一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，包括：1)確定微波器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性和電磁工作參數(shù)；2)確定空洞的位置坐標(biāo)；3)確定空洞的直徑與高度；4)建立微波器件的電磁分析模型；5)確定饋電端口面的尺寸并設(shè)置電磁計算邊界條件；6)計算微波器件的傳輸性能參數(shù)；7)判斷當(dāng)前的空洞尺寸下，微波器件傳輸性能是否滿足要求，若不滿足要求，根據(jù)上一次的空洞直徑與高度以及當(dāng)前的微波傳輸性能，更新空洞的直徑與高度，直至滿足要求。該方法通過優(yōu)化釬焊空洞的直徑與高度，可以使微波器件的傳輸性能達到工程設(shè)計的指標(biāo)要求，同時可以對空洞尺寸是否滿足工程設(shè)計的指標(biāo)要求，進行快速、有效地判定。
【專利說明】一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波射頻電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影 響的預(yù)測方法，可用于快速、有效地判斷空洞尺寸是否滿足工程指標(biāo)要求，改進微波器件的 焊接工藝，使微波傳輸性能滿足工程指標(biāo)要求。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，毫米波、微米波等微波器件被廣泛應(yīng)用于通信、雷達、 監(jiān)測和導(dǎo)航等眾多領(lǐng)域。隨著電子設(shè)備的發(fā)展日益趨向輕量化與小型化，電子元器件的排 布變得更加密集，這給微波器件的機械加工工藝特別是精密微波器件的焊接工藝帶來了更 大的難度。而微波器件的焊接工藝及特點直接影響著微波信號的傳輸性能，制約著整個微 波器件電性能的實現(xiàn)。
[0003] 在一個高速互連系統(tǒng)中，微波信號流經(jīng)芯片內(nèi)部連線、芯片封裝、PCB板布線通道、 焊盤、焊料、過孔，螺栓等，信號本身的電氣特性使得其在任何傳輸路徑上都有可能存在信 號完整性問題。釬焊連接主要應(yīng)用于微波電路中芯片的底部，將芯片底部的接地焊盤與電 路基板表面進行大面積敷銅，并通過釬焊工藝連接，實現(xiàn)芯片的接地和信號連接。然而，由 于現(xiàn)有工藝的不成熟，釬焊過程中會產(chǎn)生各種各樣的空洞，最具代表性的是圓柱形空洞。在 微波器件的焊接加工過程中，針對釬焊空洞對微波傳輸性能的預(yù)測，更多的是靠工程師的 主觀經(jīng)驗，缺少相關(guān)的理論指導(dǎo)與預(yù)測方法，然而釬焊空洞的出現(xiàn)恰恰對微波傳輸性能的 影響很大。可見，傳統(tǒng)意義上，利用經(jīng)驗方式預(yù)測釬焊空洞對微波傳輸性能的影響往往會導(dǎo) 致嚴重的信號完整性問題，從而制約了微波器件電性能的實現(xiàn)與提高。
[0004] 因此，有必要深入地研究釬焊空洞對微波信號傳輸性能的影響機理，以快速、有效 地評價當(dāng)前釬焊空洞的尺寸是否滿足微波器件的傳輸性能指標(biāo)，對焊接工藝提出指導(dǎo)性意 見，降低釬焊空洞對微波信號傳輸性能的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述釬焊工藝中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種釬焊空洞對微波器 件傳輸性能影響的預(yù)測方法，該方法通過優(yōu)化釬焊空洞的直徑與高度，可以使微波器件的 傳輸性能達到工程設(shè)計的指標(biāo)要求，同時可以對空洞尺寸是否滿足工程設(shè)計的指標(biāo)要求， 進行快速、有效地判定。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法 包括如下步驟：
[0007] (1)根據(jù)微波器件的各組成部分，確定微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料屬性，同時確 定微波器件的電磁工作參數(shù)；
[0008] (2)根據(jù)焊料中空洞的分布，確定空洞的位置坐標(biāo)；
[0009] (3)根據(jù)微波器件的電磁工作參數(shù)，確定空洞的直徑與高度；
[0010] (4)根據(jù)給定的微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性和電磁工作參數(shù)、當(dāng)前的空洞位置 及其直徑與高度，在電磁分析軟件中建立微波器件的電磁分析模型；
[0011] (5)根據(jù)微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁工作參數(shù)，確定饋電端口面的尺寸并設(shè)置電 磁計算邊界條件；
[0012] (6)利用電磁分析軟件計算微波器件的傳輸性能參數(shù)；
[0013] (7)根據(jù)微波器件的傳輸性能指標(biāo)要求，判斷當(dāng)前空洞直徑與高度下計算出的微 波傳輸性能是否滿足要求，如果滿足要求，則當(dāng)前的空洞尺寸可以接受，
[0014] 即是釬焊空洞的最大尺寸；否則，根據(jù)上一次的空洞直徑與高度以及當(dāng)前微波器 件的傳輸性能，更新空洞的直徑與高度，并重復(fù)步驟（3)至步驟（7)，直至滿足要求。
[0015] 進一步地，所述步驟（1)中確定微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括微帶傳輸線、介質(zhì)基 板、釬焊層以及接地外殼的長度、寬度及高度。
[0016] 進一步地，確定微波器件的材料屬性，包括相對介電常數(shù)、相對滲透率以及質(zhì)量密 度。
[0017] 進一步地，確定微波器件的電磁工作參數(shù)，包括微帶傳輸線的電磁工作頻率f與 工作波長。
[0018] 進一步地，所述步驟（2)中空洞的位置坐標(biāo)包括空洞的x方向坐標(biāo)與y方向坐標(biāo)。
[0019] 進一步地，所述步驟（3)中根據(jù)微波器件的電磁工作參數(shù)，確定空洞的直徑與高 度，按照下述方法進行：
[0020] 3a)根據(jù)微波器件的電磁工作頻率，計算出電磁波波長c/f，c 3 108m/s為電磁波 在自由空間的傳播速度，f為微帶傳輸線的電磁工作頻率；
[0021] 3b)設(shè)k為同時更新空洞直徑與高度的次數(shù)，當(dāng)k 1時，取釬焊空洞的初始直徑Dx 1服從于均值為/25,標(biāo)準差為/120正態(tài)分布的隨機數(shù)；
[0022] 3c)取釬焊空洞的初始高度Hx 1服從于均值為h2，標(biāo)準差為/1500正態(tài)分布的隨 機數(shù)。
[0023] 進一步地，所述步驟（5)按照如下過程進行：
[0024] (5a)設(shè)微帶傳輸線的寬度為w4，介質(zhì)基板厚為h，饋電端口面的長為a，饋電端口 面的寬為b，根據(jù)單模傳輸理論，得到饋電端口面的尺寸為 ：
[0025] 10w4 w4 h:
[0026] a
[0027] 5w4w4h: (1)；
[0028] b 6hi
[0029] (5b)設(shè)介質(zhì)基板、釬焊層及接地外殼的長度分別lp 12和13，寬度分別為Wl、w2和 w 3，高度分別為V h2和h3，由電磁傳播理論可知，電磁計算邊界尺寸的長（La)、寬（Wa)、高 (Ha)分別為：
[0030] La Max 11； 12, 13
[0031] ffaMax w1； w2, w3 (2)；
[0032] Ha /4 h: h2 h3
[0033](5c)根據(jù)確定的饋電端口面的尺寸在電磁分析軟件中建立饋電端口；根據(jù)電磁 計算邊界尺寸，在電磁分析軟件中建立電磁計算邊界，并分別將電磁計算邊界的上表面與 四個側(cè)面設(shè)置為電磁輻射邊界，即是電磁計算邊界條件。
[0034] 進一步地，所述步驟（6)中微波器件的傳輸性能參數(shù)為電壓駐波比。
[0035] 進一步地，所述步驟（7)按照下述步驟進行：
[0036] 根據(jù)步驟（6)計算的當(dāng)前空洞直徑與高度下微波器件的傳輸性能參數(shù)，判斷當(dāng)前 空洞尺寸下的微波器件傳輸性能是否滿足指標(biāo)要求；
[0037] (7a)若滿足要求，則接受當(dāng)前的空洞尺寸，即是釬焊空洞的最大尺寸；
[0038] (7b)若不滿足要求，則計算第k1次更新的空洞直徑與第k1次更新的空洞高度 分別為：
[0039] Dx k 1 Dx k Dk (3)
[0040]
[0041] Hx k 1 Hx k Hk
[0042] 其中Dx k與Hx k分別為第k次更新的空洞直徑與第k次更新的空洞高度；Dk與 Hk分別為空洞直徑的更新量與空洞高度的更新量，按如下公式計算：
[0043] Dk vd Dk 1
[0044] Hk vk w P k Q k (4)
[0045] vkl t vk
[0046] 其中，^為空洞直徑的更新速度，其取值為-1/10 ;vk為空洞高度的更新速度， 其初值，即v 1的取值為l;t為退火因子，為[0，1]范圍內(nèi)的均勻隨機數(shù);w為慣性權(quán)值， 其取值為〇. 6 ;P k為第k次計算的微波傳輸性能參數(shù)相對于工程設(shè)計指標(biāo)的歸一化值；

【權(quán)利要求】
1. 一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征在于，該方法包括如下 過程： (1) 根據(jù)微波器件的各組成部分，確定微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料屬性，同時確定微 波器件的電磁工作參數(shù)； (2) 根據(jù)焊料中空洞的分布，確定空洞的位置坐標(biāo)； (3) 根據(jù)微波器件的電磁工作參數(shù)，確定空洞的直徑與高度； (4) 根據(jù)給定的微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性和電磁工作參數(shù)、當(dāng)前的空洞位置及其 直徑與高度，在電磁分析軟件中建立微波器件的電磁分析模型； (5) 根據(jù)微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁工作參數(shù)，確定饋電端口面的尺寸并設(shè)置電磁計 算邊界條件； (6) 利用電磁分析軟件計算微波器件的傳輸性能參數(shù)； (7) 根據(jù)微波器件的傳輸性能指標(biāo)要求，判斷當(dāng)前空洞直徑與高度下計算出的微波傳 輸性能是否滿足要求，如果滿足要求，則當(dāng)前的空洞尺寸能夠接受，即是釬焊空洞的最大尺 寸；否則，根據(jù)上一次的空洞直徑與高度以及當(dāng)前微波器件的傳輸性能，更新空洞的直徑與 高度，并重復(fù)步驟（3)至步驟（7)，直至滿足要求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟（1)中確定微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括微帶傳輸線、介質(zhì)基板、釬焊層以及 接地外殼的長度、寬度及高度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟（1)中確定微波器件的材料屬性，包括相對介電常數(shù)、相對滲透率以及質(zhì)量 密度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟（1)中確定微波器件的電磁工作參數(shù)，包括微帶傳輸線的電磁工作頻率f與 工作波長λ。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟（2)中空洞的位置坐標(biāo)包括空洞的X方向坐標(biāo)與y方向坐標(biāo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟（3)中根據(jù)微波器件的電磁工作參數(shù)，確定空洞的直徑與高度，按照下述方 法進行： 3a)根據(jù)微波器件的電磁工作頻率，計算出電磁波波長λ=c/f，c= 3X108m/s為電 磁波在自由空間的傳播速度，f為微帶傳輸線的電磁工作頻率； 3b)設(shè)k為同時更新空洞直徑與高度的次數(shù)，當(dāng)k= 1時，取釬焊空洞的初始直徑Dx(1) 服從于均值為λ/25,標(biāo)準差為λ/120正態(tài)分布的隨機數(shù)； 3c)取釬焊空洞的初始高度Hx(I)服從于均值為h2，標(biāo)準差為λ/1500正態(tài)分布的隨 機數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟（5)按照如下過程進行： (5a)設(shè)微帶傳輸線的寬度為W4，介質(zhì)基板厚為Ill，饋電端口面的長為a，饋電端口面的 寬為b，根據(jù)單模傳輸理論，得到饋電端口面的尺寸為：
b=Qhl (5b)設(shè)介質(zhì)基板、釬焊層及接地外殼的長度分別I1U2和I3，寬度分別為Wl、w2和W3，高 度分別為4、h2和h3，由電磁傳播理論可知，電磁計算邊界尺寸的長La、寬Wa、高Ha分別為：
(5c)根據(jù)確定的饋電端口面的尺寸在電磁分析軟件中建立饋電端口；根據(jù)電磁計算 邊界尺寸，在電磁分析軟件中建立電磁計算邊界，并分別將電磁計算邊界的上表面與四個 側(cè)面設(shè)置為電磁輻射邊界，即是電磁計算邊界條件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟￠)中微波器件的傳輸性能參數(shù)為電壓駐波比。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釬焊空洞對微波器件傳輸性能影響的預(yù)測方法，其特征 在于，所述步驟（7)按照下述步驟進行： 根據(jù)步驟（6)計算的當(dāng)前空洞直徑與高度下微波器件的傳輸性能參數(shù)，判斷當(dāng)前空洞 尺寸下的微波器件傳輸性能是否滿足指標(biāo)要求； (7a)若滿足要求，則接受當(dāng)前的空洞尺寸，即是釬焊空洞的最大尺寸； (7b)若不滿足要求，則計算第k+Ι次更新的空洞直徑與第k+Ι次更新的空洞高度分別 為： Dx(k+1) =Dx(k)+Dk (3) Hx(k+1) =Hx(k)+Hk 其中Dx(k)與Hx(k)分別為第k次更新的空洞直徑與第k次更新的空洞高度；Dk與Hk分別為空洞直徑的更新量與空洞高度的更新量，按如下公式計算： Dk=vd ·Dk(I) Hk=vk-w·[P(k)-Q(k) ] (4) Vk+1= t · Vk 其中，Vd為空洞直徑的更新速度；Vk為空洞高度的更新速度；t為退火因子；W為 慣性權(quán)值；p(k)為第k次計算的微波傳輸性能參數(shù)相對于工程設(shè)計指標(biāo)的歸一化值； ,,/ /.V (k) 為第k次更新的空洞高度相對于第一次空洞高度的歸一化值； (7c)設(shè)第k次更新的空洞直徑與第k次更新的空洞高度下，微波傳輸?shù)碾妷厚v波比為V(k)，且工程設(shè)計中電壓駐波比的最大上限值為Vmax，則P(k)為：
【文檔編號】G06F17/50GK104239633SQ201410461969
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】王從思, 彭雪林, 王艷, 康明魁, 王偉, 宋立偉, 李鵬, 陳光達, 李娜, 黃進 申請人:西安電子科技大學(xué)