IC封装中键合线传输结构的仿真分析

杨玲玲，孙 玲，孙海燕

（1. 南通大学杏林学院，江苏 南通 226019；2. 南通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室，江苏 南通 226019）

IC封装中键合线传输结构的仿真分析

杨玲玲1,2，孙 玲2，孙海燕2

（1. 南通大学杏林学院，江苏 南通 226019；2. 南通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室，江苏 南通 226019）

随着高频高速集成电路制造工艺的不断进步，电子封装技术的发展也登上了一个新高度。作为微电子器件制造过程中的重要步骤之一，封装中的传输线、过孔、键合线等互连结构都可能对电路的性能产生影响，因此先进的集成电路封装设计必须要进行信号完整性分析。介绍了一种键合线互连传输结构，采用全波分析软件对模型进行仿真，着重分析与总结了键合线材料、跨距、拱高以及微带线长度、宽度五种关键设计参数对封装系统中信号完整性的影响，仿真结果对封装设计具有实际的指导作用。

键合线传输结构；IC封装；信号完整性

1 引言

随着BGA、SIP以及MCM等先进封装技术的不断发展，工作频率越来越高，工艺尺寸不断缩小，封装系统中的信号完整性问题已经成为研究的重点。键合线作为封装中重要的一种互连结构，其传输特性直接影响了整个封装系统的信号完整性。因此在键合线分析及优化设计方面也开展了很多工作，主要有不同材料键合线特性分析[1,2]、引线键合工艺[3]、键合线几何模型参数的研究[4]，电特性研究[5]等。可以看出，以上的研究工作均是基于键合线本身进行建模与特性分析。

多芯片封装技术中，一般采用键合互连线来实现微带线、共面波导等传输线之间的互连[6]。本文设计了一种键合线互连结构，利用键合线来实现微带线之间的互连，借助全波分析软件，对此模型中的键合线材料、跨距、拱高以及两侧微带线宽度、长度进行仿真分析，总结分析以上五种参数的变化对信号传输性能的影响，从而为实际封装设计提供一定的理论参考。

2 键合线传输结构

键合线是基板和芯片之间的主要连接方式之一。在微电子封装中，基板和芯片之间有大量的键合线，实现传输线之间的互连。本文给出了如图1中所示的键合线互连传输结构，该结构主要采用键合线来实现两边微带线之间的连接。图中W表示微带线的宽度，L表示微带线的长度，键合线的跨距为Lw，拱高为H。

图1 键合线互连结构示意图

键合线传输结构中，两边的微带线结构与键合线连接处存在着较强的电场与磁场，随着频率的不断升高，键合传输结构中存在的寄生电感、寄生电容均不容忽视，从而影响了键合线传输结构的传输特性。图2中给出了键合线的简单互连等效电路。图中的键合线的互连模型主要包含了并联电容C1、串联电阻R和串联电感L、并联电容C2组成的低通滤波器网络[7]。

图2 键合线的互连模型

3 仿真分析与比较

键合线传输结构的性能主要由微带线特性、键合线特性等许多复杂因素决定。本文主要借助于全波分析软件，对影响键合线传输结构性能的几何参数，主要有键合线材料、跨距、拱高以及两边微带线的长度、宽度，进行仿真分析与比较。

在全波仿真软件中建立键合线互连结构几何模型，如图3中所示。模型结构为采用键合线来实现两边微带线连接的传输结构。介质层厚度为0.2 mm，介电常数为11.9；键合线材料分别选择金、铝、铜；拱高变化范围为0.2~0.8 mm；跨距变化范围为2~10 mm；微带线的宽度变化范围为0.1~0.3 mm；微带线长度的变化范围为3~5 mm；仿真频率设为0.1~3 GHz。

图3 键合线互连结构几何模型

3.1 键合线材料变化的影响

根据键合线材料的不同，可分为键合金线、键合铜线和键合铝线。键合金线主要采用的是纯度为99.99%、线径为18~50 μm的高纯度金丝，具有较好的抗腐蚀性、抗氧化性以及优良的延展性、导电性，但金丝的价格较为昂贵。为了降低封装的成本，人们寻找了一种较为便宜的铜材料来代替金丝材料，铜丝导电能力相对较差，硬度较高。虽然集成电路封装中的引线键合大部分使用键合金丝和键合铜丝，但在陶瓷外壳封装的集成电路中，则多采用了键合铝丝[8]，其化学性能稳定，与前两者相比导电能力较差，且键合速度慢，生产效率低。

仿真模型中，设置键合线拱高为0.5 mm，跨距为8 mm，两边微带线宽度为0.8 mm，长度为5 mm，仅改变键合线的材料，分别选取键合金线、键合铜线和键合铝线，仿真分析三种不同材料的键合线对此互连结构传输特性的影响，仿真结果如图4所示。

由图4中不同键合线材料的插入损耗和回波损耗仿真曲线的比较可以看出，与其他两种材料的键合线相比，键合金线具有较好的传输性能；而键合铜线与键合铝线相比较，前者信号传输衰减较小。

3.2 键合线跨距变化的影响

设定两边微带线宽度为0.2 mm，长度为5 mm，键合线材料为铝，拱高设为0.5 mm，改变键合线跨距Lw，分别设为2 mm、6 mm和10 mm。图4中给出了不同键合线跨距下的回波损耗S11和插入损耗S21仿真曲线比较。

图4 不同键合线材料的S11和S21仿真曲线的比较

图5 不同键合线跨距的S11和S21仿真曲线的比较

由图5可知，随着键合线跨距不断增加，其传输信号衰减也随之增加，传输特性越来越差。同时可以看出，当跨距增大到6 mm和10 mm之间时，两者的回波损耗变化较小。

3.3 键合线拱高变化的影响

建立单根键合铝线模型，设定键合线的跨距为8 mm，两边微带线宽度与长度分别设置为0.2 mm，5 mm，键合线拱高H分别设为0.2 mm、0.5 mm和0.8 mm，仿真分析不同键合金线拱高的高频特性对封装信号完整性的影响。图6给出了不同键合线拱高的情况下，回波损耗S11和插入损耗S21仿真曲线的比较。

图6 不同键合线拱高下的S11和S21仿真曲线的比较

由图6可知，随着键合金线拱高的不断减小，其传输信号衰减也随之减小，由此看来平直的键合金线性能最好。但考虑到平直键合线受力集中，因此，在键合线的设计时，兼顾传输特性和可靠性两个方面，应尽量选择合适的键合线拱高，避免不必要的损耗。

3.4 微带线宽度变化的影响

为了研究微带线宽度对信号传输性能的影响，在保持键合线跨距为8 mm、拱高为0.5 mm以及其材料为铝、且两边微带线的长度设为5 mm等参数不变的情况下，改变两边微带线宽度分别为0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm。

不同微带线宽度下，回波损耗和插入损耗的仿真曲线比较如图7所示。图7中可以看出当微带线的宽度越宽时，此时传输性能较好。但是从图7（a）中可以看出，当微带线宽度为0.3 mm、频率为2 GHz时，存在一个谐振峰。若在电路中，传输线出现谐振现象，则能够传输到终端负载的能量会逐渐减少，大部分会被反射和辐射，从而导致电路系统性能衰减。因此，在实际封装设计中，为得到更好的传输特性，应选择合适的微带线宽度。

图7 不同微带线宽度下的S11和S21仿真曲线的比较

3.5 微带线长度变化的影响

设定两边微带线的宽度均为0.2 mm，键合线材料为铝，拱高设为0.5 mm，跨距为8 mm，改变两边微带线长度，分别设为3 mm、4 mm和5 mm。图8中给出了不同微带线长度下的回波损耗S11和插入损耗S21仿真曲线比较。

由图8可以看出，随着两边微带线长度的不断增加，损耗越来越小，传输特性越来越好。因此，在键合线传输结构中可增加微带线的长度，来提高传输性能。

3.6 小结

根据上述一系列的仿真与分析，总结了在封装设计中，提高键合线互连结构信号完整性性能的几个方面：

（1）在相同的键合线拱高、跨距以及微带线长度、宽度情况下，键合金线的信号衰减最小，传输性能最好，但考虑到键合金线的成本较高，故在实际的封装中，可根据情况选择合适的键合线材料；

图8 不同微带线长度下的S11和S21仿真曲线的比较

（2）在相同的键合线材料、拱高和微带线长度、宽度情况下，键合线应选择跨距越短越好，此时可减少损耗，提高信号的传输质量；

（3）在相同的键合线材料、跨距和相同的微带线长度、宽度情况下，键合线应选择拱高越低越好，此时可减少损耗，提高信号的传输质量；

（4）在相同的键合线材料和跨距、拱高以及微带线长度的情况下，微带线的宽度越宽越好。因此，在实际的设计中，若封装内部尺寸允许的情况下，可适当增加微带线的宽度，这样既可得到较好的传输特性又可以提高其可靠性。

（5）在相同的键合线材料和跨距、拱高以及微带线宽度的情况下，微带线的长度越长越好。

4 结论

本文借助于全波分析软件，研究了键合线互连结构中五种不同参数对封装系统信号完整性的影响。仿真结果显示，两边微带线的宽度越宽，长度越长，同时键合金线跨距越小，拱高越低，此时信号的衰减最小，传输性能较好。通过定性分析键合线互连结构对高速信号传输产生的影响，为实际的封装互连优化设计提供指导。

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[2] Liao Jun Kai, Liang Yi Hung, Li Wei Wu, Men Yeh Chiang. Silver alloy wire bonding [C]. 2012 ECTC: 1163-1168.

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[5] 周燕，孙玲，景为平. IC封装中引线键和互连特性分析[J]. 中国集成电路，2006, 90（11）: 55-57.

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Analysis of the Performance of Bonding Wire Transmission Structure in IC Package

YANG Lingling1,2, SUN Ling2, SUN Haiyan2

（1.Xinlin College,Nantong University,Nantong226019,China; 2.Jiangsu Key Lab of ASIC Design,Nantong University,Nantong226019,China）

With the development of the manufacturing process for the high-frequency and high-speed integrated circuit, the electronic package technology also have boarded a new height. As one of the microelectronic device manufacturing process, the interconnect structures in the package, such as vias, transmission lines and bonding wires, may have impacts on the performance of the circuit. So it is important to analyze the signal integrity in the advanced IC package design. A bonding wire interconnection transmission structure is presented in the paper, which is simulated by the full-wave analysis software. The impact of the key parameters, such as the material of bonding wire, the span of the bonding wire, the high arch of the bonding wire and the length of the microstrip, the width of the microstrip, were analyzed and summarized on the signal integrity of the package system. The simulation results provide a practical guide for the package design.

bonding wire transmission structure; IC package; signal integrity

TN305.94

A

1681-1070（2014）09-0001-04

2014-03-06