EHF频段键合线分析

贾世旺,黄笑梅,张中海

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.石家庄市职教中心电子信息部,河北石家庄050000;3.天津警备区司令部,天津300020)

0 引言

随着近年来军事、民用各领域对毫米波技术的迫切需求,推动了毫米波技术的高速发展。EHF频段(30～300 GHz)是继Ka频段后又一个频率更高的毫米波频段,美国的“军事星”上行就工作在此频段。

毫米波频段设备多采用微波单片集成电路(MMIC)实现,金丝键合的方式来实现微波集成电路与集总式电阻、电容等元器件或微带线、共面波导等各种类型微波传输线之间的互连。

随着工作频率的升高,趋肤效应对电路的影响更加明显,键合线分布参数的寄生效应对微波电路的影响越来越大,甚至成为主要因素。由于趋肤深度的减小,键合线的电阻、电感以及电容也随着频率的变化而不同。提取键合线正确的电路参数,建立电路模型对键合线进行分析并优化非常重要。

通过应用仿真软件HFSS,对键合线不同参数情况下的三维物理模型进行电磁场分析,得到准确的S参数。

1 键合线模型

对于键合线的等效模型,在很多文献[1-5]中均有论述。大多数的键合线模型中起主要作用的是串联电感和串联电阻。

等效电路模型可以简单地用并联电容C1、C2,串联电感L和串联电阻R、并联电阻R1、R3组成的低通滤波器网络来表示。该模型中起主要作用的是键合线串联电感L,而并联电容C1、C2很小,并联电阻较大,所以常常忽略并联电容、并联电阻的影响。模型可以简单的化简为一只电感和一只电阻的串联。

1.1 单根键合线模型

键合线最简单的等效模型是等效为电感和电阻的串联[5]。

1.1.1 电感的计算

键合线等效的电感可由式(1)计算得出:

式中,l为键合线的长度(μ m);d为键合线的直径(μ m);C为频率修正系数,与键合线材料的趋肤深度 δ有关;C、δ可分别由式(2)和式(3)求得:

式中,σ为键合线的电导率,对金丝来说 σ为4.09 8×107s/m;μ0为真空磁导率4π×10-7H/m;f为频率(GHz)。根据式(3),金丝键合线的趋肤深度为:

当工作在 44 GHz,直径d=1 mil,长l=10 mil的金线等效的自由空间电感,由式(1)和式(4)可以求得,等效电感值L=0.16 nH;长度l=30 mil的等效电感值为0.64 nH。

1.1.2 电阻的计算

键合线引入的电阻可由式(5)计算得出:

式中,RS为每平方单位的电阻值,考虑到趋肤效应的影响,式(5)可以写为:

从式(6)和式(7)可以看出,键合线等效的电阻和电感值一样是随频率的一个变量。随着频率的升高,趋肤深度减小,导致增大,等效电阻增大。

同样,直径d=1 mil,长l=10 mil的金线键合线,在44 GHz工作频率上串联电阻R=0.006 Ω;长l=30 mil的等效电阻R=0.018 Ω。

1.1.3 键合线的损耗

通过计算可以知道,工作频率为 44 GHz的不同长度的键合线的等效电路的数值相差不大,但在EHF频段带来的影响是十分严重的,可以通过图1更加直观地看到这一点。

图1 不同长度键合线在不同频率的下的损耗

根据式(1)、式(6)和式(7)计算得出的电感、电阻值,可由求出键合线在不同频率,不同长度的情况下的损耗。

单根长度为30 mil、直径为1 mil的金丝键合线在1 GHz时损耗为0.008 dB;10 GHz时损耗为0.65 dB;20GHz时损耗为2.17 dB;30GHz时损耗为3.9 dB;40 GHz时损耗为5.55 dB;45 GHz时损耗为6.31 dB。从结果可以看出键合线的影响在毫米波频段已经不能忽略,特别是在EHF频段。

当长度缩短为10 mil时,随着频率的升高,损耗也逐渐加大,如图1所示。当工作频率小于10 GHz时,键合线的影响可以忽略,当频率到达毫米波频段以后,键合线的影响随着频率的升高而增大,从图1所示的数据就可以明显的看出这种影响。

1.2 多根键合线的模型

在很多的应用场合,为了提供更大的工作电流或者提高电路性能、降低串联电感或提高键合线的可靠性,需要键合多根金丝。

多根键合线可以也可以等效为电感、电阻的串联,电感值应包括键合线自由空间的电感值和键合线之间的互感值,这使得计算更加复杂。

当键合线为2根、键合线间距为s时,等效电感值L′可以用式(8)求得:

式中,Le近似等于单根键合线自由空间的电感值;M2为2根键合线之间的互感,可由式(9)计算得出:

以上电感的计算是基于键合线的2个端点在一个平面上,等间隔的情况。若键合线的2个端点不在一个平面上,则需对以上公式进行修正。

2 计算与仿真分析

建立键合线模型是为了优化其参数,降低键合线的电感值,或通过补偿措施减小键合线对电路的影响。等效模型的具体数值可以应用2种方法获得:一是通过理论公式计算;二是通过相关射频软件仿真。

由于键合线等效模型非常复杂,等效参数不易计算,在实际应用中一般利用软件进行分析。

2.1 等效模型计算

根据等效模型计算公式,可以得出相关的等效参数具体数值。模型的准确性决定了计算数值的精度。键合线等效模型的关键参数是等效的电感值。对于单根键合线可以应用式(1)计算电感值,对于多根键合线的等效电感计算非常复杂,需要考虑键合线之间的互感影响。

键合线等效模型中等效电感值对电路性能影响最大。文献[1]利用等效模型公式,对直径为1 mil的键合线各种参数对电感值的影响进行了分析计算,结果如表1所示。

从结果可以看出:

①对于等长的键合线,多根键合线的等效电感小于单根键合线的等效电感;

②多根键合线之间的间隔越大,等效电感越小,当键合线间隔缩短到4～6倍的键合线直径时,等效电感为单根键合线电感值的1/(n为键合线的根数);

③当键合线间距较大时,等效电感为单根键合线电感值的1/n(n为键合线的根数),造成这种现象的主要原因是当多根键合线间距较小时,键合线的互感作用增强,导致总电感量增大。

表1 键合线各种参数对电感值的影响

2.2 仿真分析

随着CAD技术的发展,仿真软件可以通过时域分析、频域线性与非线性分析、平面电磁场分析、三维电磁场分析等手段对键合线的性能进行分析。Agilent公司的ADS、ANSYS公司的HFSS等软件均具备分析键合线的能力。

ANSYS公司的HFSS是采用有限元法的三维电磁场仿真软件,可以处理任意形状的微波电路和元件结构。HFSS有键合线的模型,在HFSS中建立键合线的实物模型,通过对不同参数的调整,可以进一步了解键合线的影响。

影响键合线性能的物理参数有长度l、拱高h、金丝线径D、微带线间距d和键合线根数。

HFSS建模中采用的基板为Rogers公司的RT/duroid 5880,其相对介电常数为2.2,厚度0.254 mm,特性阻抗50 Ω微带线宽为0.79 mm。

采用键合线直径为1 mil,设定单根金丝键合线结构参数初始值为:单根微带线长l1=5 mm,微带线间距d=0.05 mm,键合线跨距l2=0.15mm,拱高h1=0.1 mm,多根键合线之间的间隔s=0.2 mm。针对不同微带间距、键合线根数n、键合线间距d和拱高h1等参数进行分析并分别计算在EHF频段内的S21参数,S21的值即为键合线的损耗。以下为不同参数的仿真结果:

①长度为15 mil、直径为1 mil的单根金丝键合线在45 GHz时损耗为1.2 dB。并排键合3根同样的线损耗降低为0.16 dB;

②微带线长度为 20 mm,键合线拱高为0.5 mm,工作频率为45 GHz时,损耗为0.78 dB。同样参数的键合线,拱高降低为0.2 mm时,损耗降低为0.23 dB。在实际键合过程中,要考虑被键合的设备在不同温度范围内的热胀冷缩问题,为了增加设备可靠性,键合线要有一定的拱高;

③微带线展宽增加了并联电容C1和C2,从而补偿串联电感的作用,但展宽的宽度和长度需要软件优化,如果展宽不当,会降低电路性能。

图2和图3分别描述键合线根数、拱高2个参数不同时的影响。

图2 键合线根数对电路性能的影响

图3 键合线拱高对电路性能的影响

2.3 规律

公式计算与软件分析的结论是一致的,不同的结构参数都会影响键合线的微波性能,具体规律如下:

①增加键合线的根数可以降低电感值;

②键合线的拱高对电路性能的影响最为敏感,拱高越低,等效电感越小,电路性能越好;

③微带线的间隔大小(即金丝的长短)对电路影响较小,在实际操作中间隔越小越好;

④应用多根键合线时,线与线之间的间隔越大越好,增大间隔可以有效的降低键合线之间的互感,提高电路性能;

⑤展宽微带线终端宽度,可改善电路性能。

为了减小电路中键合线的影响,采取适当措施降低键合线的电感值,补偿对电路的影响。为了补偿串联电感、电阻的作用,一种办法是适当增加键合处传输线的宽度以提高并联电容;另一种办法是增加键合线的数量,降低串联电感值。采用优化翼长的微带线终端展宽结构结合2～3根键合线是键合线优化设计的最佳选择。

3 实物验证

为了验证模型分析及仿真的结论,加工了测试盒体,盒体外形结构为21 mm×18 mm×8 mm。印制板长为17 mm的RT/duroid 5880基板。

图4为单根键合线、3根键合线、3根键合线(展宽微带线)与软件仿真3根键合线(展宽微带线)结果的对比。

图4 实物测试结果与仿真结果比较

软件仿真的插入损耗结果为0.1 dB左右。最终实物测试结果:3根键合线1插入损耗为0.8 dB、3根键合线2(展宽微带线)插入损耗为0.45 dB、单根键合线1.5 dB左右。

测试结果表明:微带线展宽,其他参数相同的情况下,损耗要小于微带线未展宽的情况;多根键合线的损耗要小于单根键合线的损耗。

实测结果损耗比仿真结果大0.3～0.5 dB左右,且带内幅频特性要差一些。分析主要原因有:①在仿真时未考虑盒体的输入、输出接头的损耗;②测试盒输入、输出采用玻璃绝缘子粘接,玻璃绝缘子也会带来一定的损耗,一般单只玻璃绝缘子在40 GHz的损耗为0.1 dB左右。如果考虑以上因素,实测结果与仿真结果还是比较一致的。带内幅频特性波动较大主要是由于玻璃绝缘子的装配误差导致端口驻波变差导致。

4 结束语

金丝键合作为毫米波设备加工过程的关键工序,键合线有很多的应用场合,例如传输线之间的键合、传输线与芯片之间的键合以及芯片之间的键合等等,不同的应用可能带来的影响也不尽相同。对设备的性能、可靠性都有很大的影响,所以为了提前预测键合线的影响,进行三维电磁场仿真是很有必要的。

通过模型分析、仿真验证和实际的测量可以得出最佳的金丝键合参数配置。在实际产品设计中,应根据键合线的具体应用,建立三维模型,进行电磁场仿真。通过仿真,可以提出键合线的拱高、根数以及键合线间隔等具体参数要求,来指导键合工艺人员进行操作。为了减小金丝键合线引入的不良影响,需要更加深入地去研究和改进键合工艺,以保证产品的性能指标。

[1]BAHL I.Lumped Elements for RF and Microwave Circuits[M].USA:Artech House,2003:146-155.

[2]邱颖霞.微波多芯片组件中的微连接[J].电子工艺技术,2005,26(6):319-322.

[3]FEDERICO A,PAOLO M,ROSELLI L,et al.Modeling and Characterization of the Bonding-wire Interconnection[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(1):142-150.

[4]LIM J H,KWON D H,RIEH J S,et al.RF Characterization and ModelingofVarious WireBond Transitions[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2005,28(11):772-778.