彈上光電復合傳輸系統的設計與工藝研究

張學進，王 萌，向 超，康美玲，季 飚，孟光韋

(1.上海機電工程研究所，上海，201109；2.上海航天技術研究院，上海，201109)

1 引言

武器裝備中信號的傳輸速率已步入Gbps甚至10Gbps級別。為了保證信號的傳輸質量，保障裝備的技戰術指標，在研和預研的各種武器裝備都不約而同的選擇了光纖作為高速信號的傳輸介質。彈上光傳輸系統主要有兩種實現方式：總線式和交換式。

總線式主要采用FC-AE-1553總線。和ASM、傳統1553B的技術對比，有如下5點優勢。1、G比特的帶寬滿足大數據傳輸的要求；2、主從式協議，保證信息交付、延時可確定，符合軍工等高可靠領域對強實時的要求；3、基于光纖傳輸對電磁干擾的天生免疫力，所以在抗干擾方面有銅纜不可比擬的優勢。4、光纖體積小、重量輕，同一飛行器上，使用光纖和使用銅纜，重量比是1：8，線纜重量節省了，就可以放更多的實驗儀器或其他載荷；5、FC-AE-1553可以平滑兼容傳統1553B，不像ASM那樣需要另行開發頂層協議，提高了可靠性，同時也避免了以前的傳統1553B設備的浪費。

總線式采用PON光網絡，主要采用PON光模塊和光無源分路技術。單纖雙向傳輸，光網絡通道數少，但是光模塊和分路光網絡實現比較難。主要應用于多艙段的大型武器。

交換式主要采用多通道并行光模塊實現點對點連接。優點是光模塊簡單，實時帶寬很大，光纜網制作簡單。但是，如果工作單元較多，會導致總口光纖通道數很多。在灰塵敏感的脫插位置，光纖環境"免疫"處理難度加大。

擴束是采用自聚焦透鏡將光纖端面的光斑變成擴大的平行光束，在另一端再用透鏡將平行光耦合回到光纖中。該方案將光斑面積擴大，降低光纖對灰塵的敏感程度。總體來說，成本較有源纜方案低。但是本質上還是光對接。

有源纜方案是在連接器內部集成光電轉換功能，使連接器對接端面為電連接，徹底解決灰塵敏感問題。而且，客戶不用改變設備內部的設計即可實現升級。

2 研究內容

2.1 目標

實現LVDS信號的光纖傳輸，使其具有低功耗、高密度、遠傳輸以及抗干擾等優點，能夠實現LVDS信號的光纖傳輸功能。

2.2 研究范圍

信號光電/電光轉換電路高度集成在連接器插頭中，將插頭和光纜封裝成密封的整體，連接界面通過電接觸件實現，整套組件中沒有光纖連接界面，從根本上杜絕了光污染的問題，可顯著提高光網絡傳輸的可靠性。

2.3 研究內容

設備和設備之間通過有源連接器互連，內部實現有源光電轉換和其它低頻信號的傳輸；設備之間通過有源連接器實現信號互連。設備之間的互連全部采用有源的連接方案，實現電接口-光傳輸，即可保證高速信號的可靠傳輸也可以避免光接口易污染的問題，并大幅減輕系統電纜的重量。

3 光電復合纜關鍵技術及實施途徑

有源纜分為發射組件和接收組件。

構皮灘水電站庫區某邊坡出現村民民房開裂、路面塌陷等不良地質現象，受烏江公司委托，我單位對不良地質災害進行勘察，對邊坡穩定性進行分析評價，并提出治理措施。

發射組件完成電信號轉光信號傳輸，由激光器、激光器驅動電路及外圍電路組成，帶有電輸入接口(表現為連接器的電接觸件，至少一對差分引腳，一個電源引腳，一個地引腳)，以及光輸出接口。

接收組件完成光信號轉電信號傳輸，由探測器、限幅放大電路及外圍電路組成，同樣帶有電接口和光輸入接口。

1)裸芯片電路設計及光學子裝配結構設計技術

要在連接器殼體的狹小空間內實現信號處理及多路光電轉換功能，必須采用裸芯片設計電路。裸芯片的電路設計完全不同于常規封裝芯片的電路設計，特別是高速信號電路的設計。裸芯片與印制板布線的互聯可以采用金絲鍵合或者倒裝焊工藝。金絲鍵合是明顯的阻抗不連續點，不加處理將造成高速信號眼圖劣化，需要進行復雜的阻抗補償電路設計。倒裝焊雖然阻抗較容易控制，但是芯片熱量無法通過基板有效散發，影響電路的高溫工作性能。對于封裝好的芯片，供應商已完成了阻抗補償設計，并且提供有較為完善的器件熱性能參數，可以方便的利用。一般的芯片供應商不直接提供裸片形式的產品，雖然我們可以通過一些渠道采購，但對于這些芯片的應用，供應商不會提供全面的指導文件。因此，阻抗的補償、熱性能模型等參數都需要我們通過復雜的測試獲取。

同樣為了縮小體積，有源光纜組件中不可能采用常規的光電轉換模塊，必須采用與TOSA(ROSA)或蝶形激光器等類似的結構設計，將光器件，如LD、PD、微透鏡等進行設計安裝，形成光學子裝配。雖然在光電子器件方面，最終的光性能參數主要靠工藝保證。但是結構設計也是重要的環節，結構設計要保證便于工藝實施，并盡可能的通過結構設計簡化工藝復雜性，降低工藝難度。

圖1 光纖通信系統方框圖

2)裸芯片電路裝配及光學子裝配工藝技術

除了常規的粘片(倒裝焊)、打線工藝、工序外，軍用有源光纜組件還包括光學子裝配工藝，工序更多工藝更復雜。常規電子器件的裸芯片裝配主要是實現電信號連接，對裝配精度等要求不高。而光學子裝配工藝除了實現電信號連接外，還要實現光信號的對準。光信號對準所需的精度在μm兩級。對于單模激光器和光纖之間，如果對準偏差1μm，光信號的耦合功率將下降70%，并且還要保證在振動、高低溫變化等嚴酷的環境條件下的性能，有很大的工藝難度。

3)電路設計仿真技術

在Gbps以上的系統中，若要信號接口滿足相關標準的眼圖模板，電路的設計將無法憑借經驗進行。而必須通過完善的仿真、計算保障，即使仿真無法嚴格的保證設計正確，也可以提供一種設計改善的方向。在連接器內部的小空間內，不僅需要考慮信號本身的傳輸特性，各個信號之間的串擾也是重要的考慮因素，如果沒有仿真軟件的幫助，實現設計預期基本沒有可能。

仿真技術的關鍵是所用元器件的建模，正確的模型是仿真結果正確前提，也是仿真的技術難點。

4)熱設計及仿真技術

初步計算各規劃產品的功耗，基本在10w以下。如果選用x號殼體，則產品的溫升將超過30℃。當環境溫度為40℃，產品外殼溫度將超過70℃。如此高的溫度使產品無法操作，并且容易燙傷操作人員。因此在采用低功耗設計的基礎上，進行有效的熱設計、分析，提高散熱效率，降低溫升，是有源光纜組件的關鍵技術方面。

技術上最主要的特點是通過K系數補償法來控制整個工作溫度范圍內的偏置電流和調制電流，從而反饋控制光功率及消光比穩定。由于激光器P-I曲線的溫度特性，在不同溫度下，保持相同發光功率及消光比所需的驅動電流均不同，溫度越高，所需驅動電流就越大。為了保證模塊在-40℃～+85℃溫度范圍內保持相對穩定的平均光功率以及消光比，必須在不同溫度下設置不同的驅動電流值。

目前市場上簡單宜行的方式主要有溫度查詢表補償法和K系數補償法。

溫度查詢表補償法主要通過寄存器讀寫控制實現，調試較為簡單。但根據其實現原理可知，其需要額外的控制器來實現，即需要在模塊內部增加控制器芯片，占用了模塊內部印制板面積，不利于小型化設計。

而K系數補償法，原理架構全部依賴硬件電路實現。設置合理的反饋點電壓，當整個工作溫度范圍內電壓變動后，模塊芯片內部即可通過負反饋原理實現補償，保持反饋點電壓相對穩定。該方法只需增加外掛電阻，并不需要控制類芯片，可大大減小板上空間。而該方案的難點就是如何選取合適的電阻，從而保證模塊在整個工作溫度范圍(-40～+85℃)內光功率相對穩定。為此，通過對光組件進行高低溫篩選，選出性能表現接近的為一組，根據光組件在不同溫度條件下的特征參數來選取合理的電阻。最終也可對個別模塊的電阻進行微調更換。

4 封裝關鍵技術及實施途徑

光電有源接觸件封裝密度很高，對于元器件的封裝尺寸及表面貼裝技術帶來新的挑戰。

1)錫膏材料的選擇

圖2 Chip尺寸圖

圖2是光電接觸件上用到的0201和01005 Chip電容的尺寸圖，Chip電阻的尺寸只有高度方面的微小差異。對于Micro-chip來說，錫膏顆粒直徑在很大程度上決定了在印刷過程中的下錫效果。試驗結果表明，錫膏的顆粒直徑越小，其印刷效果越好。

圖3 錫膏顆粒直徑分布圖

圖3是錫膏顆粒直徑的分布圖，根據顆粒直徑的大小及分布，錫膏可以分為1～6#，牌號越高，顆粒直徑越小。推薦使用4#以上的錫膏，即顆粒小于40u，同時配合免清洗的助焊劑。

2)印刷參數選擇

印刷參數與錫膏顆粒直徑，鋼網開口設計一樣，對于錫膏印刷都起著非常重要的作用，它們是決定印刷效果的三個主要因數。在印刷過程中，在三個因素都將轉化為"摩擦力"，對印刷效果產生影響。而摩擦力=錫膏粘度×接觸面積，當錫膏的粘度一定時，摩擦力的大小由接觸面積決定。錫膏與網孔內壁接觸形成向上的摩擦力，對印刷效果起反 ；錫膏與焊盤接觸形成向下的摩擦力，對印刷效果有利。當向上的摩擦力大于向下的摩擦力時，印刷效果差，往往出現拉尖或少錫的現象。反之，當向上的摩擦力小于向下的摩擦力時印刷效果較好。

另外錫膏的粘度也不是一成不變的。通過調整印刷參數，可以適當改變錫膏的粘度，從而達到調整印刷效果的目的。錫膏的粘度隨溫度的降低而增大，為獲得較適宜的粘度，需對錫膏使用環境的溫度進行控制，一般控制在25±2.5℃的范圍內。錫膏的粘度與其運動的角速度成反比。錫膏的粘度與其印刷狀態的優劣息息相關，通常可以通過適當調整印刷參數來調節，具體需遵循如下原則：

1)錫膏在鋼網上印刷時的截面直徑越大，粘度越大，但考慮到錫膏暴露在空氣中時間過長會使其品質劣化，通常采用10～15mm錫膏滾動直徑。

2)刮刀角度也可以影響到錫膏的粘度。角度越大，粘度越大，通常采用45°或60°兩種型號的刮刀。

印刷速度越大，粘度越小。鋼網上的錫膏在印刷一段時間后由于吸收了空氣中的水氣或助焊劑的揮發而造成錫膏粘度變化從而印象印刷效果。除了可以通過適時添加新錫膏改善外，還可以通過適當調整刮刀速度來改善錫膏的粘度，從而改善錫膏的印刷狀態。

金絲材鍵合是指微電子器件中固態電路內部互聯線的連接，是把金屬絲向芯片上的焊盤處相連接，如圖4、圖5所示。鍵合過程通過壓力或加熱，使接頭區產生典型的塑性變形，在鍵合接頭內金屬發生原子擴散，使連接面之間達到了產生原子結合力的距離，實現連接。

圖4 微組裝工藝中金絲鍵合

圖5 高密度金絲鍵合實物照片

高速數字電路中，金絲鍵合互連的高頻特性的影響非常關鍵，其焊絲長度、拱高和跨距、焊點位置等參數均對高速信號傳輸具有很大影響。通過對手動鍵合設備鍵合機理和模塊封裝的整體工藝條件的分析，制定出控制鍵合拱度和跨距的技術措施。

采用三維電磁場分析軟件HFSS和高速電路設計仿真軟件Cadence對并行模塊中鍵合互連的電磁特性進行建模分析和仿真，研究鍵合金絲的空間分布、拱高、跨距的不同所引起的高速信號特性的差異，優化鍵合的工藝參數。

5 結論

本文針對綜合電子相關的光電復合傳輸系統進行研究，供綜合電子設計單位設計參考，具有重要的工程價值。