伍藝龍，呂曉萌，廖 翱，葉永貴

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

引言

微波光子技術(shù)是將傳統(tǒng)的微波毫米波技術(shù)與光子技術(shù)結(jié)合，以解決通信與信息科學(xué)中關(guān)鍵問題的一門交叉技術(shù)[1]。微波光子技術(shù)自20世紀(jì)90年代提出以后，在微波毫米波信號的光學(xué)產(chǎn)生、微波毫米波信號的光域處理、光載射頻（RoF，RF over fiber）信號傳輸?shù)确矫姘l(fā)展迅速，其中光載射頻信號傳輸結(jié)合了微波和光纖通訊的優(yōu)勢，使微波信號在光纖中實(shí)現(xiàn)低損耗、長距離、抗干擾大動態(tài)的信號傳輸，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的微波處理單元與天線間的信號傳送和分配，是微波光子技術(shù)一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域[2]。如何實(shí)現(xiàn)微波光子系統(tǒng)的高集成度、高可靠性，從而拓展微波光子技術(shù)的應(yīng)用范圍，成為目前研究的重點(diǎn)[3-4]。

與傳統(tǒng)使用射頻電纜實(shí)現(xiàn)信號傳輸相比，光纖具有質(zhì)量輕、頻帶寬、傳輸損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。光載射頻傳輸技術(shù)使用光作為信號載波，可使天線與收發(fā)組件、變頻組件、處理機(jī)等系統(tǒng)核心單元在空間上遠(yuǎn)距離分開，實(shí)現(xiàn)一個射頻信號通過多個遠(yuǎn)距離天線發(fā)射，可組建多基站系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、分布式應(yīng)用[5]。在軍事應(yīng)用上，由于天線與核心單元的遠(yuǎn)距離隔離，可使昂貴的核心單元在天線受到反輻射武器攻擊時仍能得到保全；同時，一個射頻信號通過多個遠(yuǎn)距離天線進(jìn)行發(fā)射，也使組建多基站雷達(dá)、立體電子支援和電子對抗系統(tǒng)成為可能[6-7]。典型的光載射頻信號傳輸系統(tǒng)構(gòu)成及信號流如圖1所示，其中光探測組件是光載射頻信號傳輸系統(tǒng)的重要部分。介紹了一種微波光子探測器組件的封裝設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，該組件可完成光載射頻信號的探測與處理，該組件使用混合集成方法，使微波芯片、光子芯片等在同一封裝內(nèi)集成并完成氣密性封裝，具有較高的集成度與可靠性。

圖1 典型的光載射頻信號傳輸系統(tǒng)構(gòu)成及信號流Fig.1 Structure diagram and signal flow of a typical ROF system

1 探測器組件封裝設(shè)計

本文所述探測器組件工作在光載射頻信號傳輸系統(tǒng)接收通道，當(dāng)遠(yuǎn)端天線單元（RAU，remote access unit）接收到射頻信號后，在遠(yuǎn)端單元被處理并進(jìn)行電光轉(zhuǎn)化，形成光載射頻信號，在光纖中傳輸至位于核心單元的探測器組件，由探測器組件將光載射頻信號解調(diào)為射頻信號并進(jìn)行處理，完成射頻信號的接收。受限于系統(tǒng)安裝空間的限制，需提升該探測器組件的集成度，使探測器組件除實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換外，還兼?zhèn)渖漕l放大、均衡功能，同時進(jìn)行5 通道陣列設(shè)計，具體原理框圖如圖2所示。微波光子探測器組件主要包括光電探測器、射頻放大、射頻均衡器、電源模塊等部分。各部分主要功能為：光電探測器用于實(shí)現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，射頻放大和均衡器分別實(shí)現(xiàn)將射頻信號進(jìn)行放大和均衡功能，電源模塊用于系統(tǒng)供電。在信號完整性方面，射頻端口與射頻芯片、射頻芯片之間使用50 Ω 阻抗的微帶線進(jìn)行級聯(lián)。

根據(jù)上級產(chǎn)品需求，該探測器組件的最大尺寸及輸入、輸出端口位置已有明確要求，因此無法選擇業(yè)內(nèi)常見的SMD 封裝[8]、TO 封裝、雙列直插封裝、蝶形封裝及mini-DIL 封裝等，需進(jìn)行定制化封裝設(shè)計。具體設(shè)計思路為：

1）在殼體材料方面，考慮到芯片、入殼光纖與封裝殼體的熱膨脹系數(shù)匹配，避免高低溫工作時產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，選擇可伐合金作為殼體材料[9]。

2）在熱管理方面，該組件的熱量來源主要為探測器芯片、低噪聲放大器芯片工作時產(chǎn)生的熱量，由于這些芯片均為低功耗芯片，所以組件內(nèi)部無需特別進(jìn)行熱沉設(shè)計，使用可伐合金作為殼體材料、芯片使用貼裝方式裝配在殼體上即可。

3）在封裝可靠性方面，考慮到組件的三防性能，殼體進(jìn)行鍍金處理；該組件采用氣密性封裝，射頻端口與光路端口均使用焊接方式裝配，封裝殼體使用激光封焊方式實(shí)現(xiàn)最終封蓋，以提升組件可靠性，避免封裝殼體內(nèi)水汽含量超標(biāo)導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕、金屬遷移等失效[10]。

圖2 探測器組件原理框圖Fig.2 Schematic diagram of detector assembly principle

4）在光纖與探測器芯片耦合方面，通常有兩種耦合方式：直接耦合與透鏡耦合，其中透鏡耦合又分為單透鏡耦合和多透鏡耦合[11]。為提升耦合效率、降低裝配難度，選取直接耦合方式。直接耦合方案的探測器芯片貼裝有兩種方案：臥式貼裝與立式貼裝，如圖3所示。兩種方案均為縮短鍵合金絲跨距以減少級聯(lián)次數(shù)，從而避免射頻損耗增加和波動變大，本方案選取臥式貼裝方案。臥式貼裝方案需使光傳輸路徑發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，故選用斜面透鏡光纖，如圖4所示。

圖3 探測器芯片貼裝方案Fig.3 Bonding scheme of detector chip

圖4 斜面透鏡光纖Fig.4 Optical fiber with oblique lens

2 測器組件工藝實(shí)現(xiàn)

2.1 工藝流程

本文所述探測器組件工藝流程圖如圖5所示。

圖5 工藝流程圖Fig.5 Process flow diagram

2.2 具體工藝過程及要求

1）殼體加工。使用機(jī)械加工方法完成可伐金屬殼體，殼體表面電鍍鎳金。使用玻璃燒結(jié)方法完成低頻供電插針裝配，使用焊接方法完成射頻連接器裝配，低頻供電插針與射頻連接器裝配后具備氣密性。

2）探測器芯片貼裝。使用環(huán)氧導(dǎo)電膠貼裝探測器芯片及芯片附近傳輸線，應(yīng)嚴(yán)格控制貼裝精度，便于后續(xù)探測器芯片與光纖的耦合。

3）引線鍵合。使用超聲熱壓焊方法進(jìn)行探測器芯片與傳輸線的金絲鍵合。

4）光纖耦合。使用專用耦合臺夾持光纖，并將光纖從光路端口伸入殼體，直至光纖的出光面與探測器芯片的感光面臨近。使用探針對探測器芯片加電，并向光纖中輸入光信號，使用電流表測試光生電流。微調(diào)五維調(diào)整臺，移動光纖出光面與探測器芯片感光面的相對位置，直至光生電流到達(dá)最大值。此時進(jìn)行光纖預(yù)固定。

5）光纖尾管焊接。在專用耦合臺上，使用電阻焊設(shè)備的電極對光纖尾管與殼體光路端口進(jìn)行加熱，加熱的同時注入錫鉛焊料，直至焊料填充飽滿。要求光纖尾管焊接后，焊接處具備氣密性。

6）射頻芯片及電源模塊貼裝。使用環(huán)氧導(dǎo)電膠貼裝探測器芯片、電源模塊及附近傳輸線。

7）引線鍵合。使用超聲熱壓焊方法進(jìn)行射頻芯片、傳輸線、電源模塊之間的金絲鍵合。

8）激光封焊。確認(rèn)組件性能滿足要求后，使用激光封焊機(jī)對殼體與蓋板進(jìn)行激光封焊，封焊后進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏以判定氣密性。要求組件氣密性滿足GJB 548B 相關(guān)要求。

9）測試及篩選。根據(jù)組件性能指標(biāo)要求，輸入光信號、輸出微波信號，進(jìn)行測試，并按相關(guān)要求完成篩選試驗。

10）交付。完成組件的標(biāo)示及包裝，并交付用戶。

2.3 關(guān)鍵工藝點(diǎn)

1）射頻引線鍵合

射頻引線鍵合通常使用金絲連接芯片及外圍電路。由于金絲呈現(xiàn)感性，其作用類似于一個串聯(lián)電感，高頻工作產(chǎn)生寄生效應(yīng)，導(dǎo)致高頻響應(yīng)信號幅度下降[12]。在本研究中，為減少寄生參數(shù)，提升高頻性能，采取以下手段：a）將射頻鏈路部分元器件及傳輸線盡量接近裝配，使金絲跨距盡量短；b）使用低弧度焊接，使金絲長度盡量短；c）使用楔形焊進(jìn)行雙絲焊接。

2）光纖耦合及尾管焊接

由于PD 芯片的探測區(qū)域約為直徑20 μm 的圓，單模光纖出射光斑尺寸約為8 μm～11 μm，在光纖與PD 芯片耦合完成后，任何微量的形變均會導(dǎo)致耦合效率降低。因此，應(yīng)盡量直接在耦合臺上進(jìn)行尾管焊接并合理選擇焊接方法，避免因組件移動或焊接熱應(yīng)力導(dǎo)致的光纖與PD 芯片耦合處相對位置移動，從而避免耦合效率降低[13-14]。

3）氣密性封裝

氣密性封裝能夠?qū)⒃骷?、芯片與外界隔絕，避免水汽、腐蝕性氣體帶來的可靠性問題（如電化學(xué)腐蝕、銀遷移等）。氣密性封裝的關(guān)鍵在于對水汽含量的控制，水汽主要源于封裝內(nèi)管殼、電路片、元器件、膠體等吸附的水汽及裝配工作環(huán)境中的水汽[15]。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制如環(huán)氧導(dǎo)電膠、UV膠等易吸附水汽材料的用量，并進(jìn)行充分固化。還應(yīng)嚴(yán)格控制裝配工作環(huán)境中的水汽含量，在封裝前應(yīng)進(jìn)行充分的真空充氮烘烤，以排除封裝中吸附的水汽。

2.4 探測器組件實(shí)測性能指標(biāo)

因探測器組件的微波鏈路部分性能取決于芯片，故本文使用光纖與探測器芯片的耦合效率對探測器組件進(jìn)行性能表征。利用波長為1 310 nm，光功率為372 μW 的光源來測試微波光子探測器組件5 個通道光生電流。測試指標(biāo)如表1所示。從表中可看出光信號較好地轉(zhuǎn)化為電信號后輸出。組件經(jīng)過溫度沖擊（-55 ℃～+85 ℃）后測試，指標(biāo)無明顯變化。產(chǎn)品的最終光電耦合效率在68%～79%之間，滿足總體指標(biāo)需求。

表1 耦合光電流與耦合效率Table1 Coupled photocurrent and efficiency

3 結(jié)論

探測器組件是光載射頻信號傳輸系統(tǒng)的重要部分，本文設(shè)計了一種包含光探測與微波放大功能的探測器組件，并通過混合集成封裝方法實(shí)現(xiàn)了微波芯片與光子芯片在同一封裝內(nèi)的陣列化集成及氣密性封裝。該組件具有較高的集成度與可靠性，該組件的封裝設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法，可用于其他微波光子產(chǎn)品，有助于提升光載射頻傳輸系統(tǒng)的集成度與可靠性。