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.天津警備區司令部,天津300020)

0 引言

隨著近年來軍事、民用各領域對毫米波技術的迫切需求,推動了毫米波技術的高速發展。EHF頻段(30～300 GHz)是繼Ka頻段后又一個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。

毫米波頻段設備多采用微波單片集成電路(MMIC)實現,金絲鍵合的方式來實現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,趨膚效應對電路的影響更加明顯,鍵合線分布參數的寄生效應對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,建立電路模型對鍵合線進行分析并優化非常重要。

通過應用仿真軟件HFSS,對鍵合線不同參數情況下的三維物理模型進行電磁場分析,得到準確的S參數。

1 鍵合線模型

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

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

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[5]。

1.1.1 電感的計算

鍵合線等效的電感可由式(1)計算得出:

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,與鍵合線材料的趨膚深度 δ有關;C、δ可分別由式(2)和式(3)求得:

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

當工作在 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 電阻的計算

鍵合線引入的電阻可由式(5)計算得出:

式中,RS為每平方單位的電阻值,考慮到趨膚效應的影響,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變量。隨著頻率的升高,趨膚深度減小,導致增大,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值相差不大,但在EHF頻段帶來的影響是十分嚴重的,可以通過圖1更加直觀地看到這一點。

圖1 不同長度鍵合線在不同頻率的下的損耗

根據式(1)、式(6)和式(7)計算得出的電感、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時損耗為0.008 dB;10 GHz時損耗為0.65 dB;20GHz時損耗為2.17 dB;30GHz時損耗為3.9 dB;40 GHz時損耗為5.55 dB;45 GHz時損耗為6.31 dB。從結果可以看出鍵合線的影響在毫米波頻段已經不能忽略,特別是在EHF頻段。

當長度縮短為10 mil時,隨著頻率的升高,損耗也逐漸加大,如圖1所示。當工作頻率小于10 GHz時,鍵合線的影響可以忽略,當頻率到達毫米波頻段以后,鍵合線的影響隨著頻率的升高而增大,從圖1所示的數據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,電感值應包括鍵合線自由空間的電感值和鍵合線之間的互感值,這使得計算更加復雜。

當鍵合線為2根、鍵合線間距為s時,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)計算得出:

以上電感的計算是基于鍵合線的2個端點在一個平面上,等間隔的情況。若鍵合線的2個端點不在一個平面上,則需對以上公式進行修正。

2 計算與仿真分析

建立鍵合線模型是為了優化其參數,降低鍵合線的電感值,或通過補償措施減小鍵合線對電路的影響。等效模型的具體數值可以應用2種方法獲得:一是通過理論公式計算;二是通過相關射頻軟件仿真。

由于鍵合線等效模型非常復雜,等效參數不易計算,在實際應用中一般利用軟件進行分析。

2.1 等效模型計算

根據等效模型計算公式,可以得出相關的等效參數具體數值。模型的準確性決定了計算數值的精度。鍵合線等效模型的關鍵參數是等效的電感值。對于單根鍵合線可以應用式(1)計算電感值,對于多根鍵合線的等效電感計算非常復雜,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電路性能影響最大。文獻[1]利用等效模型公式,對直徑為1 mil的鍵合線各種參數對電感值的影響進行了分析計算,結果如表1所示。

從結果可以看出:

①對于等長的鍵合線,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,當鍵合線間隔縮短到4～6倍的鍵合線直徑時,等效電感為單根鍵合線電感值的1/(n為鍵合線的根數);

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

表1 鍵合線各種參數對電感值的影響

2.2 仿真分析

隨著CAD技術的發展,仿真軟件可以通過時域分析、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鍵合線的性能進行分析。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構。HFSS有鍵合線的模型,在HFSS中建立鍵合線的實物模型,通過對不同參數的調整,可以進一步了解鍵合線的影響。

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

HFSS建模中采用的基板為Rogers公司的RT/duroid 5880,其相對介電常數為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,設定單根金絲鍵合線結構參數初始值為:單根微帶線長l1=5 mm,微帶線間距d=0.05 mm,鍵合線跨距l2=0.15mm,拱高h1=0.1 mm,多根鍵合線之間的間隔s=0.2 mm。針對不同微帶間距、鍵合線根數n、鍵合線間距d和拱高h1等參數進行分析并分別計算在EHF頻段內的S21參數,S21的值即為鍵合線的損耗。以下為不同參數的仿真結果:

①長度為15 mil、直徑為1 mil的單根金絲鍵合線在45 GHz時損耗為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,損耗為0.78 dB。同樣參數的鍵合線,拱高降低為0.2 mm時,損耗降低為0.23 dB。在實際鍵合過程中,要考慮被鍵合的設備在不同溫度范圍內的熱脹冷縮問題,為了增加設備可靠性,鍵合線要有一定的拱高;

③微帶線展寬增加了并聯電容C1和C2,從而補償串聯電感的作用,但展寬的寬度和長度需要軟件優化,如果展寬不當,會降低電路性能。

圖2和圖3分別描述鍵合線根數、拱高2個參數不同時的影響。

圖2 鍵合線根數對電路性能的影響

圖3 鍵合線拱高對電路性能的影響

2.3 規律

公式計算與軟件分析的結論是一致的,不同的結構參數都會影響鍵合線的微波性能,具體規律如下:

①增加鍵合線的根數可以降低電感值;

②鍵合線的拱高對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)對電路影響較小,在實際操作中間隔越小越好;

④應用多根鍵合線時,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,采取適當措施降低鍵合線的電感值,補償對電路的影響。為了補償串聯電感、電阻的作用,一種辦法是適當增加鍵合處傳輸線的寬度以提高并聯電容;另一種辦法是增加鍵合線的數量,降低串聯電感值。采用優化翼長的微帶線終端展寬結構結合2～3根鍵合線是鍵合線優化設計的最佳選擇。

3 實物驗證

為了驗證模型分析及仿真的結論,加工了測試盒體,盒體外形結構為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)結果的對比。

圖4 實物測試結果與仿真結果比較

軟件仿真的插入損耗結果為0.1 dB左右。最終實物測試結果: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。

測試結果表明:微帶線展寬,其他參數相同的情況下,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。

實測結果損耗比仿真結果大0.3～0.5 dB左右,且帶內幅頻特性要差一些。分析主要原因有:①在仿真時未考慮盒體的輸入、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,實測結果與仿真結果還是比較一致的。帶內幅頻特性波動較大主要是由于玻璃絕緣子的裝配誤差導致端口駐波變差導致。

4 結束語

金絲鍵合作為毫米波設備加工過程的關鍵工序,鍵合線有很多的應用場合,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,不同的應用可能帶來的影響也不盡相同。對設備的性能、可靠性都有很大的影響,所以為了提前預測鍵合線的影響,進行三維電磁場仿真是很有必要的。

通過模型分析、仿真驗證和實際的測量可以得出最佳的金絲鍵合參數配置。在實際產品設計中,應根據鍵合線的具體應用,建立三維模型,進行電磁場仿真。通過仿真,可以提出鍵合線的拱高、根數以及鍵合線間隔等具體參數要求,來指導鍵合工藝人員進行操作。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鍵合工藝,以保證產品的性能指標。

[1]BAHL I.Lumped Elements for RF and Microwave Circuits[M].USA:Artech House,2003:146-155.

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

[3]FEDERICO A,PAOLO M,ROSELLI L,et al.Modeling and Characterization of the Bonding-wire Interconnection[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(1):142-150.

[4]LIM J H,KWON D H,RIEH J S,et al.RF Characterization and ModelingofVarious WireBond Transitions[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2005,28(11):772-778.