鍵合線結(jié)構(gòu)傳輸特性仿真分析

王 敏

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

在集成電路設(shè)計(jì)中，半導(dǎo)體封裝內(nèi)部芯片和外部管腳以及芯片之間的連接起著確立芯片和外部的電氣連接、確保芯片和外界之間的輸入/輸出暢通的重要作用，是整個(gè)后道封裝過程中的關(guān)鍵。隨著引線鍵合機(jī)、劈刀、引線鍵合絲等方面的持續(xù)改進(jìn)，使得鍵合引線工藝更適用于器件組裝工藝[1]。目前引線鍵合以技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、適用多種封裝形式等優(yōu)勢(shì)而在連接方式中占主導(dǎo)地位，在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是封裝內(nèi)部連接的主流方式[2]。尤其在高頻段、寬頻帶的組件產(chǎn)品中，引線鍵合工藝應(yīng)用廣泛。比起傳統(tǒng)組裝工藝，此類產(chǎn)品一般體積更小，性能更穩(wěn)定，調(diào)試量較小。本文采用仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，著重分析鍵合線數(shù)量、間距對(duì)傳輸特性的影響。

1 鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)

本文給出了如圖1所示的鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)及其等效電路，該結(jié)構(gòu)采用鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩邊微帶線之間的連接。其等效電路模型可以簡(jiǎn)單地用并聯(lián)電容C1、串聯(lián)電阻R 和串聯(lián)電感L、并聯(lián)電容C2 組成的低通濾波器網(wǎng)絡(luò)來表示[3-5]。

圖1 鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路

2 仿真分析

本文主要借助仿真分析軟件，對(duì)鍵合線數(shù)量、間距對(duì)微帶線結(jié)構(gòu)的傳輸特性的影響進(jìn)行了分析。

2.1 鍵合線數(shù)量對(duì)微帶傳輸特性的影響

在仿真軟件中建立了由鍵合線連接的微帶線結(jié)構(gòu)幾何模型，如圖2所示。

圖2 鍵合線連接的微帶線結(jié)構(gòu)幾何模型

上述仿真的模型結(jié)構(gòu)中鍵合絲材質(zhì)為金絲，采用了介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)板材，板厚0.254 mm，微帶線跨接的縫隙間距為0.5 mm，金絲直徑為25 μm，研究金絲數(shù)量n為2根、3根和4根時(shí)對(duì)微帶線傳輸特性的影響。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 鍵合線數(shù)量對(duì)微帶傳輸特性的影響的仿真結(jié)果

從圖3仿真結(jié)果可以看出，金絲直徑為25 μm，跨接的縫隙間距0.5 mm時(shí)，若鍵合線數(shù)量n=2根時(shí)，在0.8～20 GHz內(nèi)的平坦度約為1.54 dB，且在f=20 GHz時(shí)，插損為1.54 dB；數(shù)量n=3根，在0.8 ～20 GHz內(nèi)的平坦度約為1.18 dB，且在f=20 GHz時(shí)，插損為1.14 dB。數(shù)量n=4根，在0.8～20 GHz的的平坦度約為0.99 dB，且在f=20 GHz時(shí)，插損為0.99 dB。

綜合以上3個(gè)仿真結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，金絲數(shù)量越多，傳輸特性越好，輸出平坦度越高，但實(shí)際中結(jié)合產(chǎn)品成本因素的考慮，在滿足產(chǎn)品指標(biāo)的前提下，取金絲數(shù)量為2至3根為宜。

2.2 微帶線跨接的縫隙間距對(duì)微帶傳輸特性的影響

在仿真軟件中建立了由鍵合線連接的微帶線結(jié)構(gòu)幾何模型，如圖4所示。

圖4 鍵合線連接的微帶線結(jié)構(gòu)幾何模型

上述仿真的模型結(jié)構(gòu)中鍵合絲材質(zhì)為金絲，采用介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)板材，板厚0.254 mm，金絲直徑為25 μm，數(shù)量為2根，研究微帶線跨接的縫隙間距d為0.2 mm、0.5 mm和0.8 mm時(shí)對(duì)微帶線傳輸特性的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。

從上述仿真結(jié)果可以看出，縫隙間距對(duì)傳輸特性影響很大，并且隨著信號(hào)頻率的升高更加明顯。在頻率f=20 GHz時(shí)，d=0.2 mm時(shí)插損為0.5 dB，d=0.5 mm時(shí)插損為1.54 dB，d=0.8 mm時(shí)插損為2.37 dB。綜合以上幾組分析結(jié)果可以看出，微帶線縫隙越大，輸出損耗也越大，在實(shí)際使用中應(yīng)盡量減小微帶線縫隙間距。

2.3 小 結(jié)

通過對(duì)鍵合線結(jié)構(gòu)模型的仿真分析，可以得出以下結(jié)論。

其他條件不變，在相同的微帶線間距的條件下，金絲數(shù)量越多，傳輸特性越好，輸出平坦度越高，且工作頻率越高影響越大。

其他條件不變，在相同的微帶線數(shù)量的條件下，微帶線縫隙間距越小，傳輸特性越好，輸出損耗也越小，且工作頻率越高影響越大。

3 結(jié) 論

本文對(duì)于鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)的鍵合線數(shù)量和縫隙間距做了大量的仿真分析工作。通過模型分析、仿真驗(yàn)證和實(shí)際的測(cè)量可以得出最佳的金絲鍵合參數(shù)配置[6]。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)其他條件不變時(shí)，鍵合線數(shù)量越多同時(shí)微帶線縫隙間距越小時(shí)，信號(hào)衰減越小，傳輸性能越好。本文的仿真分析結(jié)果對(duì)于組件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作具有一定的指導(dǎo)和參考作用。