CN110308328B - 工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估方法及系统，包括以下步骤：S100，构建样件；S200，测量样件在制造过程中产生的工艺级误差，包括钎透率β₁、连接器安装偏差β₂、金丝拱高偏差α₁和金丝键合距离偏差α₂；S300，更换样件，重复上述步骤，得出该样件4个误差源对驻波比的影响。S400，测量评估，首先对误差源进行高斯加权，然后对四个权重归一化，即可得各个误差对驻波比影响的权重分配。与现有技术相比，本发明提供一种测量并评估钎透率偏差、连接器安装偏差和金丝压焊工艺对驻波比影响的方法；对样件的检测快速方便，非侵入式，对样件没有破坏性；对各个误差源进行了高斯加权分配，使这些误差对样件驻波比的影响更加科学客观。

Description

工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量评估方法及系统

技术领域

本发明涉及微波组件组装工艺误差测评技术领域，具体来说是一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估方法及系统。

背景技术

微组装技术具有微型化、高集成、高可靠性的特点，采用微组装技术的微波组件，比一般分离器件电路重量轻10～20倍，体积小4～6倍，性能和无故障试件成倍提升。高密度微波系统作为一种高精密、高性能的全新概念的机-电-磁复杂系统，存在大量的T/R组件、天线、天线罩等结构件，在加工制造过程中，需要焊接、胶接、装配等多道工序，在服役运行过程中，面临暴晒、雨雪、飓风等各种环境，因此，存在许多影响系统性能的不确定因素，包括焊接钎透率偏差、连接器安装偏差、金丝压焊偏差等工艺级误差。钎透率对微波组件的电讯指标有较大影响，若微带板和壳体之间出现钎焊间隙，会导致微波信号阻抗匹配不良、传输损耗加大甚至产生信号谐振；连接器安装间隙会使参数频率漂移、传输损耗增加、可靠性降低等现象；金丝压焊工艺是实现微波多芯片组件电气互连的关键技术，通常都会以一定的拱弧实现芯片与基板、基板与基板间的互连，金丝压焊工艺好坏直接影响到电路的可靠性和稳定性，对电路的微波性能具有很大的影响。驻波比是表示天线和电波匹配程度的参数，材料的驻波比能够反映材料的电性能好坏。因此，准确测量与分析工艺级误差对驻波比的影响，是至关重要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中缺少准确测量与分析工艺级误差对驻波比的影响的技术。

本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：

一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估方法，包括以下步骤：

S100，构建样件；

S200，测量样件在制造过程中产生的工艺级误差，包括钎透率β₁、连接器安装偏差β₂、金丝拱高偏差α₁和金丝键合距离偏差α₂；

采用X光照射测量样件，记录测试得到的钎透率β₁，获取钎透率分布区间；

采用3D扫描仪测量样件连接器，记录测试得到的连接器安装偏差β₂，获取偏差分布区间；

采用3D扫描仪测量金丝，记录测试得到的金丝压焊的金丝拱高偏差α₁，获取偏差分布区间；

采用3D扫描仪测量金丝，记录测试得到的金丝键合位置距离偏差α₂，获取偏差分布区间；

S300，更换样件，重复上述步骤，得出该样件4个误差源对驻波比的影响；

S400，测量评估，

首先对误差源进行高斯加权，加权过程如下：

其中取μ＝0，将所有样件的β₁、β₂、α₁和α₂分别代入上式，可得四个误差的权重分布，然后将四个权重归一化，令

则有

分别用每个样件的β₁、β₂、α₁和α₂取代x_i即可得各个误差对驻波比影响的权重分配。

优选的，所述步骤S200中具体测量方法为：

先用探针台固定样件，并将矢量网络分析仪连接到探针台的探针上加载设定频率的电磁波激励；

然后在样件接受激励时，用矢量网络分析仪测出驻波比γ，记录数据并记录此时的β₁、β₂、α₁和α₂值。

优选的，所述设定频率为10-18GHz。

本发明还提供一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估系统，包括

样件构建模块；

测量模块；测量样件在制造过程中产生的工艺级误差，包括钎透率β₁、连接器安装偏差β₂、金丝拱高偏差α₁和金丝键合距离偏差α₂；

测量评估模块；对误差源进行高斯加权，加权过程如下：

其中取μ＝0，将β₁、β₂、α₁和α₂分别代入上式，可得四个误差的权重分布，为了使权重之和为1，须将这四个权重归一化，令

则有

分别用β₁、β₂、α₁和α₂取代x_i即可得各个误差对驻波比影响的权重分配；

S400，更换样件，重复上述步骤，得出该样件4个误差源对驻波比的影响。

优选的，所述测量模块中具体测量方法为：

先用探针台固定样件，并将矢量网络分析仪连接到探针台的探针上加载设定频率的电磁波激励；

然后在样件接受激励时，用矢量网络分析仪测出驻波比γ，记录数据并记录此时的β₁、β₂、α₁和α₂值。

优选的，所述设定频率为10-18GHz。

本发明的优点在于：

本发明提供一种测量并评估钎透率偏差、连接器安装偏差和金丝压焊工艺对驻波比影响的方法；对各个误差源进行了高斯加权分配，使这些误差对样件驻波比的影响更加科学客观。

使用3D扫描仪测量样件的连接器安装偏差、金丝压焊的拱高和键合，以及使用X光照射来检测样件的钎透率，不采用侵入式测量法，不破坏样件。

附图说明

图1为本发明实施例中样件的结构示意图；

图2为图1的另一视角结构示意图；

图3为本发明实施例中测试系统结构示意图；

图4为本发明仿真实验中钎透率对驻波比的影响曲线图；

图5为本发明仿真实验中钎透率对S21参数的影响曲线图；

图6(a)、图6(b)分别为本发明仿真实验中连接器安装偏差对驻波比和S21参数的影响曲线图；

图7(a)、图7(b)分别为本发明仿真实验中金丝键合距离对驻波比和S21参数的影响曲线图；

图8(a)、图8(b)分别为本发明仿真实验中金丝拱高对驻波比和S21参数的影响曲线图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本实施例提供一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估方法，能够测量钎透率偏差、连接器安装偏差和金丝键合的拱高及键合距离并评估他们对微波系统驻波比的影响，运用光学测量的方法来实现测量，并分析和评估其对材料驻波比的影响，具体步骤如下：

步骤1、构建零件测试样件：

样件结构如图1、图2所示，基板材料为5880，上下表面部分覆铜，微带线1中间部分腐蚀出一条0.1mm的缝隙用金丝2连接。下表面中间部分腐蚀出一条4mm的缝隙，上表面电路和下表面电路之间有金属化孔连接；

步骤2、测量样件在制造过程中产生的工艺级误差，包括钎透率β₁、连接器安装偏差β₂、金丝拱高偏差α₁和金丝键合距离偏差α₂；具体测量方法为：

采用3D扫描仪测量样件，记录测试得到的钎透率β₁，获取钎透率分布区间；

采用3D扫描仪测量样件连接器，记录测试得到的连接器安装偏差β₂，获取偏差分布区间，连接器形貌如图2所示；

采用3D扫描仪测量金丝，记录测试得到的金丝压焊的金丝拱高偏差α₁，获取偏差分布区间，金丝形貌如图3所示；

采用3D扫描仪测量金丝，记录测试得到的金丝键合位置距离偏差α₂，获取偏差分布区间；

用探针台固定样件，并将矢量网络分析仪连接到探针台的探针上加载10-18GHz的电磁波激励，如图4所示；在接受激励时，用矢量网络分析仪测出驻波比γ，记录数据并记录此时的β₁、β₂、α₁和α₂值；

步骤3、更换样件，重复上述步骤，得出该样件四个误差对驻波比的影响；

步骤4、为了评估各个误差源对样件驻波比的影响，对各个误差源进行高斯加权，加权过程如下：

一维高斯函数为：

其中取μ＝0，将所有样件的β₁、β₂、α₁和α₂分别代入上式，可得四个误差的权重分布，为了使权重之和为1，须将这四个权重归一化，令

则有

分别用每个样件的β₁、β₂、α₁和α₂取代x_i即可得各个误差对驻波比影响的权重分配。所以四个误差对驻波比总的加权总误差为g(β₁)β₁+g(β₂)β₂+g(α₁)α₁+g(α₂)α₂。

通过以上获得的各个误差源对驻波比影响的权重，可以有针对性的对相应的工艺进行改进。

以下通过一个仿真实验对上述方法进行详细描述：

1.钎焊率工艺偏差

建立有限元仿真模型，进行相应的参数和输入输出端口设置，设置相应的边界条件和求解类型。

将基板材料设置为5880，上下表面部分覆铜，下表面中间部分腐蚀出一条4mm的缝隙，上表面电路和下表面电路之间有金属化孔连接。设置三种不同形态的焊层，分别为A形焊层、B形焊层和C形焊层，在焊层上挖空洞，将空洞半径设为变量，通过控制半径缩小实现钎透率60％-90％步进10％的扫描分析。采用扫频输入10-18GHz频段的电磁波，输入输出端口设置为集总端口激励，输入输出端口与微带线同宽，上下边界接触基板上下表面电路。在模型外部建一个空气腔，模型与空气腔接触的面设置为辐射边界条件，求解类型设置为模式驱动。

2.连接器安装偏差

将连接器内导体的圆心位置设置为变量，使之在建模方向的X轴正方向上实现0-0.3mm 上步进0.1mm的安装偏差。在模型外部建一个空气腔，模型与空气腔接触的面设置为辐射边界条件，求解类型设置为模式驱动。

选择输入平面，设置为集总端口施加激励，连接器(SMA)与基板安装偏差范围设置为 0.1mm-0.3mm，在10-18GHz频段上对进行连接器(SMA)与基板安装偏差步进0.1mm的扫描分析，得出对应的驻波比曲线及S21参数曲线。

3.金丝压焊偏差

基板材料为5880，上表面部分覆铜，微带线中间部分腐蚀出一条0.1mm的缝隙用金丝连接，图1即为金丝连接部分，图2则是金丝的放大形貌图。基板下表面全部覆铜，上表面电路和下表面电路之间有金属化孔连接。将金丝键合距离和金丝拱高设为变量，实现金丝键合距离0.2-1mm上步进0.4mm和金丝拱高90-150um上步进20um的扫描分析。采用扫频输入10- 18GHz频段的电磁波，输入输出端口，设置为集总端口激励，输入输出端口与微带线同宽，上下边界接触基板上下表面电路。在模型外部建一个空气腔，模型与空气腔接触的面设置为辐射边界条件，求解类型设置为模式驱动。

4.仿真与试验结果分析

将仿真和实验所得的数据整理，利用MATLAB软件对实验数据进行处理，得到10-18GHz 频段上不同钎透率、不同的连接器安装偏差或不同的金丝拱高、金丝键合距离时对应的驻波比和S21参数，将得到的驻波比和S21参数结果分别绘成曲线，观察几个误差源的变化与驻波比和S21参数的关系。

4.1钎透率工艺偏差

将钎透率60％-90％的四种样件固定在探针台上，加载10-18GHz的电磁波激励，得到样件在该频率段上的驻波比和S21参数，在10-18GHz的频率段上每1GHz测量一次，记录实验数据，实验数据如表4-1所示。

选择钎透率为60％的样件在10-18GHz的实验测量结果以散点的形式展现，与仿真结果所得曲线绘制成图4和图5。A、B、C三种形态的焊层仿真结果基本相同，因篇幅限制，只展示A形焊层仿真曲线。由图中结果可知，实验结果与仿真结果接近，说明仿真和试验数据结果的正确性。

表4-1 不同钎透率在10-18GHz频率段的驻波比和S21参数

图4中，A、B、C形焊层在钎透率60％-90％上步进10％时驻波比的变化，从图中可以看出，在10-18GHz频段的电磁波上，随着钎透率在60％-90％的范围内步进10％，驻波比没有随之出现明显变化；且A、B和C三种形式的焊层对驻波比也没有产生显著的影响；同理，从图5中可以看出随着钎透率在60％-90％在范围内步进10％变化时S21参数没有随之出现明显变化；且A、B和C三种形式的焊层对S21参数也没有产生显著的影响。

4.2连接器安装偏差

将连接器安装偏差为0-0.3mm的四种样件固定在探针台上，加载10-18GHz的电磁波激励，得到样件在该频率段上的驻波比和S21参数，在10-18GHz的频率段上每1GHz测量一次，记录实验数据，实验数据如表4-2所示。

实验所得数据，同时仿真结果所绘制的曲线见图6(a)、图6(b)，图中将安装偏差为0.2mm的样件在10-18GHz的量结果以散点的形式展现。由图6(a)、图6(b)所示，实验结果与仿真结果接近，说明仿真和试验数据结果的正确性。

表4-2 不同安装偏差在10-18GHz频率段的驻波比和S21参数

如图6(a)、图6(b)所示，图6(a)、图6(b)分别是在X轴正方向上安装偏差0-0.3mm步进0.1mm时驻波比及S21参数的变化，在10-18GHz频段的电磁波上随着连接器在X轴正方向上安装偏差的增大驻波比也随之增大，也就是说随着连接器在X轴正方向上安装偏差的增大反射损耗随之增大；同理，在10-18GHz频段的电磁波上随着连接器在X轴正方向上安装偏差的增大S21参数比随之减小，也就是说随着连接器在X轴正方向上安装偏差的增大损耗随之增大。

4.3金丝压焊偏差

将连金丝键合距离为0.2-1mm的三种样件固定在探针台上，加载10-18GHz的电磁波激励，得到样件在该频率段上的驻波比和S21参数，在10-18GHz的频率段上每1GHz测量一次，记录实验数据，实验数据如表4-3所示。

选择键合距离为0.2mm，拱高为90um的样件在10-18GHz实验所得数据以散点的形式在图中显示，同时由仿真结果所绘制的曲线见图7(a)、图7(b)。由图中可见，实验结果与仿真结果接近，说明仿真和试验数据结果的正确性。

表4-3 不同金丝键合距离在10-18GHz频率段的驻波比和S21参数

如图7(a)、图7 (b)所示，图7(a)是拱高90um时金丝键合距离0.2-1mm步进0.4mm的情况下驻波比的变化，图7(b)拱高90um时金丝键合距离0.2-1mm步进0.4mm的情况下S21 参数的变化。从图7(a)、图7(b)可以看出，在10-18GHz频段的电磁波上，随着金丝键合距离的增大，驻波比随之增大，S21参数随之减小，也就是说随着金丝键合距离的增大反射损耗随之增大，而且金丝拱高值越大这个趋势越明显。

同上，将连金丝拱高为90-150um的四种样件固定在探针台上，加载10-18GHz的电磁波激励，得到样件在该频率段上的驻波比和S21参数，在10-18GHz的频率段上每1GHz测量一次，记录实验数据，实验数据如表4-3所示。

选择金丝拱高为90um，键合距离为0.2mm的样件在10-18GHz实验所得数据以散点的形式在图中显示，同时由仿真结果所绘制的曲线见图7(a) 、图7(b) 。由图中可见，实验结果与仿真结果接近，说明仿真和试验数据结果的正确性。

图8(a)、图8(b)中，图8(a)是金丝键合距离0.2mm情况下拱高在90-150um步进20um时驻波比的变化，图8(b)是金丝键合距离0.2mm情况下拱高在90-150um步进20um时S21参数的变化。从图8(a)、图8(b)可以看出，在10-18GHz频段的电磁波上，在金丝键合距离 0.6mm和1mm时随着金丝拱高的增大，驻波比随之增大，也就是说在金丝键合距离0.6mm和 1mm时随着金丝拱高的增大，反射损耗随之增大；并且，在金丝键合距离0.2mm时，在14.4- 17GHz时，随着金丝拱高的增大，驻波比也随之增大。在金丝键合距离为0.2mm和0.6mm时， S21参数和金丝拱高之间没有明显关系；但在金丝键合距离1mm时随着金丝拱高的增大，S21 参数随之减小，也就是说在金丝键合距离1mm时随着金丝拱高的增大，损耗随之增大。

总结

在10-18GHz频段的电磁波上，随着钎透率的变化，驻波比和S21参数没有发生明显变化，且不同形式的焊层对驻波比和S21参数也没有产生显著的影响；随着连接器在X轴正方向上安装偏差的增大，驻波比也随之增大，S21参数随之减少，说明随着连接器安装偏差在X 轴正方向上安装偏差的增大，损耗随之增大；随着金丝键合距离的增大，驻波比随之增大， S21参数随之减小，说明随着金丝键合距离的增大，反射损耗随之增大，且金丝拱高值越大这个趋势越明显；在金丝键合距离0.6mm和1mm时随着金丝拱高的增大，驻波比随之增大，说明在金丝键合距离0.6mm和1mm时随着金丝拱高的增大，反射损耗随之增大；并且，在金丝键合距离0.2mm时，在14.4-17GHz时，随着金丝拱高的增大，驻波比也随之增大；在金丝键合距离为0.2mm和0.6mm时，S21参数和金丝拱高之间没有明显关系；但在金丝键合距离1mm 时随着金丝拱高的增大，S21参数随之减小，说明在金丝键合距离1mm时随着金丝拱高的增大，损耗随之增大。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

S100，构建样件；

S200，测量样件在制造过程中产生的工艺级误差分布区间，具体为：

采用X光照射测量样件，记录测试得到的钎透率β₁，获取钎透率分布区间；

采用3D扫描仪测量样件连接器，记录测试得到的连接器安装偏差β₂，获取偏差分布区间；

采用3D扫描仪测量金丝，记录测试得到的金丝压焊的金丝拱高偏差α₁，获取偏差分布区间；

采用3D扫描仪测量金丝，记录测试得到的金丝键合位置距离偏差α₂，获取偏差分布区间；

S300，更换样件，重复上述步骤，得出该样件4个误差源对驻波比的影响；

S400，测量评估，

首先对误差源进行高斯加权，加权过程如下：

其中取μ＝0，将所有样件的β₁、β₂、α₁和α₂分别代入上式，可得四个误差的权重分布，然后将四个权重归一化，令

则有

分别用每个样件的β₁、β₂、α₁和α₂取代x_i即可得各个误差对驻波比影响的权重分配；

所述步骤S200中具体测量方法为：

先用探针台固定样件，并将矢量网络分析仪连接到探针台的探针上加载设定频率的电磁波激励；

然后在样件接受激励时，用矢量网络分析仪测出驻波比γ，记录数据并记录此时的β₁、β₂、α₁和α₂值。

2.根据权利要求1所述的一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估方法，其特征在于：所述设定频率为10-18GHz。

3.一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估系统，其特征在于：包括

样件构建模块；

测量模块；测量样件在制造过程中产生的工艺级误差，包括钎透率β₁、连接器安装偏差β₂、金丝拱高偏差α₁和金丝键合距离偏差α₂；

更换样件，重复测量步骤，得出该样件4个误差源对驻波比的影响；

测量评估模块；对误差源进行高斯加权，加权过程如下：

其中取μ＝0，将β₁、β₂、α₁和α₂分别代入上式，可得四个误差的权重分布，为了使权重之和为1，须将这四个权重归一化，令

则有

分别用β₁、β₂、α₁和α₂取代x_i即可得各个误差对驻波比影响的权重分配；

所述测量模块中具体测量方法为：

先用探针台固定样件，并将矢量网络分析仪连接到探针台的探针上加载设定频率的电磁波激励；

然后在样件接受激励时，用矢量网络分析仪测出驻波比γ，记录数据并记录此时的β₁、β₂、α₁和α₂值。

4.根据权利要求3所述的一种工艺级误差对微波系统驻波比影响的测量及评估系统，其特征在于：所述设定频率为10-18GHz。

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