构装电气特性等效研究

王联根

【摘 要】针对封装导线的电气特性建立适当的等效电路模型，首先利用网络分析仪对待测物（mBGA）进行全双埠散射参数量测，然后藉由HPADS优化功能，萃取出等效电路组件，建立构装的高速电气模型，以提供PC板及芯片模块设计业，能考虑构装的电气特性，或提供IC设计者在设计时有良好的依据以考虑封装效应。

【关键词】构装；电气；特性；等效；研究

1前言

对于高速数字设计者而言，“集总模型”和“离散模型”是两个重要的模型，建立等效电路以这两种模型为主，根据封装导线的通路长度、信号的上升时间和传播速度来决定电路处于何种模型的环境。如果传输线的整体传输延迟时间较信号的上升时间来的短，且只需一个RLC网络就可以代表整体电磁性能，称此为“集总模型”。

但当传播速度增加或者导线通路的长度较长时会开始出现传输线的现象，此时导线的电气特性需要无限个RLC网络才能表现整体的电磁性能，此时表示模型已经进入“离散模型”的领域[1]。在集总模型中，整个导线上，都具有相同的电位，反之当进入离散模型之后，导线上每一点的电位都不会相等。通常设计封装导线时，尽可能让电路留在集总模型领域，因为若电路处于离散模型领域的话，设计者必须增加许多改善措施方能防止离散模型的传输线效应。

2集总模型的建立

目前一般的数字应用中，大部分需要上升时间约为1ns的电气模型，但随着所应用的产品速度愈来愈快，所以至少要求所建立的电气模型可以应用到上升时间为0.5ns，所以典型频域量测约3G～5G的范围[2]。选择的量测频率范围从50MHz～3GHz。根据向量网络分析所量测的散射参数，建立符合封装导线的等效电路来表示它。一般常见的等效电路架构有T型与π型两种模型。在此采用π型等效电路架构。建立封装导线为开路时的等效电路图，包括导线本身的自感、自容、互感和互容，且在自感上串联一个直流电阻及并联一个集肤电阻，因为集肤电阻是一个高频才会出现的参数，所以是以并联的方式来呈现。为封装导线短路及穿透时的等效电路图。在开路方面：导线末端以串接一个10fF的电容连接到地，来模拟开路效应；在短路方面：导线末端以串接一电感连接到地，来模拟金线打到接地环的效应，金线电感以电磁仿真软件仿真结果约为0.7nH；在穿透方面：导线末端以一个电感连接导线两端，来仿真两导线之间以打金线方式互相连接的效应。

2.1电气参数R/L/C

建立导线等效模型之后，必须萃取出组件的参数值，将杂散电感与电容值的公式[3]，再配合实际向量网络分析仪量测的散射参数，将其代入公式中可以得到代表短中长三组导线，电容与电感对频率的关系，由中可以了解当频率愈低时，电容电感值不会随着频率而改变，会维持一个定值；但随着量测频率逐渐增加时，电容与电感将是频率的函数，不再维持一个定值，但对于短导线这种情形较不明显，相反的当导线愈长，电容及电感值随频率变化的情况就愈严重。由此可知当封装体所使用的频段愈高，导线长度愈长，整体的电气特性会愈来愈差，所产生的噪声及干扰会愈明显。

2.2高频效应

由杂散电容与电感公式推导的过程中，可了解集总模型所使用的频段愈低，所萃取出的杂散电容电感值会愈准确，随着频率愈高，一些非线性的效应会愈来愈明显，一个完美的导线与基板应该在任何频率之下皆不会有损耗，但事实上并非如此，由中可了解当导线上有电阻时，随着频率增加会有一个固定损耗，而因集肤效应所产生的损耗则会与频率呈现一平方根的关系，而介质本身所产生的损耗与频率的关系大约呈现一个线性关系，且由图中可知当量测频段中有共振频率产生时，将会有很大的损耗值产生。所以通常集总模型可适用于各种封装导线，但其准确性只到第一个共振点，由于有这些损耗存在，所以必须配合ADS中优化的功能来调整所萃取的电路组件参数值，才能得到一组符合量测值的最佳参数。

3频域量测与模型仿真结果比较

验证在所建立封装导线模型，是否符合实际封装导线的电气参数，使用（ADS）软件，来仿真模型开路、短路与穿透三种电路的散射参数，将此结果与实际利用向量网络分析仪所量测的散射参数互相比较，经由两曲线的吻合度，验证集总模型的准确性，将针对测试夹具与封装导线的模型进行验证。

3.1测试夹具的效应

利用向量网络分析仪进行封装导线量测时，必须藉由测试夹具使得高频探针和待测物有良好的接触，所以量测到的散射参数，将会包含测试夹具的效应，且因为无法由量测的过程将测试夹具的寄生效应移除，所以必须建立一个测试夹具的等效电路图，来仿真测试夹具的效应，再利用去埋藏法将测试夹具效应去除。

基本上测试夹具的等效电路建立方法是依循前述的方法萃取，利用向量网络分析仪进行校正用的测试夹具开路、短路及穿透量测，由量测的散射参数萃取测试夹具电气参数，之后再将等效模型建于ADS电路仿真软件中进行模拟。等效电路模型与量测值比较的结果中可以看到两条曲线十分的吻合。

3.2封装导线效应

在验证包导线模型的准确性上，利用向量网络分析仪量测短中长三组导线的开路、短路及穿透三种打线型态。中长三组导线模型与量测值的比较中发现当导线愈短时，模型仿真结果与实际量测值会愈吻合；当选择较长导线时，其仿真与量测值的吻合程度就愈差，因为当导线愈长，其杂散电感就愈大而导致史密斯圖上的曲线就愈长；倘若导线为无损耗传输线，则曲线会绕着半径为R的圆，并随着频率增加而顺时针旋转，但若高频损耗严重，曲线会偏向R值较高的圆。一般集总模型可以准确到量测值的第一个共振点，过了第一个共振频率，一些非线性的高频效应会出现，导致模型与量测值并不吻合。

4总结

当频率愈来愈高，受高频寄生效应愈严重，仿真曲线与量测曲线之间的差异会愈来愈大，此时可藉由HPADS软件优化的功能将高频效应模型化。ADS可以提供12埠同时作优化，6埠为量测参考埠，6端口为模型资料埠。利用ADS软件优化分别仿真开路、短路及穿透三种打线型态的电路设计图，其中等效电路左半部为仿真测试夹具的寄生效应的电路图，右边为电子构装电气特性的等效电路图。利用ADS软件优化功能，仿真三组导线模型与实际量测的比较图中可以发现高频曲线不吻合的情况改善许多，但针对最长的导线而言，改善的情况有限，因为导线线长过长，已超过集总模型的限制而导致模型无法正确表示其电气特性。

参考文献：

[1]程张.混合多物理场仿真方法及其在封装中的可靠性应用研究[D].上海交通大学，2014.

[2]高察.E系列电子封装产品的热性能和热疲劳分析与设计[D].北京工业大学，2013.

[3]陈银红.典型封装的电磁兼容特性建模研究[D].华北电力大学，2012.endprint