TO-252封裝電磁仿真分析

劉崇輝，任建偉，李　科，杜　寰，金　龍

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731；2.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

TO-252封裝電磁仿真分析

劉崇輝1，2，任建偉2，李科2，杜寰2，金龍1

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731；2.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

隨著工藝尺寸的縮小和工作頻率提高，表面貼片式封裝技術(shù)中的PCB板和鍵合線都可能對電路的電氣特性產(chǎn)生影響，因此有必要對這種封裝技術(shù)進(jìn)行信號完整性的分析。文章介紹了一種表面貼片封裝 TO－252，采用3D電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模，分析仿真PCB板材、厚度和鍵合線的長度、拱高、根數(shù)及鍵合線間的距離對封裝設(shè)計(jì)中信號傳輸?shù)挠绊懀瑸閷?shí)物封裝設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。

TO－252封裝；PCB；鍵合線；信號完整性

0　引言

封裝具有支撐、保護(hù)、冷卻的作用，并為芯片提供電氣連接和隔離，以便器件與其他元件構(gòu)成完整的電路。隨著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，工藝尺寸越來越小，工作頻率越來越高，封裝中的鍵合線不能再簡單地視為無電阻、無電感、無電容的傳輸線。因此在頻率較高的情況下，鍵合線會對封裝中信號的完整性產(chǎn)生影響。表面貼裝式是封裝的管腳及散熱法蘭焊接在PCB表面的焊盤上。而PCB傳輸線會產(chǎn)生材料的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗，因此，PCB板也有可能對封裝中信號的傳輸特性產(chǎn)生影響。本文主要通過仿真分析鍵合線和PCB對TO－252表面貼裝式封裝技術(shù)中信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1　TO-252管殼建模

MOSFET芯片都有一定的工作頻率范圍，為了使芯片能正常工作，需要為芯片選取適合的封裝，也就是要求封裝的工作頻率范圍能夠覆蓋芯片的工作頻率范圍。那我們就有必要了解每種封裝的工作頻率范圍。本文是根據(jù)TO－252封裝的尺寸圖，利用HFSS進(jìn)行建模仿真，通過查看S參數(shù)來判斷TO－252適用的工作頻率范圍。這里主要查看 S21，即插入損耗，也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩耍@個(gè)值越大越好，理想值是1，即0 dB，S21越大傳輸?shù)男试礁撸话憬ㄗhS21＞－3 dB。

圖1　TO－252外部示意圖

圖2　TO－252內(nèi)部簡單示意圖

利用HFSS建立 TO－252封裝模型如圖1和圖2，底層為PCB板，管殼采用的是塑料封裝。輸入輸出（I/O)引腳是通過鍵合線和微帶線連接在一起。TO－252封裝尺寸圖這里就不做過多的研究，本文主要從PCB板材、厚度和鍵合線的根數(shù)、長度、拱高，鍵合線間的距離等方面來研究對TO-252封裝的影響。

2　PCB板

PCB是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。利用HFSS仿真S參數(shù)，需要添加波或集總端口激勵，而波或集總端口激勵需要通過傳輸線傳輸，鑒于TO-252封裝引腳本身只有金屬，不能夠成微帶線，如果只是單獨(dú)仿真 TO-252信號無法進(jìn)行傳輸，因此，需要采用PCB和TO-252封裝一起仿真。這樣就會使PCB的板材和厚度對TO-252封裝的信號傳輸特性產(chǎn)生影響。

2.1PCB板材影響

利用HFSS建好模型，設(shè)置PCB板的厚度為1mm，選取不同的PCB板材，介電常數(shù)分別為 3.66、4.4、6.15、10.2，仿真分析不同板材對信號傳輸?shù)挠绊?，圖3是給出不同板材下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

圖3　PCB板材對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

從圖3可以看出：(1)在頻率較低時(shí)，隨著板材介電常數(shù)的增大，信號的傳輸特性越好。而高頻時(shí)，隨著板材介電常數(shù)的增大，信號的傳輸越來越差。(2)隨著板材介電常數(shù)的增大，信號傳輸較好的帶寬越來越窄。

2.2PCB厚度仿真

利用HFSS建好模型，設(shè)定PCB的板材為FR_4，將PCB板的厚度設(shè)置為 0.8mm、1.2mm、1.6mm，仿真分析不同厚度的PCB對信號傳輸?shù)挠绊?，圖4是給出不同厚度下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

圖4　PCB厚度對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

從圖4可以看出：(1)在 2 GHz以下時(shí)，隨著板材厚度增加，信號的傳輸特性越好。而到2 GHz以上時(shí)，隨著板材厚度增大，信號的傳輸衰減的較快。(2)隨著板材厚度的增大，信號傳輸?shù)挠行捲絹碓秸?/p>

綜合圖3和圖4，為了兼顧信號的傳輸和帶寬，需要根據(jù)需求，選取適合的PCB板材和厚度。

3　鍵合線

鍵合線互連是晶體管中管芯和外部環(huán)境進(jìn)行電氣連接的主要手段，具有分配直流偏置電流，為射頻信號提供傳輸途徑的作用[2，3]。隨著器件尺寸的縮小和工作頻率的提高，當(dāng)工作頻率高于 1 GHz時(shí)，鍵合線的射頻等效串聯(lián)電感、并聯(lián)電容等計(jì)生參數(shù)將對信號的傳輸產(chǎn)生很大的影響[4]。因此，關(guān)于鍵合線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化也十分重要，關(guān)于鍵合線的研究主要有不同材料鍵合線的分析[5，6]、引線鍵合工藝[7]、鍵合線幾何模型參數(shù)研究[8]、電氣特性[9]等。

本文采用鍵合線互聯(lián)的機(jī)構(gòu)，將芯片的輸入輸出和封裝的引腳連接起來。借助HFSS仿真軟件，對TO-252封裝中鍵合線的長度、拱高、鍵合線間的距離、根數(shù)進(jìn)行仿真，分析改變以上幾種參數(shù)對信號傳輸特性的影響。

3.1鍵合線長度的影響

設(shè)定鍵合線間距離為0.5mm，仿真分析改變鍵合線的長度對信號傳輸?shù)挠绊?。改變長度為2.91mm、3.83mm、4.78mm。圖5是給出不同長度下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

圖5　不同長度的鍵合線對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

從圖4可以看出：(1)隨著鍵合線長度的增加，插入損耗越來越大，信號的傳輸特性也越來越差。(2)隨著鍵合線長度的增加，傳輸信號的有效帶寬也越來越窄。因此，為了信號更好的傳輸，要盡可能地縮短鍵合線的長度。

3.2鍵合線拱高的影響

設(shè)定鍵合線的長度為3.71mm，根數(shù)為2根（連接輸入輸出引腳各一根），鍵合線間的距離為 0.5mm，改變拱高為0.1mm、0.3mm、0.5mm。仿真分析改變鍵合線的拱高對信號傳輸?shù)挠绊憽D6是給出不同拱高下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

從圖6可以看出：(1)隨著鍵合線拱高的增大，插入損耗越來越大，信號的傳輸特性也越來越差。(2)隨著鍵合線拱高的增大，傳輸信號的有效帶寬也越來越窄。由此平直的的鍵合線是最好的，但平直鍵合線受力集中，易斷裂。因此，考慮到信號的傳輸和鍵合線的受力問題，要選取合適鍵合線的拱高。

圖6　不同拱高的鍵合線對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

3.3鍵合線間距的影響

設(shè)定鍵合線的拱高為 0.2mm，根數(shù)為 2根（連接輸入輸出的各一根），鍵合線的長度為3.71mm。改變鍵合線間的距離為 0.2mm、0.4mm、0.6mm。仿真分析改變鍵合線間的距離對信號傳輸?shù)挠绊憽D7是給出不同鍵合線間距下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

從圖7可以看出，隨著鍵合線間距的增大，插入損耗越來越小，信號的傳輸特性越來越好。傳輸?shù)挠行捯苍絹碓綄?。因此，為了信號更好的傳輸，要盡可能增加鍵合線間的距離。

圖7　不同間距的鍵合線對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

3.4鍵合線根數(shù)的影響

設(shè)定鍵合線的拱高為0.2mm，鍵合線的長度為3.71mm。鍵合線間的距離為0.1mm。仿改變鍵合線的根數(shù)為 2、6、10（連接輸入，輸出的各占總數(shù)的一半），仿真分析改變鍵合線的根數(shù)對信號傳輸?shù)挠绊?。圖8是給出不同根數(shù)鍵合線下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

從圖8可以看出：(1)隨著鍵合線根數(shù)的增加，插入損耗越來越好，信號的傳輸特性也越來越好。(2)隨著鍵合線根數(shù)的增加，信號傳輸?shù)挠行捲鰧?。一般情況下，增加鍵合線的根數(shù)，可能會減小鍵合線間的距離，這樣也有可能使插損變大，因此，要選取適合鍵合線的根數(shù)和鍵合線間的距離，才能實(shí)現(xiàn)信號更好的傳輸。

圖8　不同根數(shù)的鍵合線對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

4　結(jié)束語

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)：(1)PCB板材介電常數(shù)越大、厚度越高，插損越小，信號傳輸特性越好。但其有效工作帶寬隨著介電常數(shù)的增大而變小。因此，在工程中，需要根據(jù)自己的需求，選擇合適的PCB板材和厚度。(2)鍵合線的長度越短、拱高越小、根數(shù)越多、鍵合線間的距離越大，此時(shí)插入損耗最小，信號的傳輸特性最好。通過借助HFSS仿真軟件，模擬分析PCB和鍵合線對封裝系統(tǒng)中信號傳輸?shù)牡挠绊?，為?shí)際封裝提供了可靠的依據(jù)。

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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)

劉崇輝（1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向：LDMOS封裝內(nèi)匹配。

杜寰（1963-），通信作者，男，博士后，研究員，主要研究方向：存儲器驅(qū)動電路，平板顯示驅(qū)動電路，功率器件，E-mail：duhuan@ime.ac.cn。

金龍(1974-)，男，博士，副研究員，主要研究方向：毫米波 T/R組件，頻率源，MMIC。

中文引用格式：劉崇輝，任建偉，李科，等.TO－252封裝電磁仿真分析[J].電子技術(shù)應(yīng)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.