微波毫米波系统级封装中键合线建模

微波毫米波系统级封装中键合线建模

孙一超胡静钱学军

摘要：在系统级封装中，存在微波及高速电路，如果没有考虑互连线对电路性能的影响，可能会导致最终的电路不能满足设计要求。本文利用3维电磁场仿真软件HFSS分析单根键合线的电磁特性，建立单根键合线的电路模型，并研究不同参数下键合线在电磁特性方面的区别。

关键词：键合线HFSS 等效电路

Bond-Wire Modeling in Microwave Millimeter Wave System-Level Package Abstract: Without considering the influence of the interconnection line on the electric circuit performance in system-level package, the final electric circuit may not to be able to satisfy the design requirements for the existence of microwave and high-speed circuit. In this paper,the 3D electromagnetic analysis software HFSS was used to analyse the simple and the circuit model was build for the microwave

Characteristics of the bond-wire in with different parameters.

Keyword: Bond-Wire HFSS Equivalent Circuit

1.引言

随着科技水平的不断提高，无论是军用还是民用通信系统的功能都变得日益强大，随之电路结构也变得日益复杂，电路的规模、体积也不断增大。通常，电路的体积庞大会限制其应用，为此，自上世纪90年代以来，能将微处理器、存

储器以及模拟与数字IP核等集成在单一芯片上实现系统功能的系统级芯片（SoC）技术得到了快速发展。但受工艺制造水平及工艺兼容性所限，一些功能强大的SoC很难实现，因此人们又提出了系统级封装技术。系统级封装能将模拟、数字、微波、光电、微电子机械系统（MEMS）等不同工艺制作的芯片集成在一起，实现强大的系统功能，成为代表未来10年的主流封装技术。然而，系统级封装技术涉及的问题很多，而且亟待解决。在系统级封装中，存在微波及高速电路，如果没有考虑互连线对电路性能的影响，可能会导致最终的电路不能满足设计要求。为此，需要在电路设计之初就要考虑互连线的寄生效应，并将其作为整体电路的一部分加以分析、仿真。

本文中，我们将通过HFSS全波分析软件仿真或得s参数，并建立相应的电路模型，从而

进行一些初步研究。

2.分析计算

图1 键合金丝示意图

2.1 仿真HFSS

一个典型的金丝键合模型如图1所示。本课题模型中，选用的微带线的介电常数是2.16，损耗角正切是0.009，介质板的厚度为0.25mm，且特性阻抗为50Ω，中心频率为2.5GHz，可用软件算得，微带线的宽度为0.76mm，模型如图2所示，

图2 键合金丝及微带线模型

初步将其他参数定为：两微带线间距d=0.5mm ，拱高h=0.12mm ，金丝直径zjing=0.04mm ，得S11和S12（对称模型，S11=S22，S12=S21）如图3所示：

S11 S12

图3 d=0.5mm h=0.12mm zjing=0.04mm 有金丝时的S 参数

由于此处的端口是设置在最外侧，不只是金丝，微带线的属性也包含在内，因此，单独对微带线进行建模测其S 参数。

图4 微带线模型

S11 S12

图5 d=0.5mm h=0.12mm zjing=0.04mm 没有有金丝时的S 参数

由上可以得到单独的键合金丝的S 参数，再根据S 参数和Y 参数的关系，便可以得到Y 参数的值。 2.2 建模

键合线等效电路模型可以用图6所示的二端口网络来表征。

图6 键合线等效电路模型

图中，R1和R2代表终端阻抗，C1和C2为终端电容，R 为键合线的电阻损失。据Π型网和 Y 参数矩阵的关系，可以得到：

则，经过变形易得：

以频率为2.5GHz，d=0.5mm h=0.12mm zjing=0.04mm为例，金丝加微带线的S

参数为：

S11=S22=-25.4,S12=S21=-0.158

由S、Y参数的对应关系：

得：

Y11=Y22=-0.0216 Y12=Y21=0.000016

同理，微带线的S参数为：

S11=S22=-0.143,S12=S21=-45.2

对应的Y

参数为：

Y11=Y22=-0.02 Y12=Y21=-0.000885

则键合线的Y参数为：

Y11=Y22=-0.0016 Y12=Y21=0.0009

再由电路元件的求解公式可得即可得到等效电路模型的各个参数：

R1=R2=1428.7Ω R=1.1kΩ

C1=C2=0.046pF L=0.071μH

2.3 分析

2.3.1参数随频率的变化特性：

保持其他条件不变，取d=0.5mm h=0.15mm zjing=0.04mm条件下，频率依次为2GHz、2.2GHz、2.4GHz、2.6GHz、2.8GHz，得到表1。

表1 参数随频率变化的特性表

d=0.5mm h=0.15mm zj=0.04mm

f/

GHz

微带线和金丝微带线R1=R2

/Ω

R

/Ω

C1=C2

/pF

L

/μH S11 S12 S11 S12

2.0 -26.4 -0.127 -0.114 -46.8 1437 1159 0.055 0.099 2.2 -26.1 -0.139 -0.125 -46 1432 1138 0.050 0.083 2.4 -25.6 -0.152 -0.137 -45.5 1389 1124 0.047 0.075 2.6 -25.05 -0.165 -0.149 -44.9 1344 1108 0.0455 0.068

2.8 -24.3 -0.18 -0.162 -44.8 1260 1103 0.0451 0.063

3.0 -22.5 -0.2 -0.174 -36.3 1397 893 0.0380 0.048

由表1易得：R、L、C均是随着频率的变大而变小。

2.3.2参数随间距d的变化特性：