微波毫米波系统级封装中键合线建模

本科科研训练论文-1-微波毫米波系统级封装中键合线建模孙一超胡静钱学军摘要：在系统级封装中，存在微波及高速电路，如果没有考虑互连线对电路性能的影响，可能会导致最终的电路不能满足设计要求。本文利用3维电磁场仿真软件HFSS分析单根键合线的电磁特性，建立单根键合线的电路模型，并研究不同参数下键合线在电磁特性方面的区别。关键词：键合线HFSS等效电路Bond-WireModelinginMicrowaveMillimeterWaveSystem-LevelPackageAbstract:Withoutconsideringtheinfluenceoftheinterconnectionlineontheelectriccircuitperformanceinsystem-levelpackage,thefinalelectriccircuitmaynottobeabletosatisfythedesignrequirementsfortheexistenceofmicrowaveandhigh-speedcircuit.Inthispaper,the3DelectromagneticanalysissoftwareHFSSwasusedtoanalysethesimpleandthecircuitmodelwasbuildforthemicrowaveCharacteristicsofthebond-wireinwithdifferentparameters.Keyword:Bond-WireHFSSEquivalentCircuit1.引言随着科技水平的不断提高，无论是军用还是民用通信系统的功能都变得日益强大，随之电路结构也变得日益复杂，电路的规模、体积也不断增大。通常，电路的体积庞大会限制其应用，为此，自上世纪90年代以来，能将微处理器、存储器以及模拟与数字IP核等集成在单一芯片上实现系统功能的系统级芯片（SoC）技术得到了快速发展。但受工艺制造水平及工艺兼容性所限，一些功能强大的SoC很难实现，因此人们又提出了系统级封装技术。系统级封装能将模拟、本科科研训练论文-2-数字、微波、光电、微电子机械系统（MEMS）等不同工艺制作的芯片集成在一起，实现强大的系统功能，成为代表未来10年的主流封装技术。然而，系统级封装技术涉及的问题很多，而且亟待解决。在系统级封装中，存在微波及高速电路，如果没有考虑互连线对电路性能的影响，可能会导致最终的电路不能满足设计要求。为此，需要在电路设计之初就要考虑互连线的寄生效应，并将其作为整体电路的一部分加以分析、仿真。本文中，我们将通过HFSS全波分析软件仿真或得s参数，并建立相应的电路模型，从而进行一些初步研究。2.分析计算图1键合金丝示意图2.1仿真HFSS一个典型的金丝键合模型如图1所示。本课题模型中，选用的微带线的介电常数是2.16，损耗角正切是0.009，介质板的厚度为0.25mm，且特性阻抗为50Ω，中心频率为2.5GHz，可用软件算得，微带线的宽度为0.76mm，模型如图2所示，图2键合金丝及微带线模型本科科研训练论文-3-初步将其他参数定为：两微带线间距d=0.5mm，拱高h=0.12mm，金丝直径zjing=0.04mm，得S11和S12（对称模型，S11=S22，S12=S21）如图3所示：S11S12图3d=0.5mmh=0.12mmzjing=0.04mm有金丝时的S参数由于此处的端口是设置在最外侧，不只是金丝，微带线的属性也包含在内，因此，单独对微带线进行建模测其S参数。图4微带线模型本科科研训练论文-4-S11S12图5d=0.5mmh=0.12mmzjing=0.04mm没有有金丝时的S参数由上可以得到单独的键合金丝的S参数，再根据S参数和Y参数的关系，便可以得到Y参数的值。2.2建模键合线等效电路模型可以用图6所示的二端口网络来表征。图6键合线等效电路模型图中，R1和R2代表终端阻抗，C1和C2为终端电容，R为键合线的电阻损失。据Π型网和Y参数矩阵的关系，可以得到：则，经过变形易得：本科科研训练论文-5-以频率为2.5GHz，d=0.5mmh=0.12mmzjing=0.04mm为例，金丝加微带线的S参数为：S11=S22=-25.4,S12=S21=-0.158由S、Y参数的对应关系：得：Y11=Y22=-0.0216Y12=Y21=0.000016同理，微带线的S参数为：S11=S22=-0.143,S12=S21=-45.2对应的Y参数为：Y11=Y22=-0.02Y12=Y21=-0.000885则键合线的Y参数为：Y11=Y22=-0.0016Y12=Y21=0.0009再由电路元件的求解公式可得即可得到等效电路模型的各个参数：R1=R2=1428.7ΩR=1.1kΩC1=C2=0.046pFL=0.071μH2.3分析2.3.1参数随频率的变化特性：保持其他条件不变，取d=0.5mmh=0.15mmzjing=0.04mm条件下，频率依次为2GHz、2.2GHz、2.4GHz、2.6GHz、2.8GHz，得到表1。本科科研训练论文-6-表1参数随频率变化的特性表d=0.5mmh=0.15mmzj=0.04mmf/GHz微带线和金丝微带线R1=R2/ΩR/ΩC1=C2/pFL/μHS11S12S11S122.0-26.4-0.127-0.114-46.8143711590.0550.0992.2-26.1-0.139-0.125-46143211380.0500.0832.4-25.6-0.152-0.137-45.5138911240.0470.0752.6-25.05-0.165-0.149-44.9134411080.04550.0682.8-24.3-0.18-0.162-44.8126011030.04510.0633.0-22.5-0.2-0.174-36.313978930.03800.048由表1易得：R、L、C均是随着频率的变大而变小。2.3.2参数随间距d的变化特性：取定频率为2.4GHz，拱高h为0.15mm，直径zjing为0.04mm，改变间距d的值，得到表2：表2参数随间距变化的特性表f=2.4GHzh=0.15mmzj=0.04mmd/mm微带线和金丝微带线R1=R2/ΩR/ΩC1=C2/pFL/μHS11S12S11S120.49-26.4-0.127-0.114-46.8167311040.0400.0740.5-26.1-0.139-0.125-46138911240.0480.0750.51-25.6-0.152-0.137-45.5134611360.0490.0760.55-25.05-0.165-0.149-44.9123611500.0540.077由表2易得：R1、R2随着d的增大而减小，R、C、L随着d的增大而增大。2.3.3参数随拱高h的变化特性：与2.3.2同理，取定频率为2.4GHz，间距d为0.5mm，直径zjing为0.04mm，改变拱高h的值，得到表3：本科科研训练论文-7-表3参数随间距变化的特性表f=2.4GHzd=0.5mmzj=0.04mmh/mm微带线和金丝微带线R1=R2/ΩR/ΩC1=C2/pFL/μHS11S12S11S120.13-26.7-0.149-0.137-44.5153511250.0430.0750.15-25.6-0.152-0.137-45.5138911240.0480.0750.17-26.25-0.15-0.137-45.5147311250.0450.0750.20-27-0.149-0.137-45.5157811250.0420.0750.25-23-0.163-0.137-45.5110011200.0600.075由表3易得：除了L保持不变外，其余参数随着h的变化，并没有很明显的变化趋势。2.3.4参数随直径zjing的变化特性：同理，取定频率为2.4GHz，拱高h为0.15mm，间距d为0.5mm，改变直径zjing的值，得到表4：表4参数随直径变化的特性表f=2.4GHzd=0.5mmh=0.15mmzj/mm微带线和金丝微带线R1=R2/ΩR/ΩC1=C2/pFL/μHS11S12S11S120.03-24.77-0.155-0.137-44.5128911230.0510.0750.035-25-0.153-0.137-45.5131511230.0500.0750.04-25.6-0.152-0.137-45.5138911240.0480.0750.045-26.6-0.149-0.137-45.5152111250.0440.0750.05-28.6-0.145-0.137-45.5183311270.0360.075由表4得：随着直径的增大，R1、R2、R均增大，而C1、C2减小。4.总结通过三维HFSS的仿真以及数据的处理可得，频率、金丝的跨距、直径均对等效电路的参数有很大的影响，这样，我们就可以在以后的封装工作之前，对其特性进行有根据的预测，并合理地优化结构，避免了很多麻烦。本科科研训练论文-8-5.参考文献徐鸿飞,殷晓星,孙忠良毫米波微带键合金丝互连模型的研究东南大学张生春T／R组件中金丝键合的仿真与优化西安电子工程研究所西安周燕孙玲景为平IC封装中引线键合互连特性分析东南大学集成电路学院