構裝電氣特性等效研究

王聯根

【摘 要】針對封裝導線的電氣特性建立適當的等效電路模型，首先利用網絡分析儀對待測物（mBGA）進行全雙埠散射參數量測，然后藉由HPADS優化功能，萃取出等效電路組件，建立構裝的高速電氣模型，以提供PC板及芯片模塊設計業，能考慮構裝的電氣特性，或提供IC設計者在設計時有良好的依據以考慮封裝效應。

【關鍵詞】構裝；電氣；特性；等效；研究

1前言

對于高速數字設計者而言，“集總模型”和“離散模型”是兩個重要的模型，建立等效電路以這兩種模型為主，根據封裝導線的通路長度、信號的上升時間和傳播速度來決定電路處于何種模型的環境。如果傳輸線的整體傳輸延遲時間較信號的上升時間來的短，且只需一個RLC網絡就可以代表整體電磁性能，稱此為“集總模型”。

但當傳播速度增加或者導線通路的長度較長時會開始出現傳輸線的現象，此時導線的電氣特性需要無限個RLC網絡才能表現整體的電磁性能，此時表示模型已經進入“離散模型”的領域[1]。在集總模型中，整個導線上，都具有相同的電位，反之當進入離散模型之后，導線上每一點的電位都不會相等。通常設計封裝導線時，盡可能讓電路留在集總模型領域，因為若電路處于離散模型領域的話，設計者必須增加許多改善措施方能防止離散模型的傳輸線效應。

2集總模型的建立

目前一般的數字應用中，大部分需要上升時間約為1ns的電氣模型，但隨著所應用的產品速度愈來愈快，所以至少要求所建立的電氣模型可以應用到上升時間為0.5ns，所以典型頻域量測約3G～5G的范圍[2]。選擇的量測頻率范圍從50MHz～3GHz。根據向量網絡分析所量測的散射參數，建立符合封裝導線的等效電路來表示它。一般常見的等效電路架構有T型與π型兩種模型。在此采用π型等效電路架構。建立封裝導線為開路時的等效電路圖，包括導線本身的自感、自容、互感和互容，且在自感上串聯一個直流電阻及并聯一個集膚電阻，因為集膚電阻是一個高頻才會出現的參數，所以是以并聯的方式來呈現。為封裝導線短路及穿透時的等效電路圖。在開路方面：導線末端以串接一個10fF的電容連接到地，來模擬開路效應；在短路方面：導線末端以串接一電感連接到地，來模擬金線打到接地環的效應，金線電感以電磁仿真軟件仿真結果約為0.7nH；在穿透方面：導線末端以一個電感連接導線兩端，來仿真兩導線之間以打金線方式互相連接的效應。

2.1電氣參數R/L/C

建立導線等效模型之后，必須萃取出組件的參數值，將雜散電感與電容值的公式[3]，再配合實際向量網絡分析儀量測的散射參數，將其代入公式中可以得到代表短中長三組導線，電容與電感對頻率的關系，由中可以了解當頻率愈低時，電容電感值不會隨著頻率而改變，會維持一個定值；但隨著量測頻率逐漸增加時，電容與電感將是頻率的函數，不再維持一個定值，但對于短導線這種情形較不明顯，相反的當導線愈長，電容及電感值隨頻率變化的情況就愈嚴重。由此可知當封裝體所使用的頻段愈高，導線長度愈長，整體的電氣特性會愈來愈差，所產生的噪聲及干擾會愈明顯。

2.2高頻效應

由雜散電容與電感公式推導的過程中，可了解集總模型所使用的頻段愈低，所萃取出的雜散電容電感值會愈準確，隨著頻率愈高，一些非線性的效應會愈來愈明顯，一個完美的導線與基板應該在任何頻率之下皆不會有損耗，但事實上并非如此，由中可了解當導線上有電阻時，隨著頻率增加會有一個固定損耗，而因集膚效應所產生的損耗則會與頻率呈現一平方根的關系，而介質本身所產生的損耗與頻率的關系大約呈現一個線性關系，且由圖中可知當量測頻段中有共振頻率產生時，將會有很大的損耗值產生。所以通常集總模型可適用于各種封裝導線，但其準確性只到第一個共振點，由于有這些損耗存在，所以必須配合ADS中優化的功能來調整所萃取的電路組件參數值，才能得到一組符合量測值的最佳參數。

3頻域量測與模型仿真結果比較

驗證在所建立封裝導線模型，是否符合實際封裝導線的電氣參數，使用（ADS）軟件，來仿真模型開路、短路與穿透三種電路的散射參數，將此結果與實際利用向量網絡分析儀所量測的散射參數互相比較，經由兩曲線的吻合度，驗證集總模型的準確性，將針對測試夾具與封裝導線的模型進行驗證。

3.1測試夾具的效應

利用向量網絡分析儀進行封裝導線量測時，必須藉由測試夾具使得高頻探針和待測物有良好的接觸，所以量測到的散射參數，將會包含測試夾具的效應，且因為無法由量測的過程將測試夾具的寄生效應移除，所以必須建立一個測試夾具的等效電路圖，來仿真測試夾具的效應，再利用去埋藏法將測試夾具效應去除。

基本上測試夾具的等效電路建立方法是依循前述的方法萃取，利用向量網絡分析儀進行校正用的測試夾具開路、短路及穿透量測，由量測的散射參數萃取測試夾具電氣參數，之后再將等效模型建于ADS電路仿真軟件中進行模擬。等效電路模型與量測值比較的結果中可以看到兩條曲線十分的吻合。

3.2封裝導線效應

在驗證包導線模型的準確性上，利用向量網絡分析儀量測短中長三組導線的開路、短路及穿透三種打線型態。中長三組導線模型與量測值的比較中發現當導線愈短時，模型仿真結果與實際量測值會愈吻合；當選擇較長導線時，其仿真與量測值的吻合程度就愈差，因為當導線愈長，其雜散電感就愈大而導致史密斯圖上的曲線就愈長；倘若導線為無損耗傳輸線，則曲線會繞著半徑為R的圓，并隨著頻率增加而順時針旋轉，但若高頻損耗嚴重，曲線會偏向R值較高的圓。一般集總模型可以準確到量測值的第一個共振點，過了第一個共振頻率，一些非線性的高頻效應會出現，導致模型與量測值并不吻合。

4總結

當頻率愈來愈高，受高頻寄生效應愈嚴重，仿真曲線與量測曲線之間的差異會愈來愈大，此時可藉由HPADS軟件優化的功能將高頻效應模型化。ADS可以提供12埠同時作優化，6埠為量測參考埠，6端口為模型資料埠。利用ADS軟件優化分別仿真開路、短路及穿透三種打線型態的電路設計圖，其中等效電路左半部為仿真測試夾具的寄生效應的電路圖，右邊為電子構裝電氣特性的等效電路圖。利用ADS軟件優化功能，仿真三組導線模型與實際量測的比較圖中可以發現高頻曲線不吻合的情況改善許多，但針對最長的導線而言，改善的情況有限，因為導線線長過長，已超過集總模型的限制而導致模型無法正確表示其電氣特性。

參考文獻：

[1]程張.混合多物理場仿真方法及其在封裝中的可靠性應用研究[D].上海交通大學，2014.

[2]高察.E系列電子封裝產品的熱性能和熱疲勞分析與設計[D].北京工業大學，2013.

[3]陳銀紅.典型封裝的電磁兼容特性建模研究[D].華北電力大學，2012.endprint