键合互连对PIN 开关性能的影响

徐 晟， 赵世巍， 张丽敏

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

在微波设备中，由PIN 二极管搭建的微波开关电路，速度快、损耗小、频带宽，具有比较理想的开关特性，是微波开关电路的首选器件。通过改变直流偏置的极性和大小，控制PIN 二极管阻抗［1］，使其处于截止状态或短路状态，达到关断或导通目的。经常用隔离度和插损指标衡量开关的电性能。

随着微波电路工作频率的提升，为减少PIN二极管封装的引线电感、管壳电容等参数对开关电路性能的影响，在微波PIN 开关电路中往往选用无封装的PIN 二极管与微带线结构形式，两者之间采用金丝键合线互连，结构紧凑，减少了寄生参量的引入，改善了微波开关电路的电性能。

文献［2］表明金丝键合线的金丝长度、拱高和跨距等参数均对微波传输具有较大影响。为探讨金丝键合线对微波开关电路电性能的影响，本文引入金丝键合线等效模型，建立微波PIN 开关电路的二端口网络模型，通过ABCD 矩阵计算隔离度和插损指标，将计算结果与不考虑键合线参数而应用矩阵相乘方法计算值进行比较，两者吻合较好，表明金丝键合线对微波PIN 开关电路影响有限。

1 金丝键合线等效电路模型

1.1 等效电路模型

微带传输线之间金丝键合线互连示意图，如图1所示［2-3］。

图1 金丝键合互连结构示意图

一般情况下，金丝键合线的等效电路模型由与两边微带传输线的并联电容Ce、串联电感Lb、串联电阻Rb等组成，如图2所示。

图2 金丝键合线等效电路模型

1.2 模型参数计算

对自由空间中长度为l，直径为d 的圆形键合金丝，其电感L0可表示为

式中：μ0为真空磁导率（μ0＝4π×10-7H／m）；μr为键合线的相对磁导率（对于金丝，μr＝1）；δ 为键合线的趋肤深度。

趋肤深度δ的表达式为

式中：σ 为键合线的电导率，对金丝键合线，σ ＝4.098×107s／m；f 为键合线传输信号的频率。

如果键合线离地面的平均高度为h0，应采用镜像法考虑地面的影响，键合线的电感值应该修正为

其中：

串联电阻Rb的计算式为

式中：ρ为金丝键合线的电阻率。

并联电容Ce表示为

其中：

式中：h 为微带线基片厚度；W 为微带线导带的宽度；εr为基片的相对介电常数。

2 微波PIN 开关电路性能计算

2.1 单管PIN 开关等效电路模型

在单管PIN 开关电路中，PIN 二极管并联在电路中，其正极通过键合线与左右两侧的微带线相连，负极接地，考虑键合线参数的等效电路模型如图3所示。

图3 单管PIN 开关等效电路模型

图3中级联网络的ABCD 矩阵为

其中：

式中：YP＝GP+j BP为PIN 二极管的等效并联 导纳；Zb＝Rb+jωLb为键合线的等效串联阻抗；Ye＝jωCe为键合线的等效并联导纳。在采用归一化特性阻抗Z0和特性导纳Y0的情况下，归一化矩阵为

其中：

式中：zb＝Zb／Z0，yP＝YP／Y0，ye＝Ye／Y0。

该级联网络的插入衰减可表示为

以SKYWORKS 公司的 PIN 二极管CLA4601-000为例，其结电容Cj＝0.12pF，串联电阻Rs＝2.5Ω。当工作频率f ＝20GHz时，根据单管PIN 开关插损典型计算式（14）和隔离度典型计算式（15），可以算得该PIN 开关的插损L1＝0.577dB，隔离度I1＝20.8dB。

如果考虑键合线影响，同样以CLA4601-000二极管为例，圆形键合金丝长度l＝300μm、直径d＝25μm，微带线基片厚度h＝0.254mm、相对介电常数εr＝2.2，特性阻抗Z0＝50Ω。工作频率为20GHz，当计算插损时，YP＝jωCj；当计算隔离度时，YP＝1／Rs。将上述参数代入式（12）和式（13），算得实际考虑键合线影响的单管PIN 开关插损为0.654dB，隔离度为21.4dB。

对于等效电路模型和典型公式算得的单管PIN 开关的插损和隔离度做比较，可以看出，等效电路模型算出的插损和隔离度都偏大，这是因为模型引入的键合线有一定电阻值和电感值，微波信号通过时有一定损耗。

2.2 双管PIN 开关等效电路模型

在实际应用中，根据电路隔离度的要求，开关电路通常由多个PIN 二极管并联组成，比较常用的是双管PIN 开关和三管PIN 开关。

考虑键合线参数的双管PIN 开关等效电路模型如图4所示。图中YA表示单管PIN 开关等效电路模型；l1表示两个PIN 二极管之间的微带线长度；l2表示两个PIN 二极管之间的管间距，管间距的电长度表示为θ＝2πl2／λg，管间距l2等于微带线长度l1加上PIN 二极管宽度。电长度将影响PIN 开关的性能。

图4 双管PIN 开关等效电路模型

图4中级联网络的ABCD 矩阵为

对 式（16）归 一 化 后 代 入 式（13），仍 以CLA4601-000二极管为例，其宽度为0.35mm，考虑键合线影响，其他条件与2.1节中相同，可求得双管PIN开关插损与电长度关系，如图5中实线所示。隔离度与电长度关系如图6中实线所示。

图5 双管PIN 开关插损与电长度关系

图6 双管PIN 开关隔离度与电长度关系

不考虑键合线参数，应用矩阵相乘方法可导出双管PIN 开关插损计算式（17）和隔离度计算式（18），可求得双管PIN 开关的插损与电长度关系如图5 中虚线所示，隔离度与电长度关系如图6中虚线所示。

其中：

其中：

比较图5中两条曲线，式（17）求得的插损值和考虑键合线影响后的插损值均在电长度为70°时达到最小。但是不考虑键合线影响的插损接近0，不符合实际情况，实际插损值为0.7dB。

比较图6中两条曲线，不考虑键合线影响时最大隔离度对应的电长度为90°，而考虑键合线影响后最大隔离度对应的电长度为85°，显然，引入键合线参数后，对隔离度的影响不大。

2.3 三管PIN 开关等效电路模型

考虑键合线参数的三管PIN 开关等效电路模型如图7所示。图中YA表示单管PIN 开关等效电路模型；l3表示两个PIN 二极管之间的微带线长度；l4表示两个PIN 二极管之间的管间距，管间距的电长度表示为θ＝2πl4／λg。通常，三个二极管之间的两段管间距相同。

图7 三管PIN 开关等效电路模型

图7中级联网络的ABCD 矩阵为

对式（19）归一化后代入式（13），以CLA4601-000二极管为例，考虑键合线影响。参数设置与2.2节中相同，求得三管PIN 开关插损与电长度关系如图8中实线所示，隔离度与电长度关系如图9中实线所示。

图8 三管PIN 开关插损与电长度关系

图9 三管PIN 开关隔离度与电长度关系

不考虑键合线参数，应用矩阵相乘方法可导出三管PIN 开关插损计算式（20）和隔离度计算式（21），求得三管PIN 开关插损与电长度关系如图8中虚线所示，隔离度与电长度关系如图9中虚线所示。

其中：

其中：

比较图8 中两条曲线，均在电长度为40°和100°时达到最小值，与双管PIN 开关相似，不考虑键合线影响时的插损接近0，不符合实际情况，实际上电长度为40°时插损值为1.2dB，电长度为100°时插损值为1dB。

比较图9中两条曲线，不考虑键合线最大隔离度的电长度为90°，而考虑键合线影响后最大隔离度的电长度为80°，显然，引入键合线参数后，对隔离度的影响不大。

3 结论

本文分析了微波PIN 开关电路中，连接PIN二极管和微带线的金丝键合互连线对PIN 开关插损和隔离度的影响，并与应用矩阵相乘方法计算值进行比较。分析表明：在设计双管PIN 开关或三管PIN 开关时，引入键合线后，可以更准确地计算开关的插损；而对于隔离度的计算，引入键合线后的计算结果与应用矩阵相乘方法计算值基本一致。

［1］ 清华大学《微带电路》编写组.微带电路［M］.北京：人民邮电出版社，1976：243-260.

［2］ 严伟，符鹏，洪伟.LTCC微波多芯片组件中键合互连的微波特性［J］.微波学报，2003，19（3）：30-34.

［3］ 李成国，牟善祥，张忠传，等.基于LTCC 技术的毫米波键合金丝的分析与优化设计［J］.电子器件，2007，30（6）：2192-2196.

［4］ 曾耿华，唐高弟.微波多芯片组件中键合线的参数提取和优化［J］.信息与电子工程，2007，5（1）：40-43.

［5］ 王红欣，杨瑞霞，李书科.管芯S参数的提取技术［J］.电子器件，2004，27（1）：180-183.