TO-252封装电磁仿真分析

刘崇辉，任建伟，李　科，杜　寰，金　龙

(1.电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都 611731；2.中国科学院微电子研究所，北京 100029）

TO-252封装电磁仿真分析

刘崇辉1，2，任建伟2，李科2，杜寰2，金龙1

(1.电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都 611731；2.中国科学院微电子研究所，北京 100029）

随着工艺尺寸的缩小和工作频率提高，表面贴片式封装技术中的PCB板和键合线都可能对电路的电气特性产生影响，因此有必要对这种封装技术进行信号完整性的分析。文章介绍了一种表面贴片封装 TO－252，采用3D电磁仿真软件HFSS进行建模，分析仿真PCB板材、厚度和键合线的长度、拱高、根数及键合线间的距离对封装设计中信号传输的影响，为实物封装设计起指导作用。

TO－252封装；PCB；键合线；信号完整性

0　引言

封装具有支撑、保护、冷却的作用，并为芯片提供电气连接和隔离，以便器件与其他元件构成完整的电路。随着封装技术的不断发展，工艺尺寸越来越小，工作频率越来越高，封装中的键合线不能再简单地视为无电阻、无电感、无电容的传输线。因此在频率较高的情况下，键合线会对封装中信号的完整性产生影响。表面贴装式是封装的管脚及散热法兰焊接在PCB表面的焊盘上。而PCB传输线会产生材料的导体损耗和介质损耗，因此，PCB板也有可能对封装中信号的传输特性产生影响。本文主要通过仿真分析键合线和PCB对TO－252表面贴装式封装技术中信号传输的影响。

1　TO-252管壳建模

MOSFET芯片都有一定的工作频率范围，为了使芯片能正常工作，需要为芯片选取适合的封装，也就是要求封装的工作频率范围能够覆盖芯片的工作频率范围。那我们就有必要了解每种封装的工作频率范围。本文是根据TO－252封装的尺寸图，利用HFSS进行建模仿真，通过查看S参数来判断TO－252适用的工作频率范围。这里主要查看 S21，即插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端，这个值越大越好，理想值是1，即0 dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21＞－3 dB。

图1　TO－252外部示意图

图2　TO－252内部简单示意图

利用HFSS建立 TO－252封装模型如图1和图2，底层为PCB板，管壳采用的是塑料封装。输入输出（I/O)引脚是通过键合线和微带线连接在一起。TO－252封装尺寸图这里就不做过多的研究，本文主要从PCB板材、厚度和键合线的根数、长度、拱高，键合线间的距离等方面来研究对TO-252封装的影响。

2　PCB板

PCB是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。利用HFSS仿真S参数，需要添加波或集总端口激励，而波或集总端口激励需要通过传输线传输，鉴于TO-252封装引脚本身只有金属，不能够成微带线，如果只是单独仿真 TO-252信号无法进行传输，因此，需要采用PCB和TO-252封装一起仿真。这样就会使PCB的板材和厚度对TO-252封装的信号传输特性产生影响。

2.1PCB板材影响

利用HFSS建好模型，设置PCB板的厚度为1mm，选取不同的PCB板材，介电常数分别为 3.66、4.4、6.15、10.2，仿真分析不同板材对信号传输的影响，图3是给出不同板材下插入损耗（S21）的仿真结果。

图3　PCB板材对信号传输的影响

从图3可以看出：(1)在频率较低时，随着板材介电常数的增大，信号的传输特性越好。而高频时，随着板材介电常数的增大，信号的传输越来越差。(2)随着板材介电常数的增大，信号传输较好的带宽越来越窄。

2.2PCB厚度仿真

利用HFSS建好模型，设定PCB的板材为FR_4，将PCB板的厚度设置为 0.8mm、1.2mm、1.6mm，仿真分析不同厚度的PCB对信号传输的影响，图4是给出不同厚度下插入损耗（S21）的仿真结果。

图4　PCB厚度对信号传输的影响

从图4可以看出：(1)在 2 GHz以下时，随着板材厚度增加，信号的传输特性越好。而到2 GHz以上时，随着板材厚度增大，信号的传输衰减的较快。(2)随着板材厚度的增大，信号传输的有效带宽越来越窄。

综合图3和图4，为了兼顾信号的传输和带宽，需要根据需求，选取适合的PCB板材和厚度。

3　键合线

键合线互连是晶体管中管芯和外部环境进行电气连接的主要手段，具有分配直流偏置电流，为射频信号提供传输途径的作用[2，3]。随着器件尺寸的缩小和工作频率的提高，当工作频率高于 1 GHz时，键合线的射频等效串联电感、并联电容等计生参数将对信号的传输产生很大的影响[4]。因此，关于键合线的设计和优化也十分重要，关于键合线的研究主要有不同材料键合线的分析[5，6]、引线键合工艺[7]、键合线几何模型参数研究[8]、电气特性[9]等。

本文采用键合线互联的机构，将芯片的输入输出和封装的引脚连接起来。借助HFSS仿真软件，对TO-252封装中键合线的长度、拱高、键合线间的距离、根数进行仿真，分析改变以上几种参数对信号传输特性的影响。

3.1键合线长度的影响

设定键合线间距离为0.5mm，仿真分析改变键合线的长度对信号传输的影响。改变长度为2.91mm、3.83mm、4.78mm。图5是给出不同长度下插入损耗（S21）的仿真结果。

图5　不同长度的键合线对信号传输的影响

从图4可以看出：(1)随着键合线长度的增加，插入损耗越来越大，信号的传输特性也越来越差。(2)随着键合线长度的增加，传输信号的有效带宽也越来越窄。因此，为了信号更好的传输，要尽可能地缩短键合线的长度。

3.2键合线拱高的影响

设定键合线的长度为3.71mm，根数为2根（连接输入输出引脚各一根），键合线间的距离为 0.5mm，改变拱高为0.1mm、0.3mm、0.5mm。仿真分析改变键合线的拱高对信号传输的影响。图6是给出不同拱高下插入损耗（S21）的仿真结果。

从图6可以看出：(1)随着键合线拱高的增大，插入损耗越来越大，信号的传输特性也越来越差。(2)随着键合线拱高的增大，传输信号的有效带宽也越来越窄。由此平直的的键合线是最好的，但平直键合线受力集中，易断裂。因此，考虑到信号的传输和键合线的受力问题，要选取合适键合线的拱高。

图6　不同拱高的键合线对信号传输的影响

3.3键合线间距的影响

设定键合线的拱高为 0.2mm，根数为 2根（连接输入输出的各一根），键合线的长度为3.71mm。改变键合线间的距离为 0.2mm、0.4mm、0.6mm。仿真分析改变键合线间的距离对信号传输的影响。图7是给出不同键合线间距下插入损耗（S21）的仿真结果。

从图7可以看出，随着键合线间距的增大，插入损耗越来越小，信号的传输特性越来越好。传输的有效带宽也越来越宽。因此，为了信号更好的传输，要尽可能增加键合线间的距离。

图7　不同间距的键合线对信号传输的影响

3.4键合线根数的影响

设定键合线的拱高为0.2mm，键合线的长度为3.71mm。键合线间的距离为0.1mm。仿改变键合线的根数为 2、6、10（连接输入，输出的各占总数的一半），仿真分析改变键合线的根数对信号传输的影响。图8是给出不同根数键合线下插入损耗（S21）的仿真结果。

从图8可以看出：(1)随着键合线根数的增加，插入损耗越来越好，信号的传输特性也越来越好。(2)随着键合线根数的增加，信号传输的有效带宽增宽。一般情况下，增加键合线的根数，可能会减小键合线间的距离，这样也有可能使插损变大，因此，要选取适合键合线的根数和键合线间的距离，才能实现信号更好的传输。

图8　不同根数的键合线对信号传输的影响

4　结束语

综合上述研究发现：(1)PCB板材介电常数越大、厚度越高，插损越小，信号传输特性越好。但其有效工作带宽随着介电常数的增大而变小。因此，在工程中，需要根据自己的需求，选择合适的PCB板材和厚度。(2)键合线的长度越短、拱高越小、根数越多、键合线间的距离越大，此时插入损耗最小，信号的传输特性最好。通过借助HFSS仿真软件，模拟分析PCB和键合线对封装系统中信号传输的的影响，为实际封装提供了可靠的依据。

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Analysis of the performance of PCB and bonding wire in TO－252 package

Liu Chonghui1，2，Ren Jianwei2，Li Ke2，Du Huan2，Jin Long1
（1.University of Electronic Science and Technology of China，Research Institute Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China；2.Micro－electronics Research Institute，CAS，Beijing 100029，China）

With the reduction of process dimension and the development of working frequency,the packaging technology of PCB and bonding wire are likely to impact on the electrical characteristics of the circuit,it is necessary to analyze signal integrity of the packaging technology.This paper introduces a surface－mount package TO－252 and model it by using HFSS.There are some factors that have an impact on signal integrity of the package,such as the material and thickness of PCB,the length of bonding wire, the arch height of bonding wire,the distance between two adjacent bonding wire,the number of bonding wires.They play guiding roles in the physical package.

TO－252 package；PCB；bonding wire；signal integrity

TN305.94

A

10.16157/j.issn.0258－7998.2015.09.013

2015-03-12)

刘崇辉（1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向：LDMOS封装内匹配。

杜寰（1963-），通信作者，男，博士后，研究员，主要研究方向：存储器驱动电路，平板显示驱动电路，功率器件，E-mail：duhuan@ime.ac.cn。

金龙(1974-)，男，博士，副研究员，主要研究方向：毫米波 T/R组件，频率源，MMIC。

中文引用格式：刘崇辉，任建伟，李科，等.TO－252封装电磁仿真分析[J].电子技术应用，2015，41(9)：48－50，59.

英文引用格式：Liu Chonghui，Ren Jianwei，Li Ke，et al.Analysis of the performance of PCB and bonding wire in TO－252 package[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：48－50，59.