構(gòu)裝電氣特性等效研究

王聯(lián)根

【摘 要】針對(duì)封裝導(dǎo)線的電氣特性建立適當(dāng)?shù)牡刃щ娐纺Ｐ停紫壤镁W(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)待測(cè)物（mBGA）進(jìn)行全雙埠散射參數(shù)量測(cè)，然后藉由HPADS優(yōu)化功能，萃取出等效電路組件，建立構(gòu)裝的高速電氣模型，以提供PC板及芯片模塊設(shè)計(jì)業(yè)，能考慮構(gòu)裝的電氣特性，或提供IC設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)有良好的依據(jù)以考慮封裝效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】構(gòu)裝；電氣；特性；等效；研究

1前言

對(duì)于高速數(shù)字設(shè)計(jì)者而言，“集總模型”和“離散模型”是兩個(gè)重要的模型，建立等效電路以這兩種模型為主，根據(jù)封裝導(dǎo)線的通路長(zhǎng)度、信號(hào)的上升時(shí)間和傳播速度來(lái)決定電路處于何種模型的環(huán)境。如果傳輸線的整體傳輸延遲時(shí)間較信號(hào)的上升時(shí)間來(lái)的短，且只需一個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)就可以代表整體電磁性能，稱此為“集總模型”。

但當(dāng)傳播速度增加或者導(dǎo)線通路的長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)傳輸線的現(xiàn)象，此時(shí)導(dǎo)線的電氣特性需要無(wú)限個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)才能表現(xiàn)整體的電磁性能，此時(shí)表示模型已經(jīng)進(jìn)入“離散模型”的領(lǐng)域[1]。在集總模型中，整個(gè)導(dǎo)線上，都具有相同的電位，反之當(dāng)進(jìn)入離散模型之后，導(dǎo)線上每一點(diǎn)的電位都不會(huì)相等。通常設(shè)計(jì)封裝導(dǎo)線時(shí)，盡可能讓電路留在集總模型領(lǐng)域，因?yàn)槿綦娐诽幱陔x散模型領(lǐng)域的話，設(shè)計(jì)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(yīng)。

2集總模型的建立

目前一般的數(shù)字應(yīng)用中，大部分需要上升時(shí)間約為1ns的電氣模型，但隨著所應(yīng)用的產(chǎn)品速度愈來(lái)愈快，所以至少要求所建立的電氣模型可以應(yīng)用到上升時(shí)間為0.5ns，所以典型頻域量測(cè)約3G～5G的范圍[2]。選擇的量測(cè)頻率范圍從50MHz～3GHz。根據(jù)向量網(wǎng)絡(luò)分析所量測(cè)的散射參數(shù)，建立符合封裝導(dǎo)線的等效電路來(lái)表示它。一般常見(jiàn)的等效電路架構(gòu)有T型與π型兩種模型。在此采用π型等效電路架構(gòu)。建立封裝導(dǎo)線為開(kāi)路時(shí)的等效電路圖，包括導(dǎo)線本身的自感、自容、互感和互容，且在自感上串聯(lián)一個(gè)直流電阻及并聯(lián)一個(gè)集膚電阻，因?yàn)榧w電阻是一個(gè)高頻才會(huì)出現(xiàn)的參數(shù)，所以是以并聯(lián)的方式來(lái)呈現(xiàn)。為封裝導(dǎo)線短路及穿透時(shí)的等效電路圖。在開(kāi)路方面：導(dǎo)線末端以串接一個(gè)10fF的電容連接到地，來(lái)模擬開(kāi)路效應(yīng)；在短路方面：導(dǎo)線末端以串接一電感連接到地，來(lái)模擬金線打到接地環(huán)的效應(yīng)，金線電感以電磁仿真軟件仿真結(jié)果約為0.7nH；在穿透方面：導(dǎo)線末端以一個(gè)電感連接導(dǎo)線兩端，來(lái)仿真兩導(dǎo)線之間以打金線方式互相連接的效應(yīng)。

2.1電氣參數(shù)R/L/C

建立導(dǎo)線等效模型之后，必須萃取出組件的參數(shù)值，將雜散電感與電容值的公式[3]，再配合實(shí)際向量網(wǎng)絡(luò)分析儀量測(cè)的散射參數(shù)，將其代入公式中可以得到代表短中長(zhǎng)三組導(dǎo)線，電容與電感對(duì)頻率的關(guān)系，由中可以了解當(dāng)頻率愈低時(shí)，電容電感值不會(huì)隨著頻率而改變，會(huì)維持一個(gè)定值；但隨著量測(cè)頻率逐漸增加時(shí)，電容與電感將是頻率的函數(shù)，不再維持一個(gè)定值，但對(duì)于短導(dǎo)線這種情形較不明顯，相反的當(dāng)導(dǎo)線愈長(zhǎng)，電容及電感值隨頻率變化的情況就愈嚴(yán)重。由此可知當(dāng)封裝體所使用的頻段愈高，導(dǎo)線長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，整體的電氣特性會(huì)愈來(lái)愈差，所產(chǎn)生的噪聲及干擾會(huì)愈明顯。

2.2高頻效應(yīng)

由雜散電容與電感公式推導(dǎo)的過(guò)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(huì)愈準(zhǔn)確，隨著頻率愈高，一些非線性的效應(yīng)會(huì)愈來(lái)愈明顯，一個(gè)完美的導(dǎo)線與基板應(yīng)該在任何頻率之下皆不會(huì)有損耗，但事實(shí)上并非如此，由中可了解當(dāng)導(dǎo)線上有電阻時(shí)，隨著頻率增加會(huì)有一個(gè)固定損耗，而因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗則會(huì)與頻率呈現(xiàn)一平方根的關(guān)系，而介質(zhì)本身所產(chǎn)生的損耗與頻率的關(guān)系大約呈現(xiàn)一個(gè)線性關(guān)系，且由圖中可知當(dāng)量測(cè)頻段中有共振頻率產(chǎn)生時(shí)，將會(huì)有很大的損耗值產(chǎn)生。所以通常集總模型可適用于各種封裝導(dǎo)線，但其準(zhǔn)確性只到第一個(gè)共振點(diǎn)，由于有這些損耗存在，所以必須配合ADS中優(yōu)化的功能來(lái)調(diào)整所萃取的電路組件參數(shù)值，才能得到一組符合量測(cè)值的最佳參數(shù)。

3頻域量測(cè)與模型仿真結(jié)果比較

驗(yàn)證在所建立封裝導(dǎo)線模型，是否符合實(shí)際封裝導(dǎo)線的電氣參數(shù)，使用（ADS）軟件，來(lái)仿真模型開(kāi)路、短路與穿透三種電路的散射參數(shù)，將此結(jié)果與實(shí)際利用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀所量測(cè)的散射參數(shù)互相比較，經(jīng)由兩曲線的吻合度，驗(yàn)證集總模型的準(zhǔn)確性，將針對(duì)測(cè)試夾具與封裝導(dǎo)線的模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1測(cè)試夾具的效應(yīng)

利用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行封裝導(dǎo)線量測(cè)時(shí)，必須藉由測(cè)試夾具使得高頻探針和待測(cè)物有良好的接觸，所以量測(cè)到的散射參數(shù)，將會(huì)包含測(cè)試夾具的效應(yīng)，且因?yàn)闊o(wú)法由量測(cè)的過(guò)程將測(cè)試夾具的寄生效應(yīng)移除，所以必須建立一個(gè)測(cè)試夾具的等效電路圖，來(lái)仿真測(cè)試夾具的效應(yīng)，再利用去埋藏法將測(cè)試夾具效應(yīng)去除。

基本上測(cè)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(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校正用的測(cè)試夾具開(kāi)路、短路及穿透量測(cè)，由量測(cè)的散射參數(shù)萃取測(cè)試夾具電氣參數(shù)，之后再將等效模型建于ADS電路仿真軟件中進(jìn)行模擬。等效電路模型與量測(cè)值比較的結(jié)果中可以看到兩條曲線十分的吻合。

3.2封裝導(dǎo)線效應(yīng)

在驗(yàn)證包導(dǎo)線模型的準(zhǔn)確性上，利用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀量測(cè)短中長(zhǎng)三組導(dǎo)線的開(kāi)路、短路及穿透三種打線型態(tài)。中長(zhǎng)三組導(dǎo)線模型與量測(cè)值的比較中發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)線愈短時(shí)，模型仿真結(jié)果與實(shí)際量測(cè)值會(huì)愈吻合；當(dāng)選擇較長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，其仿真與量測(cè)值的吻合程度就愈差，因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)線愈長(zhǎng)，其雜散電感就愈大而導(dǎo)致史密斯圖上的曲線就愈長(zhǎng)；倘若導(dǎo)線為無(wú)損耗傳輸線，則曲線會(huì)繞著半徑為R的圓，并隨著頻率增加而順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但若高頻損耗嚴(yán)重，曲線會(huì)偏向R值較高的圓。一般集總模型可以準(zhǔn)確到量測(cè)值的第一個(gè)共振點(diǎn)，過(guò)了第一個(gè)共振頻率，一些非線性的高頻效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)致模型與量測(cè)值并不吻合。

4總結(jié)

當(dāng)頻率愈來(lái)愈高，受高頻寄生效應(yīng)愈嚴(yán)重，仿真曲線與量測(cè)曲線之間的差異會(huì)愈來(lái)愈大，此時(shí)可藉由HPADS軟件優(yōu)化的功能將高頻效應(yīng)模型化。ADS可以提供12埠同時(shí)作優(yōu)化，6埠為量測(cè)參考埠，6端口為模型資料埠。利用ADS軟件優(yōu)化分別仿真開(kāi)路、短路及穿透三種打線型態(tài)的電路設(shè)計(jì)圖，其中等效電路左半部為仿真測(cè)試夾具的寄生效應(yīng)的電路圖，右邊為電子構(gòu)裝電氣特性的等效電路圖。利用ADS軟件優(yōu)化功能，仿真三組導(dǎo)線模型與實(shí)際量測(cè)的比較圖中可以發(fā)現(xiàn)高頻曲線不吻合的情況改善許多，但針對(duì)最長(zhǎng)的導(dǎo)線而言，改善的情況有限，因?yàn)閷?dǎo)線線長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，已超過(guò)集總模型的限制而導(dǎo)致模型無(wú)法正確表示其電氣特性。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]高察.E系列電子封裝產(chǎn)品的熱性能和熱疲勞分析與設(shè)計(jì)[D].北京工業(yè)大學(xué)，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(xué)，2012.endprint