；t为退火因子，为[0,1]范围内的均匀随机数；w为惯性权值，其取值为0.6；P(k)为第k次计算的微波传输性能参数相对于工程设计指标的归一化值；为第k次更新的空洞高度相对于第一次空洞高度的归一化值；

(7c)设第k次更新的空洞直径与第k次更新的空洞高度下，微波传输的电压驻波比为V(k)，且工程设计中电压驻波比的最大上限值为V_max(即要求V(k)≤V_max)，则P(k)为：

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1.针对微波器件的焊接加工过程中，缺少钎焊空洞对微波器件传输性能影响预测方法的问题，本发明利用迭代公式，根据上一次的空洞直径与高度以及当前微波器件的传输性能，通过优化钎焊空洞的直径与高度，确定了钎焊工艺中可接受的最大钎焊空洞尺寸。因此可以对空洞尺寸是否满足工程设计的指标要求，进行快速、有效地判定，从而实现了微波器件传输性能的提高。传统方法只能根据技术人员的主观经验来定性判断钎焊空洞对微波器件传输性能的影响，缺乏相应的理论指导，而本发明在充分地考虑了钎焊空洞对微波器件传输性能的影响下，快速、有效地对空洞尺寸进行判定，从而避免了现有的主观经验难以实现微波器件高电性能的不足。

2.通过研究焊接工艺过程中出现的钎焊空洞与微波器件传输性能之间的影响关系，不仅为钎焊空洞对微波器件传输性能的影响提供了预测方法，保证了微波器件的电性能实现，同时也为微波器件的焊接工艺提供了重要技术指导。

附图说明

图1是本发明技术方案的流程图。

图2是微波器件的俯视图及尺寸标注图。

图3是微波器件的侧视图以及尺寸标注图。

图4钎焊空洞的位置示意图。

图5是微波器件的电磁分析模型。

图6是电磁计算边界模型。

图7微波器件的馈电端口面的示意图。

图8是设置电磁计算边界条件的示意图。

图2中：1.微带传输线；2.介质基板。

图3中：1.微带传输线；2.介质基板；3.钎焊层；4.接地外壳。

图4中：5.馈电端口的空洞；6.微带线正下方的空洞；7.钎焊层边缘处的空洞。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，具体步骤如下：

步骤一，确定微波器件的结构参数与电磁工作参数

根据微波器件的各组成部分，确定微波器件的结构参数以及材料属性，其中微波器件的结构参数，包括微带传输线、介质基板、钎焊层以及接地外壳的长度、宽度及高度；微波器件的材料属性，包括相对介电常数、相对渗透率以及质量密度；确定微波器件的电磁工作参数，包括微带传输线的电磁工作频率f与工作波长λ。

步骤二，确定空洞的位置坐标

根据焊料中空洞的分布，确定空洞的位置坐标，其中空洞的位置坐标包括空洞的x方向坐标与y方向坐标。

步骤三，确定空洞的直径与高度

根据微波器件的电磁工作参数，计算出微带传输线的波长λ＝c/f，c＝3×10⁸m/s为电磁波在自由空间的传播速度，f为微带传输线的电磁工作频率。确定空洞的直径与高度，设k为同时更新空洞直径与高度的次数，当k＝1时，取钎焊空洞的初始直径Dx(1)为服从于均值为λ/25，标准差为λ/120正态分布的随机数；取钎焊空洞的初始高度Hx(1)为服从于均值为h₂，标准差为λ/1500正态分布的随机数；其中h₂为钎焊层的厚度。

步骤四，建立微波器件的电磁分析模型

根据步骤一中确定的微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数，步骤二中确定的空洞位置坐标以及步骤三中确定的空洞直径与高度，在三维电磁仿真软件中建立微波器件的电磁分析模型。

步骤五，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件

根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件按照如下过程进行：

5.1)设微带传输线的宽度为w₄，介质基板厚为h₁，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b，根据单模传输理论，得到馈电端口面的尺寸为：

5.2)设介质基板、钎焊层及接地外壳的长度分别l₁、l₂和l₃，宽度分别为w₁、w₂和w₃，高度分别为h₁、h₂和h₃，由电磁传播理论可知，电磁计算边界尺寸的长(L_a)、宽(W_a)、高(H_a)分别为：

5.3)根据确定的馈电端口面的尺寸在电磁分析软件中建立馈电端口；根据电磁计算边界尺寸，在电磁分析软件中建立电磁计算边界，并分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界，即是电磁计算边界条件。

步骤六，计算微波器件的传输性能参数

利用三维电磁分析软件，计算当前空洞直径与高度下微波器件的传输性能参数：电压驻波比(VSWR)。

步骤七，判断当前空洞直径与高度下的微波传输性能是否满足要求

7.1)若满足要求，则接受当前的空洞尺寸，即是钎焊空洞的最大尺寸；

7.2)若不满足要求，则计算第k+1次更新的空洞直径与第k+1次更新的空洞高度分别为：

其中Dx(k)与Hx(k)分别为第k次更新的空洞直径与第k次更新的空洞高度；Dk与Hk分别为空洞直径的更新量与空洞高度的更新量，按如下公式计算：

其中，v_d为空洞直径的更新速度，其取值为-1/10；v_k为空洞高度的更新速度，其初值，即v(1)的取值为1；t为退火因子，为[0,1]范围内的均匀随机数；w为惯性权值，其取值为0.6；P(k)代表的是第k次计算的微波传输性能参数相对于工程设计指标的归一化值；为第k次更新的空洞高度相对于第一次空洞高度的归一化值；

7.3)设第k次更新的空洞直径与第k次更新的空洞高度下，微波传输的电压驻波比为V(k)，且工程设计中电压驻波比的最大上限值为V_max(即要求V(k)≤V_max)，则P(k)为：

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.确定微波器件的结构参数与电磁工作参数

本实验以S波段3GHz的有源相控阵天线中的TR组件为例，研究TR组件中高功率放大器底部进行钎焊接地后产生的空洞，其空洞尺寸对微波器件传输性能的影响。为了简化分析，将TR组件中高功率放大器等效为同尺寸下的微波电路基板，钎焊层和接地外壳的长度与宽度和微波电路基板的长度与宽度相等，微带传输线紧贴在电路基板表面，电路基板底部通过钎焊工艺连接到接地外壳。几何模型参数如图2、图3所示，图2中，1为介质基板，2为微带传输线。介质基板的长为20mm，高为15mm。图3中，3为钎焊层，4为接地外壳。

材料属性见表1。并取微波器件的电磁工作频率f为3GHz。

表1微波器件的材料属性

2.确定空洞的位置坐标

根据焊料中空洞的分布，确定空洞的位置坐标。其中空洞主要分布在馈电端口、微带线正下方以及远离微带线的钎焊层边缘位置，微波组件中各个空洞的具体位置如图4所示。图4中，5为馈电端口的空洞，6为微带线正下方的空洞，7为钎焊层边缘处的空洞。

3.确定空洞的直径与高度

根据微波器件的电磁工作频率，计算出电磁波波长λ＝c/f＝100mm，取钎焊空洞的初始直径Dx(1)为服从于均值为4mm，标准差为0.83mm的正态分布的随机数；根据微波器件的结构参数，确定微波器件的钎焊层厚度为0.08mm，取钎焊空洞的初始高度Hx(1)为服从于均值为0.08mm，标准差为0.067mm的正态分布的随机数。

4.建立微波器件的电磁分析模型

根据微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数，以及空洞的位置和空洞的直径与高度，在三维电磁分析软件中建立微波器件的电磁分析模型，如图5所示。

5.确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件

根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸，设微带传输线的宽度为w₄，微波器件的介质基板厚为h₁，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b，根据单模传输理论，得到馈电端口面的尺寸为：

由微波器件的结构参数，如图2、图3所示，可得微带线的宽度w₄＝0.91mm，微波器件的介质基板厚h₁＝0.254mm，由上式可知：a＝9.1mm，b＝1.524mm。

设介质基板、钎焊层及接地外壳的长度分别l₁、l₂和l₃，宽度分别为w₁、w₂和w₃，高度分别为h₁、h₂和h₃，由电磁传播理论可知，电磁计算边界尺寸的长(L_a)、宽(W_a)、高(H_a)分别为：

由确定的结构参数可知，介质基板、钎焊层及接地外壳的长度分别为l₁＝l₂＝l₂＝20mm，宽度分别为w₁＝w₂＝w₃＝15mm，高度分别为h₁＝0.254mm、h₂＝0.08mm、h₃＝0.3mm，据此，由上式可得L_a＝20mm，W_a＝15mm，H_a＝25.634mm。微波器件的电磁计算边界模型如图6所示。

根据确定的馈电端口面的尺寸在电磁分析软件中建立馈电端口，如图7所示；根据电磁计算边界尺寸，在电磁分析软件中建立电磁计算边界，并分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界，即是电磁计算边界条件，如图8所示。

6.计算微波器件的传输性能参数

利用三维电磁分析软件，计算当前钎焊空洞直径与高度下，微波传输性能参数。根据钎焊空洞的初始直径Dx(1)为4mm，初始高度Hx(1)为0.08mm，利用三维电磁分析软件,得出电压驻波比(VSWR)为3.25。

7.最大钎焊空洞尺寸的确定及电性能结果

因为目前钎焊空洞尺寸下的微波器件传输性能不满足工程设计中要求的电压驻波比不大于1.5的指标要求，所以根据式(3)～式(5)更新钎焊空洞的直径与高度并重复计算，经过9次更新，即k＝9时，得到满足微波传输性能指标要求的最大钎焊空洞尺寸为：空洞直径为0.8mm，空洞高度为0.01mm，此时计算出的微波器件的传输性能参数，即电压驻波比为VSWR＝1.32，满足工程设计中要求的电压驻波比不大于1.5的指标要求。这9次更新的空洞直径与高度及相应微波器件电性能结果如表2所示。可见在钎焊空洞的直径为0.8mm，高度为0.01mm下，微波器件的传输性能参数满足了工程设计的指标要求，微波器件的传输性能得到了明显提高。

表2空洞尺寸更新过程及电性能结果

上述仿真实验可以看出，本发明提出的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，在充分地考虑了钎焊空洞对微波器件传输性能的影响下，可以快速、有效地对空洞尺寸进行判定，从而避免了现有的主观经验难以实现微波器件高电性能的不足，确保了微波器件的电性能的实现，同时也为微波器件的焊接工艺提供了重要技术指导。

Claims (8)

1.一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，该方法包括如下过程：

(1)根据微波器件的各组成部分，确定微波器件的结构参数以及材料属性，同时确定微波器件的电磁工作参数；

(2)根据焊料中空洞的分布，确定空洞的位置坐标；

(3)根据微波器件的电磁工作参数，确定空洞的直径与高度；

3a)根据微波器件的电磁工作频率，计算出电磁波波长λ＝c/f，c＝3×10⁸m/s为电磁波在自由空间的传播速度，f为微带传输线的电磁工作频率；

3b)设k为同时更新空洞直径与高度的次数，当k＝1时，取钎焊空洞的初始直径Dx(1)服从于均值为λ/25，标准差为λ/120正态分布的随机数；

3c)取钎焊空洞的初始高度Hx(1)服从于钎焊层高度为h₂，标准差为λ/1500正态分布的随机数；

(4)根据给定的微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数、当前的空洞位置及其直径与高度，在电磁分析软件中建立微波器件的电磁分析模型；

(5)根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件；

(6)利用电磁分析软件计算微波器件的传输性能参数；

(7)根据微波器件的传输性能指标要求，判断当前空洞直径与高度下计算出的微波传输性能是否满足要求，如果满足要求，则当前的空洞尺寸能够接受，即是钎焊空洞的最大尺寸；否则，根据上一次的空洞直径与高度以及当前微波器件的传输性能，更新空洞的直径与高度，并重复步骤(3)至步骤(7)，直至满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中确定微波器件的结构参数，包括微带传输线、介质基板、钎焊层以及接地外壳的长度、宽度及高度。

3.根据权利要求1所述的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中确定微波器件的材料属性，包括相对介电常数、相对渗透率以及质量密度。

4.根据权利要求1所述的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中确定微波器件的电磁工作参数，包括微带传输线的电磁工作频率f与工作波长λ。

5.根据权利要求1所述的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中空洞的位置坐标包括空洞的x方向坐标与y方向坐标。

6.根据权利要求1所述的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，所述步骤(5)按照如下过程进行：

(5a)设微带传输线的宽度为w₄，介质基板高度为h₁，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b，根据单模传输理论，得到馈电端口面的尺寸为：

$\begin{array}{c}a=\left\{\begin{array}{cc}10w_4& w_4\&GreaterEqual;h_1\\ 5w_4& w_4<h_1\end{array}\right.\\ b=6h_1\end{array}---\left(1\right);$

(5b)设介质基板、钎焊层及接地外壳的长度分别l₁、l₂和l₃，宽度分别为w₁、w₂和w₃，高度分别为h₁、h₂和h₃，由电磁传播理论可知，电磁计算边界尺寸的长L_a、宽W_a、高H_a分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_a=Max(l_1,l_2,l_3)\\ W_a=Max(w_1,w_2,w_3)\\ H_a=\mathrm{\&lambda;}/4+h_1+h_2+h_3\end{array}\right.---\left(2\right);$

(5c)根据确定的馈电端口面的尺寸在电磁分析软件中建立馈电端口；根据电磁计算边界尺寸，在电磁分析软件中建立电磁计算边界，并分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界，即是电磁计算边界条件。

7.根据权利要求1所述的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，所述步骤(6)中微波器件的传输性能参数为电压驻波比。

8.根据权利要求1所述的一种钎焊空洞对微波器件传输性能影响的预测方法，其特征在于，所述步骤(7)按照下述步骤进行：

根据步骤(6)计算的当前空洞直径与高度下微波器件的传输性能参数，判断当前空洞尺寸下的微波器件传输性能是否满足指标要求；

(7a)若满足要求，则接受当前的空洞尺寸，即是钎焊空洞的最大尺寸；

(7b)若不满足要求，则计算第k+1次更新的空洞直径与第k+1次更新的空洞高度分别为：

$\begin{array}{c}Dx(k+1)=Dx\left(k\right)+Dk\\ Hx(k+1)=Hx\left(k\right)+Hk\end{array}---\left(3\right)$

其中Dx(k)与Hx(k)分别为第k次更新的空洞直径与第k次更新的空洞高度；Dk与Hk分别为空洞直径的更新量与空洞高度的更新量，按如下公式计算：

$\begin{array}{c}Dk=v_d\&CenterDot;Dk\left(1\right)\\ Hk=v_k-w\&CenterDot;\&lsqb;P\left(k\right)-Q\left(k\right)\&rsqb;\\ v_{k+1}=t\&CenterDot;v_k\end{array}---\left(4\right)$

其中，v_d为空洞直径的更新速度；v_k为空洞高度的更新速度；t为退火因子；w为惯性权值；P(k)为第k次计算的微波传输性能参数相对于工程设计指标的归一化值；为第k次更新的空洞高度相对于第一次空洞高度的归一化值；

(7c)设第k次更新的空洞直径与第k次更新的空洞高度下，微波传输的电压驻波比为V(k)，且工程设计中电压驻波比的最大上限值为V_max，则P(k)为：

$P\left(k\right)=\frac{V\left(k\right)}{V_{\max }}---\left(5\right).$