干貨！金絲鍵合射頻互連線特性分析

1、引言

在雷達、電子對抗和通信等領(lǐng)域中，電子系統(tǒng)逐步朝著高密度、高速率、高可靠性、高性能和低成本等方向發(fā)展。多芯片電路作為混合電路集成技術(shù)的代表，可以在三維、多層介質(zhì)基板中，采用微組裝互連工藝將裸芯片及各種元器件設(shè)計成滿足需求的微波集成電路。在微波多芯片電路技術(shù)中，常采用金絲鍵合技術(shù)來實現(xiàn)微帶傳輸線、單片微波集成電路和集總式元器件之間的互連。與數(shù)字電路中互連線不同的是，鍵合金絲的參數(shù)特性如數(shù)量、長度、拱高、跨距、焊點位置等都會微波傳輸特性產(chǎn)生嚴重的影響。尤其是在毫米波等高頻段，鍵合金絲的寄生電感效應(yīng)尤為明顯。因此，分析金絲鍵合的電磁特性、并有效地設(shè)計金絲互連電路，對實現(xiàn)和提高多芯片電路的性能具有十分重要的意義［1］。

目前有多種方法可用來分析和改善多芯片電路中鍵合金絲的電磁特性。1995 年，Lee 采用矩量法計算鍵合線的阻抗損耗和輻射損耗，用來分析任意形狀互連線的寬帶電磁特性［2］。同年，F(xiàn). Alimenti等人提出采用準靜態(tài)法對鍵合金絲的傳輸特性進行分析［3］。由于鍵合金絲的介質(zhì)邊界是開放式且結(jié)構(gòu)呈彎曲狀，隨著工作頻率的升高和金絲互連參數(shù)的變化，采用上述方法的精度也會受到影響。隨后，在2001 年，F(xiàn). Alimenti 等人又提出采用時域有限差分法對金絲鍵合的電磁特性進行分析［4］。為補償鍵合金絲的寄生電感效應(yīng)，人們提出了多種方法，諸如增加焊盤尺寸、增加微帶調(diào)節(jié)分支線、增加高、低阻抗傳輸線來設(shè)計低通濾波器等［5］-［7］。本文首先采用路的方法對鍵合金絲互連線的傳輸特性進行建模和分析；隨后根據(jù)金絲互連線的寄生電感效應(yīng)，設(shè)計了電容補償結(jié)構(gòu)來改善傳輸線與芯片、傳輸線與傳輸線之間的微波特性。通過計算結(jié)果明，采用這種方法來設(shè)計鍵合金絲可以有效地改善多芯片電路的傳輸性能。

2、金絲鍵合的建模與分析

如圖1 所示，是典型金絲鍵合互連線的結(jié)構(gòu)模型。在兩個相鄰的芯片或傳輸線之間采用單根鍵合金絲互連線連接，金絲的長度為l，直徑為d；金絲與地面的距離為hs。其對應(yīng)的等效電路模型如圖2所示，其中，鍵合金絲可等效為串聯(lián)電阻R 和串聯(lián)電感L，鍵合金絲兩邊的焊盤則等效為兩個并聯(lián)的電容C1 和C2。

由于趨膚深度與頻率的平方根呈反比，由式（1）-（4）可知，L、C 受頻率的影響較小，R 則隨著頻率的平方根而變化。

此外，鍵合金絲的幾何參數(shù)也會對其等效電感、電容和電阻產(chǎn)生影響，相應(yīng)地也會使互連特性發(fā)生變化。如圖3 所示，是單根金絲鍵合線的直徑變化對傳輸線回波損耗的影響。隨著鍵合金絲的直徑d 增加，等效電感L 減小，R 減小，回波損耗變大，插損損耗減小。

如圖4，表示單根金絲鍵合線的拱高變化對傳輸線回波損耗的影響。隨著鍵合金絲的拱高hw 增加，鍵合金絲長度l 增大，L 增大，R 減小， 回波損耗變小，插損損耗變大。

如圖5 所示，指金絲鍵合線的數(shù)目變化對傳輸線回波損耗的影響。隨著鍵合金絲數(shù)目的增加，互連電磁特性會得到明顯改善，但2 根金絲線以上的傳輸特性區(qū)別較小。

根據(jù)上述對金絲鍵合的特性分析可知，鍵合金絲的直徑對傳輸性能影響較為明顯；拱高越低，金絲長度越小，傳輸損耗越??；同理，鍵合金絲的跨距越小，互連特性越佳；多根金絲線的插入損耗也明顯由于單根金絲線。

3、電容補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計

由金絲鍵合互連線的等效電路模型分析可知，隨著工作頻率的增大，尤其是在Ka 頻段，鍵合線的寄生電感效應(yīng)會顯著增加，并會對互連傳輸特性產(chǎn)生較大影響。為了改善金絲鍵合線的傳輸特性，本文提出了一種改進型的電容補償結(jié)構(gòu)。如圖6 所示，是所設(shè)計補償結(jié)構(gòu)的三維示意圖。在鍵合線的兩側(cè)增加焊盤尺寸，并在其下方增加相應(yīng)長度的金屬帶狀線。采用該種結(jié)構(gòu)，可以增加耦合電容來補償鍵合線的寄生電感效應(yīng)。

根據(jù)上述方法，本文設(shè)計了金絲鍵合互連想的電容補償結(jié)構(gòu)。介質(zhì)基底采用Rogers 5880 材料，其介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.0009，基底厚度是0.254 mm。金絲鍵合數(shù)目是兩根， 直徑0.025mm，長度0.3 mm。在三維全波仿真軟件

Ansys HFSS 中進行仿真優(yōu)化設(shè)計，最終確定電容補償結(jié)構(gòu)的尺寸大小分別為w1=0.3 mm， l1=0.3 mm，w2=0.3 mm， l2=1.32 mm， 端口處50 歐姆微帶線的寬度為w0=0.72 mm， l0=1.1 mm。如圖7-8 所示，分別是兩種是否含有電容補償結(jié)構(gòu)的傳輸損耗和回波損耗的比較圖。由圖可知，在帶有2 根鍵合金絲線的互連結(jié)構(gòu)中，采用所設(shè)計的電容補償結(jié)構(gòu)，在Ka 頻段（20-40 GHz），插入損耗大約減小了0.1 dB-0.2 dB；回波損耗在20-30GHz 的頻率范圍內(nèi)增加了約23 dB，在更高頻段內(nèi)也增大了5-10 dB。所提出的電容補償結(jié)構(gòu)顯著地改善了由于金絲鍵合的寄生電感效應(yīng)所惡化的互連傳輸特性。

4、結(jié)論

本文提出了一種金絲鍵合互連線的電容補償結(jié)構(gòu)。通過對鍵合互連線的電磁特性進行建模和分析，設(shè)計了電容補償結(jié)構(gòu)來減小鍵合互連線的寄生電感影響。與未進行電容補償?shù)慕鸾z互連線相比，所設(shè)計的金絲鍵合電容補償結(jié)構(gòu)可以明顯改善互連線傳輸特性。在Ka 頻段，插入損耗減小了0.1 dB-0.2 dB；回波損耗（在20-30 GHz 的頻率范圍內(nèi)）增加了約23 dB。采用本文所提出的金絲鍵合電容補償結(jié)構(gòu)，可以有效地用于多芯片電路中傳輸線與芯片、傳輸線和傳輸線之間的互連設(shè)計。