基于電容補償?shù)逆I合金絲互連微波特性研究

王 磊，王愛華

（中國航天科工集團8511研究所，南京 210007）

1 引言

金絲鍵合是實現(xiàn)微波組件中芯片級電氣互連的關(guān)鍵工藝技術(shù)，金絲鍵合技術(shù)直接影響到電路的可靠性和穩(wěn)定性，對微波毫米波電路的傳輸特性有較明顯的影響。金絲鍵合的工藝質(zhì)量參數(shù)已經(jīng)有較多的學(xué)者對其進行了系統(tǒng)的研究和驗證，同時國家也出臺了相關(guān)標準（GJB 548B-2005）用于指導(dǎo)生產(chǎn)，本文不再贅述[1-6]。模型參數(shù)的準確提取是金絲互連成功應(yīng)用的重要前提，主要用于指導(dǎo)設(shè)計相應(yīng)的阻抗匹配、補償電路，實現(xiàn)最優(yōu)的電路性能。電路模型參數(shù)的提取通常有以下3個途徑：（1）基于全波分析，如有限元法、時域有限差分法對金絲鍵合互連的結(jié)構(gòu)模型進行全波仿真分析；（2）基于儀器測量的手段方法，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對金絲互連結(jié)構(gòu)的S參數(shù)進行準確測量；（3）準靜態(tài)分析法，將金絲互連分解為多段傳輸線，分段分析其等效電路參數(shù)[7]。本文利用基于有限元的全波仿真軟件Ansoft HFSS，對金絲互連進行仿真分析，給出簡便有效的容性補償電路枝節(jié)，有效提高了采用引線鍵合互連工藝的微波毫米波組件的傳輸特性。

2 金絲互連模型及仿真

金絲互連的典型模型如圖1所示，在2個有一定間隙的50Ω微帶之間采用鍵合金絲形式互連，其對應(yīng)的等效電路模型如圖2所示[8]，其中，金絲可等效為串聯(lián)電阻R和串聯(lián)電感L，鍵合金絲兩邊的焊盤則等效為2個并聯(lián)的電容C1和C2。

圖1 金絲互連三維模型

圖2 金絲互連等效電路模型

其中串聯(lián)電阻R和串聯(lián)電感L的值由金絲的數(shù)量、直徑、跨距及拱高決定。鍵合金絲的這些參數(shù)對微波性能的影響也有學(xué)者進行了充分的研究和論證，這里不再對其進行仿真驗證。本文選取0.254 mm厚度的羅杰斯5880基板來建模，其50Ω微帶線線寬為0.780 mm。組件中，通常需要鍵合金絲互連的區(qū)域，基板之間也必然存在一定的間隙，不同的間隙對微波性能的影響見圖3。

圖3 不同基板間隙對鍵合金絲電路性能的影響

從圖3中可以看出，間隙b越大，駐波越大，插損越大。間距0.1 mm時的插損為0.038 dB，間距為0.3 mm時的插損為0.059 dB，插損惡化了55%。另外還比較了在不同頻率下鍵合金絲的數(shù)量對微波性能的影響，圖4為在10～20 GHz頻率范圍的金絲數(shù)量分別為2、3、4根的微波特性，圖5為在30～40 GHz頻率范圍的金絲數(shù)量分別為2、3、4根的微波特性。從仿真結(jié)果可以看出，鍵合金絲數(shù)量對電路微波特性影響較明顯，金絲數(shù)量越多，電路的微波特性越好，尤其是與30～40 GHz頻率范圍相比更加明顯。

圖4 10～20 GHz范圍的不同鍵合金絲數(shù)量對微波性能的影響

圖5 30～40 GHz范圍的不同鍵合金絲數(shù)量對微波性能的影響

3 電容補償電路結(jié)果分析

多芯片組件中，通常需要鍵合金絲的芯片焊盤尺寸有限，直徑25μm的金絲最多允許鍵合3根，且大多數(shù)情況下僅允許2根。需要考慮如何在鍵合金絲為2根的前提下，改善電路的微波性能。在20 GHz以下，2根鍵合金絲已滿足大多數(shù)的電路應(yīng)用，這里著重研究在30 GHz以上的工作頻段。根據(jù)圖2的鍵合金絲電路模型，采用電容補償?shù)姆绞絹砀纳齐娐沸阅?，在基板間隙為0.2 mm、鍵合金絲2根的微帶電路中，通過增加容性補償枝節(jié)來改善電路性能，其三維模型見圖6。調(diào)配枝節(jié)的尺寸為0.2 mm×0.2 mm，共4個。

圖6 電容補償枝節(jié)的鍵合金絲模型

圖7為電容補償鍵合金絲模型的仿真結(jié)果，結(jié)果表明，在30～40 GHz頻率范圍內(nèi)，經(jīng)過電容補償，電路駐波最大為1.15，插損最高為0.045 dB，而電容補償前電路的駐波最大為1.53，插損最高為0.23 dB（見圖5），經(jīng)過電容補償?shù)逆I合金絲電路特性較補償前有明顯的改善，且電路結(jié)構(gòu)簡單，幾乎不增加電路原有尺寸。

圖7 電容補償枝節(jié)的鍵合金絲電路性能

圖8為電容補償鍵合金絲模型的實測結(jié)果，在30～40 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR最大為1.3，插損最大為0.64 dB，減去測試電路中2只2.92-K型連接器共計0.4 dB，實際微帶電路插損約0.24 dB，與仿真結(jié)果較為吻合，能夠滿足工程實際應(yīng)用需求。

圖8 電容補償枝節(jié)的鍵合金絲電性能實測結(jié)果

4 結(jié)論

論文以工程應(yīng)用為背景，使用簡單的電容補償結(jié)構(gòu)來改善鍵合金絲互連的微波特性。仿真驗證結(jié)果表明，電容補償結(jié)構(gòu)明顯改善了鍵合金絲電路在30～40 GHz頻率范圍內(nèi)的微波特性，且?guī)缀醪辉黾与娐烦叽纾子诠こ虒崿F(xiàn)。