EHF頻段鍵合線分析

賈世旺,黃笑梅,張中海

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.石家莊市職教中心電子信息部,河北石家莊050000;3.天津警備區(qū)司令部,天津300020)

0 引言

隨著近年來軍事、民用各領(lǐng)域?qū)撩撞夹g(shù)的迫切需求,推動(dòng)了毫米波技術(shù)的高速發(fā)展。EHF頻段(30～300 GHz)是繼Ka頻段后又一個(gè)頻率更高的毫米波頻段,美國的“軍事星”上行就工作在此頻段。

毫米波頻段設(shè)備多采用微波單片集成電路(MMIC)實(shí)現(xiàn),金絲鍵合的方式來實(shí)現(xiàn)微波集成電路與集總式電阻、電容等元器件或微帶線、共面波導(dǎo)等各種類型微波傳輸線之間的互連。

隨著工作頻率的升高,趨膚效應(yīng)對(duì)電路的影響更加明顯,鍵合線分布參數(shù)的寄生效應(yīng)對(duì)微波電路的影響越來越大,甚至成為主要因素。由于趨膚深度的減小,鍵合線的電阻、電感以及電容也隨著頻率的變化而不同。提取鍵合線正確的電路參數(shù),建立電路模型對(duì)鍵合線進(jìn)行分析并優(yōu)化非常重要。

通過應(yīng)用仿真軟件HFSS,對(duì)鍵合線不同參數(shù)情況下的三維物理模型進(jìn)行電磁場分析,得到準(zhǔn)確的S參數(shù)。

1 鍵合線模型

對(duì)于鍵合線的等效模型,在很多文獻(xiàn)[1-5]中均有論述。大多數(shù)的鍵合線模型中起主要作用的是串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻。

等效電路模型可以簡單地用并聯(lián)電容C1、C2,串聯(lián)電感L和串聯(lián)電阻R、并聯(lián)電阻R1、R3組成的低通濾波器網(wǎng)絡(luò)來表示。該模型中起主要作用的是鍵合線串聯(lián)電感L,而并聯(lián)電容C1、C2很小,并聯(lián)電阻較大,所以常常忽略并聯(lián)電容、并聯(lián)電阻的影響。模型可以簡單的化簡為一只電感和一只電阻的串聯(lián)。

1.1 單根鍵合線模型

鍵合線最簡單的等效模型是等效為電感和電阻的串聯(lián)[5]。

1.1.1 電感的計(jì)算

鍵合線等效的電感可由式(1)計(jì)算得出:

式中,l為鍵合線的長度(μ m);d為鍵合線的直徑(μ m);C為頻率修正系數(shù),與鍵合線材料的趨膚深度 δ有關(guān);C、δ可分別由式(2)和式(3)求得:

式中,σ為鍵合線的電導(dǎo)率,對(duì)金絲來說 σ為4.09 8×107s/m;μ0為真空磁導(dǎo)率4π×10-7H/m;f為頻率(GHz)。根據(jù)式(3),金絲鍵合線的趨膚深度為:

當(dāng)工作在 44 GHz,直徑d=1 mil,長l=10 mil的金線等效的自由空間電感,由式(1)和式(4)可以求得,等效電感值L=0.16 nH;長度l=30 mil的等效電感值為0.64 nH。

1.1.2 電阻的計(jì)算

鍵合線引入的電阻可由式(5)計(jì)算得出:

式中,RS為每平方單位的電阻值,考慮到趨膚效應(yīng)的影響,式(5)可以寫為:

從式(6)和式(7)可以看出,鍵合線等效的電阻和電感值一樣是隨頻率的一個(gè)變量。隨著頻率的升高,趨膚深度減小,導(dǎo)致增大,等效電阻增大。

同樣,直徑d=1 mil,長l=10 mil的金線鍵合線,在44 GHz工作頻率上串聯(lián)電阻R=0.006 Ω;長l=30 mil的等效電阻R=0.018 Ω。

1.1.3 鍵合線的損耗

通過計(jì)算可以知道,工作頻率為 44 GHz的不同長度的鍵合線的等效電路的數(shù)值相差不大,但在EHF頻段帶來的影響是十分嚴(yán)重的,可以通過圖1更加直觀地看到這一點(diǎn)。

圖1 不同長度鍵合線在不同頻率的下的損耗

根據(jù)式(1)、式(6)和式(7)計(jì)算得出的電感、電阻值,可由求出鍵合線在不同頻率,不同長度的情況下的損耗。

單根長度為30 mil、直徑為1 mil的金絲鍵合線在1 GHz時(shí)損耗為0.008 dB;10 GHz時(shí)損耗為0.65 dB;20GHz時(shí)損耗為2.17 dB;30GHz時(shí)損耗為3.9 dB;40 GHz時(shí)損耗為5.55 dB;45 GHz時(shí)損耗為6.31 dB。從結(jié)果可以看出鍵合線的影響在毫米波頻段已經(jīng)不能忽略,特別是在EHF頻段。

當(dāng)長度縮短為10 mil時(shí),隨著頻率的升高,損耗也逐漸加大,如圖1所示。當(dāng)工作頻率小于10 GHz時(shí),鍵合線的影響可以忽略,當(dāng)頻率到達(dá)毫米波頻段以后,鍵合線的影響隨著頻率的升高而增大,從圖1所示的數(shù)據(jù)就可以明顯的看出這種影響。

1.2 多根鍵合線的模型

在很多的應(yīng)用場合,為了提供更大的工作電流或者提高電路性能、降低串聯(lián)電感或提高鍵合線的可靠性,需要鍵合多根金絲。

多根鍵合線可以也可以等效為電感、電阻的串聯(lián),電感值應(yīng)包括鍵合線自由空間的電感值和鍵合線之間的互感值,這使得計(jì)算更加復(fù)雜。

當(dāng)鍵合線為2根、鍵合線間距為s時(shí),等效電感值L′可以用式(8)求得:

式中,Le近似等于單根鍵合線自由空間的電感值;M2為2根鍵合線之間的互感,可由式(9)計(jì)算得出:

以上電感的計(jì)算是基于鍵合線的2個(gè)端點(diǎn)在一個(gè)平面上,等間隔的情況。若鍵合線的2個(gè)端點(diǎn)不在一個(gè)平面上,則需對(duì)以上公式進(jìn)行修正。

2 計(jì)算與仿真分析

建立鍵合線模型是為了優(yōu)化其參數(shù),降低鍵合線的電感值,或通過補(bǔ)償措施減小鍵合線對(duì)電路的影響。等效模型的具體數(shù)值可以應(yīng)用2種方法獲得:一是通過理論公式計(jì)算;二是通過相關(guān)射頻軟件仿真。

由于鍵合線等效模型非常復(fù)雜,等效參數(shù)不易計(jì)算,在實(shí)際應(yīng)用中一般利用軟件進(jìn)行分析。

2.1 等效模型計(jì)算

根據(jù)等效模型計(jì)算公式,可以得出相關(guān)的等效參數(shù)具體數(shù)值。模型的準(zhǔn)確性決定了計(jì)算數(shù)值的精度。鍵合線等效模型的關(guān)鍵參數(shù)是等效的電感值。對(duì)于單根鍵合線可以應(yīng)用式(1)計(jì)算電感值,對(duì)于多根鍵合線的等效電感計(jì)算非常復(fù)雜,需要考慮鍵合線之間的互感影響。

鍵合線等效模型中等效電感值對(duì)電路性能影響最大。文獻(xiàn)[1]利用等效模型公式,對(duì)直徑為1 mil的鍵合線各種參數(shù)對(duì)電感值的影響進(jìn)行了分析計(jì)算,結(jié)果如表1所示。

從結(jié)果可以看出:

①對(duì)于等長的鍵合線,多根鍵合線的等效電感小于單根鍵合線的等效電感;

②多根鍵合線之間的間隔越大,等效電感越小,當(dāng)鍵合線間隔縮短到4～6倍的鍵合線直徑時(shí),等效電感為單根鍵合線電感值的1/(n為鍵合線的根數(shù));

③當(dāng)鍵合線間距較大時(shí),等效電感為單根鍵合線電感值的1/n(n為鍵合線的根數(shù)),造成這種現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)多根鍵合線間距較小時(shí),鍵合線的互感作用增強(qiáng),導(dǎo)致總電感量增大。

表1 鍵合線各種參數(shù)對(duì)電感值的影響

2.2 仿真分析

隨著CAD技術(shù)的發(fā)展,仿真軟件可以通過時(shí)域分析、頻域線性與非線性分析、平面電磁場分析、三維電磁場分析等手段對(duì)鍵合線的性能進(jìn)行分析。Agilent公司的ADS、ANSYS公司的HFSS等軟件均具備分析鍵合線的能力。

ANSYS公司的HFSS是采用有限元法的三維電磁場仿真軟件,可以處理任意形狀的微波電路和元件結(jié)構(gòu)。HFSS有鍵合線的模型,在HFSS中建立鍵合線的實(shí)物模型,通過對(duì)不同參數(shù)的調(diào)整,可以進(jìn)一步了解鍵合線的影響。

影響鍵合線性能的物理參數(shù)有長度l、拱高h(yuǎn)、金絲線徑D、微帶線間距d和鍵合線根數(shù)。

HFSS建模中采用的基板為Rogers公司的RT/duroid 5880,其相對(duì)介電常數(shù)為2.2,厚度0.254 mm,特性阻抗50 Ω微帶線寬為0.79 mm。

采用鍵合線直徑為1 mil,設(shè)定單根金絲鍵合線結(jié)構(gòu)參數(shù)初始值為:單根微帶線長l1=5 mm,微帶線間距d=0.05 mm,鍵合線跨距l(xiāng)2=0.15mm,拱高h(yuǎn)1=0.1 mm,多根鍵合線之間的間隔s=0.2 mm。針對(duì)不同微帶間距、鍵合線根數(shù)n、鍵合線間距d和拱高h(yuǎn)1等參數(shù)進(jìn)行分析并分別計(jì)算在EHF頻段內(nèi)的S21參數(shù),S21的值即為鍵合線的損耗。以下為不同參數(shù)的仿真結(jié)果:

①長度為15 mil、直徑為1 mil的單根金絲鍵合線在45 GHz時(shí)損耗為1.2 dB。并排鍵合3根同樣的線損耗降低為0.16 dB;

②微帶線長度為 20 mm,鍵合線拱高為0.5 mm,工作頻率為45 GHz時(shí),損耗為0.78 dB。同樣參數(shù)的鍵合線,拱高降低為0.2 mm時(shí),損耗降低為0.23 dB。在實(shí)際鍵合過程中,要考慮被鍵合的設(shè)備在不同溫度范圍內(nèi)的熱脹冷縮問題,為了增加設(shè)備可靠性,鍵合線要有一定的拱高;

③微帶線展寬增加了并聯(lián)電容C1和C2,從而補(bǔ)償串聯(lián)電感的作用,但展寬的寬度和長度需要軟件優(yōu)化,如果展寬不當(dāng),會(huì)降低電路性能。

圖2和圖3分別描述鍵合線根數(shù)、拱高2個(gè)參數(shù)不同時(shí)的影響。

圖2 鍵合線根數(shù)對(duì)電路性能的影響

圖3 鍵合線拱高對(duì)電路性能的影響

2.3 規(guī)律

公式計(jì)算與軟件分析的結(jié)論是一致的,不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)影響鍵合線的微波性能,具體規(guī)律如下:

①增加鍵合線的根數(shù)可以降低電感值;

②鍵合線的拱高對(duì)電路性能的影響最為敏感,拱高越低,等效電感越小,電路性能越好;

③微帶線的間隔大小(即金絲的長短)對(duì)電路影響較小,在實(shí)際操作中間隔越小越好;

④應(yīng)用多根鍵合線時(shí),線與線之間的間隔越大越好,增大間隔可以有效的降低鍵合線之間的互感,提高電路性能;

⑤展寬微帶線終端寬度,可改善電路性能。

為了減小電路中鍵合線的影響,采取適當(dāng)措施降低鍵合線的電感值,補(bǔ)償對(duì)電路的影響。為了補(bǔ)償串聯(lián)電感、電阻的作用,一種辦法是適當(dāng)增加鍵合處傳輸線的寬度以提高并聯(lián)電容;另一種辦法是增加鍵合線的數(shù)量,降低串聯(lián)電感值。采用優(yōu)化翼長的微帶線終端展寬結(jié)構(gòu)結(jié)合2～3根鍵合線是鍵合線優(yōu)化設(shè)計(jì)的最佳選擇。

3 實(shí)物驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型分析及仿真的結(jié)論,加工了測試盒體,盒體外形結(jié)構(gòu)為21 mm×18 mm×8 mm。印制板長為17 mm的RT/duroid 5880基板。

圖4為單根鍵合線、3根鍵合線、3根鍵合線(展寬微帶線)與軟件仿真3根鍵合線(展寬微帶線)結(jié)果的對(duì)比。

圖4 實(shí)物測試結(jié)果與仿真結(jié)果比較

軟件仿真的插入損耗結(jié)果為0.1 dB左右。最終實(shí)物測試結(jié)果:3根鍵合線1插入損耗為0.8 dB、3根鍵合線2(展寬微帶線)插入損耗為0.45 dB、單根鍵合線1.5 dB左右。

測試結(jié)果表明:微帶線展寬,其他參數(shù)相同的情況下,損耗要小于微帶線未展寬的情況;多根鍵合線的損耗要小于單根鍵合線的損耗。

實(shí)測結(jié)果損耗比仿真結(jié)果大0.3～0.5 dB左右,且?guī)?nèi)幅頻特性要差一些。分析主要原因有:①在仿真時(shí)未考慮盒體的輸入、輸出接頭的損耗;②測試盒輸入、輸出采用玻璃絕緣子粘接,玻璃絕緣子也會(huì)帶來一定的損耗,一般單只玻璃絕緣子在40 GHz的損耗為0.1 dB左右。如果考慮以上因素,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果還是比較一致的。帶內(nèi)幅頻特性波動(dòng)較大主要是由于玻璃絕緣子的裝配誤差導(dǎo)致端口駐波變差導(dǎo)致。

4 結(jié)束語

金絲鍵合作為毫米波設(shè)備加工過程的關(guān)鍵工序,鍵合線有很多的應(yīng)用場合,例如傳輸線之間的鍵合、傳輸線與芯片之間的鍵合以及芯片之間的鍵合等等,不同的應(yīng)用可能帶來的影響也不盡相同。對(duì)設(shè)備的性能、可靠性都有很大的影響,所以為了提前預(yù)測鍵合線的影響,進(jìn)行三維電磁場仿真是很有必要的。

通過模型分析、仿真驗(yàn)證和實(shí)際的測量可以得出最佳的金絲鍵合參數(shù)配置。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)鍵合線的具體應(yīng)用,建立三維模型,進(jìn)行電磁場仿真。通過仿真,可以提出鍵合線的拱高、根數(shù)以及鍵合線間隔等具體參數(shù)要求,來指導(dǎo)鍵合工藝人員進(jìn)行操作。為了減小金絲鍵合線引入的不良影響,需要更加深入地去研究和改進(jìn)鍵合工藝,以保證產(chǎn)品的性能指標(biāo)。

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[2]邱穎霞.微波多芯片組件中的微連接[J].電子工藝技術(shù),2005,26(6):319-322.

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