基于电容补偿的键合金丝互连微波特性研究

2021-10-13王爱华

电子与封装 2021年9期

王磊，王爱华

（中国航天科工集团8511研究所，南京 210007）

1 引言

金丝键合是实现微波组件中芯片级电气互连的关键工艺技术，金丝键合技术直接影响到电路的可靠性和稳定性，对微波毫米波电路的传输特性有较明显的影响。金丝键合的工艺质量参数已经有较多的学者对其进行了系统的研究和验证，同时国家也出台了相关标准（GJB 548B-2005）用于指导生产，本文不再赘述[1-6]。模型参数的准确提取是金丝互连成功应用的重要前提，主要用于指导设计相应的阻抗匹配、补偿电路，实现最优的电路性能。电路模型参数的提取通常有以下3个途径：（1）基于全波分析，如有限元法、时域有限差分法对金丝键合互连的结构模型进行全波仿真分析；（2）基于仪器测量的手段方法，使用矢量网络分析仪对金丝互连结构的S参数进行准确测量；（3）准静态分析法，将金丝互连分解为多段传输线，分段分析其等效电路参数[7]。本文利用基于有限元的全波仿真软件Ansoft HFSS，对金丝互连进行仿真分析，给出简便有效的容性补偿电路枝节，有效提高了采用引线键合互连工艺的微波毫米波组件的传输特性。

2 金丝互连模型及仿真

金丝互连的典型模型如图1所示，在2个有一定间隙的50Ω微带之间采用键合金丝形式互连，其对应的等效电路模型如图2所示[8]，其中，金丝可等效为串联电阻R和串联电感L，键合金丝两边的焊盘则等效为2个并联的电容C1和C2。

图1 金丝互连三维模型

图2 金丝互连等效电路模型

其中串联电阻R和串联电感L的值由金丝的数量、直径、跨距及拱高决定。键合金丝的这些参数对微波性能的影响也有学者进行了充分的研究和论证，这里不再对其进行仿真验证。本文选取0.254 mm厚度的罗杰斯5880基板来建模，其50Ω微带线线宽为0.780 mm。组件中，通常需要键合金丝互连的区域，基板之间也必然存在一定的间隙，不同的间隙对微波性能的影响见图3。

图3 不同基板间隙对键合金丝电路性能的影响

从图3中可以看出，间隙b越大，驻波越大，插损越大。间距0.1 mm时的插损为0.038 dB，间距为0.3 mm时的插损为0.059 dB，插损恶化了55%。另外还比较了在不同频率下键合金丝的数量对微波性能的影响，图4为在10～20 GHz频率范围的金丝数量分别为2、3、4根的微波特性，图5为在30～40 GHz频率范围的金丝数量分别为2、3、4根的微波特性。从仿真结果可以看出，键合金丝数量对电路微波特性影响较明显，金丝数量越多，电路的微波特性越好，尤其是与30～40 GHz频率范围相比更加明显。

图4 10～20 GHz范围的不同键合金丝数量对微波性能的影响

图5 30～40 GHz范围的不同键合金丝数量对微波性能的影响

3 电容补偿电路结果分析

多芯片组件中，通常需要键合金丝的芯片焊盘尺寸有限，直径25μm的金丝最多允许键合3根，且大多数情况下仅允许2根。需要考虑如何在键合金丝为2根的前提下，改善电路的微波性能。在20 GHz以下，2根键合金丝已满足大多数的电路应用，这里着重研究在30 GHz以上的工作频段。根据图2的键合金丝电路模型，采用电容补偿的方式来改善电路性能，在基板间隙为0.2 mm、键合金丝2根的微带电路中，通过增加容性补偿枝节来改善电路性能，其三维模型见图6。调配枝节的尺寸为0.2 mm×0.2 mm，共4个。

图6 电容补偿枝节的键合金丝模型

图7为电容补偿键合金丝模型的仿真结果，结果表明，在30～40 GHz频率范围内，经过电容补偿，电路驻波最大为1.15，插损最高为0.045 dB，而电容补偿前电路的驻波最大为1.53，插损最高为0.23 dB（见图5），经过电容补偿的键合金丝电路特性较补偿前有明显的改善，且电路结构简单，几乎不增加电路原有尺寸。