一種可改善鍵合絲截止頻率的T形匹配電路

摘? 要：介紹了一種在微波多芯片模塊中，芯片微波端口鍵合絲較長的情況下，如何對(duì)其進(jìn)行頻率拓寬的方法。針對(duì)芯片微波端口鍵合絲引入的失配情況進(jìn)行了分析和準(zhǔn)確的模型提取，并以此得出了一個(gè)有效的匹配電路結(jié)構(gòu)（T形結(jié)）。在鍵合絲長度相同的情況下，此T形匹配方式將成倍提高其使用頻率，改善電路性能。同時(shí)，此T形匹配結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：T形結(jié);鍵合絲;芯片

中圖分類號(hào)：TN402? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）02-0078-03

Abstract： This paper introduces a method of how to broaden the frequency of microwave multi chip module when the bonding wire of Chip microwave port is long. Aiming at the mismatch situation of introducing the chip microwave port bonding wire， it is analyzed and the accurate model is extracted. According to this， an effective matching circuit structure （T-junction） is obtained. When the length of bonding wire is the same， this T-shaped matching method will multiply its use frequency and improve the circuit performance. At the same time， the T-shaped matching structure is simple and convenient for design and application.

Keywords： T-junction; bonding wire; chip

0? 引? 言

近年來，微波和射頻通信技術(shù)、各種雷達(dá)等軍用電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展。對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的集成度提出了很高的要求。多芯片模塊在各種系統(tǒng)中的使用越來越多，這也是目前實(shí)現(xiàn)射頻和微波電路小型化的有效途徑。在微組裝工藝中，常常使用鍵合線對(duì)多個(gè)芯片、芯片與其他元器件之間進(jìn)行互相連接。其是微組裝中的關(guān)鍵工藝技術(shù)。鍵合工藝作為多芯片模塊中必不可少的關(guān)鍵工藝，以其靈活高效的組裝方式被大量運(yùn)用，但鍵合絲的缺點(diǎn)也越來越凸顯，尤其對(duì)于較高的頻率的系統(tǒng)而言，其電感量（鍵合絲越長電感量越大，反之越小）已不能忽略，這將嚴(yán)重影響芯片的應(yīng)用;當(dāng)微波頻率較高時(shí)，傳統(tǒng)做法常常是采用減小芯片與連接微帶線間的間隙（通常為0.075 mm～0.15 mm之間）來減小鍵合絲的長度，從而達(dá)到減小鍵合絲電感效應(yīng)的目的[1，2]。但這無形中帶來了以下三方面的問題：（1）過小的間隙造成工藝組裝困難，嚴(yán)重影響裝配效率;（2）影響鍵合效率，芯片最易鍵合距離大于0.3 mm，過小的器件間隙將使得鍵合變得困難;（3）芯片和連接的微帶線間隙過小，容易造成短路，因而影響了電路可靠性。

為了在解決以上幾方面問題的同時(shí)又不影響電路性能，這里將介紹一種針對(duì)多芯片模塊中，芯片微波端口鍵合絲的匹配方法，在鍵合絲長度相同的情況下，此匹配方法將大大提高電路的截止頻率，并改善電路性能，同時(shí)在設(shè)計(jì)中可以在工藝容許的條件下，將鍵合絲的長度適當(dāng)加長以達(dá)到工藝最優(yōu)長度，這樣可以大大提高由多種芯片組成的組件產(chǎn)品的可生產(chǎn)性，提高生產(chǎn)效率。

1? 模型提取與原理分析

這里以芯片與50歐姆微帶線間的間隙為0.4 mm，鍵合直徑為25微米金絲為例，來進(jìn)行分析，圖1為模型裝配示意圖。同時(shí)為了分析方便，這里假設(shè)芯片端口為50歐姆。

因鍵合絲具有電感效應(yīng)，因此，圖1中芯片端口直徑25微米兩根金絲可等效為一個(gè)電感。由此，圖1可以等效為一個(gè)電感串聯(lián)在兩個(gè)50歐姆端口上（假設(shè)芯片端口為50歐姆）。

我們假設(shè)選取圓柱形鍵合線，其直徑為d、長度為L，根據(jù)經(jīng)典理論，這段鍵合線的串聯(lián)電阻R與串聯(lián)電感L可分別通過下面的式（1）和式（2）表示：

式中各參數(shù)的代表意義如下：其中δ為損耗因數(shù);μr為金絲材料鍵合線的相對(duì)磁導(dǎo)率，如果是金絲材料的鍵合線，此值應(yīng)為1;μ0為空氣的磁導(dǎo)率;ds和ρ分別為金絲材料鍵合線的趨膚深度和電阻率。

為了得到鍵合金絲的長度，模擬實(shí)際的鍵合高度與芯片間距，制作了鍵合夾具，在同等工藝條件下鍵合多次后，取下鍵合金絲在帶有測(cè)距功能的高倍顯微鏡下進(jìn)行長度測(cè)量。最終得到間隙為0.4 mm時(shí)，鍵合金絲的長度大約為0.75 mm，帶入相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可得出單根鍵合金絲的電感量約為0.76 nH，進(jìn)而將此帶入到具有互感仿真功能的軟件進(jìn)行仿真，最終得出圖1中兩根直徑25微米金絲其電感量大約為0.35 nH。圖2為對(duì)其等效模型進(jìn)行理論仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果可知，當(dāng)頻率大于5 GHz時(shí)，S11與S22大于-20 dB;當(dāng)頻率大于10 GHz時(shí)，S11與S22大于-10 dB，即當(dāng)頻率越高駐波越差。此電感效應(yīng)，在實(shí)際電路中將嚴(yán)重影響微波電路頻率高端的特性。因此，將頻率拓寬變得非常有必要。

在不改變金絲長度的情況下，為了拓寬其使用頻率，必須對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配，匹配電路模型和仿真結(jié)果如圖3所示。不難看出在0～20 GHz的范圍內(nèi)，S11與S22幾乎均小于-20 dB。同時(shí)，由圖2與圖3中的仿真結(jié)果對(duì)比可知，匹配后S11與S22小于-20 dB頻帶寬度是匹配前的4倍，同時(shí)S21也改善了許多。因此，此匹配方法從理論上是可拓寬鍵合絲截止頻率的。

更進(jìn)一步，為了更接近實(shí)際電路，將根據(jù)圖3的等效匹配原理圖，用微帶電路對(duì)鍵合絲進(jìn)行匹配，將圖3中的等效電感替換為與實(shí)際對(duì)應(yīng)的鍵合金絲，LC匹配電路用微帶匹配電路來實(shí)現(xiàn)，微帶匹配電路選用厚度為10 mil的電路板。然后將金絲與其微帶匹配電路的初始值代入軟件中仿真。圖4為實(shí)際匹配電路仿真模型與仿真結(jié)果（其中：a1=0.4，a2=0.5，a3=1.1，b1=2.1，b2=0.4，單位：mm），由仿真結(jié)果可知：在0～20 GHz的范圍內(nèi)，S11與S22均小于-18 dB。同時(shí)，由仿真結(jié)果對(duì)比可知實(shí)際鍵合金絲匹配電路仿真結(jié)果與理論分析仿真結(jié)果基本保持一致。圖4（b）為匹配電路外形尺寸（由于金絲匹配電路的外形像字母“T”，故將其稱為T形結(jié)）

2? 微組裝工藝中電路調(diào)試方法的優(yōu)化

由于材料與工藝參數(shù)的波動(dòng)等原因，微波和射頻元器件都各種性能參數(shù)都有一定的波動(dòng)范圍，如功率芯片，其不同只之間的增益會(huì)波動(dòng)，輸出功率也會(huì)有一定范圍的上下浮動(dòng)，不同批次間的變化可能會(huì)更大。但對(duì)最終的微波和射頻的組件或者電子系統(tǒng)，我們往往希望其性能基本保持穩(wěn)定，不同批次間差異不能太大。另外，由于仿真精度及加工精度等影響，設(shè)計(jì)值與實(shí)際使用的各參數(shù)往往有一定的差異，為此，在產(chǎn)品裝配完成后，一般都需要進(jìn)行調(diào)試工作。特別是首次生產(chǎn)的產(chǎn)品。

電路調(diào)試的基本思路是找到影響電路性能的敏感點(diǎn)，通過改變電路在某處敏感點(diǎn)的傳輸特性，進(jìn)而改變電路的匹配特性。以前比較常用的方法是切割傳輸帶線或者在傳輸帶線旁邊粘接銅皮或者其他材料，這樣可以改變此處的傳輸特性。

但這種調(diào)試方法有很多弊端，如一次與一次的調(diào)試都有區(qū)別，無法達(dá)到每次調(diào)試都比較接近。另外，由于粘接金屬材料風(fēng)險(xiǎn)很高，很多場合為了保證較高的可靠性已禁止此種調(diào)試方法。

所以，在電路設(shè)計(jì)的初期，通過電路仿真及其他途徑確定電路的敏感點(diǎn)，然后在后期電路制作加工前，在敏感點(diǎn)附加增加一些合適的方形的獨(dú)立調(diào)試小塊。小塊大小需要考慮工作頻率及工藝對(duì)鍵合壓點(diǎn)的限制。在需要時(shí)，可以通過鍵合連接的方式連接這些調(diào)試的小塊，用于改變電路的傳輸特性，進(jìn)而改善端口特性。此方法簡單、高效。可以降低電路設(shè)計(jì)的成本，提高產(chǎn)品的成品率。

3? 結(jié)? 論

本文介紹了一種可以改善鍵合絲截止頻率的電路結(jié)構(gòu)，解決了由多芯片組成的射頻和微波電子系統(tǒng)與器件組件中，采用鍵合線互相連接電路常常要遇到的問題。這種電路設(shè)計(jì)方法可成倍改善微波芯片端口鍵合絲的截止頻率。另外，在工藝裝配過程中，由于工藝設(shè)備的要求以及工藝人員對(duì)可靠性等方面的追求，工藝要求中往往對(duì)鍵合線長度有嚴(yán)格的控制，采用文中的設(shè)計(jì)方法可以非常顯著的提高采用鍵合線互相連接電路的頻率響應(yīng)特性，很好的改善端口性能。

同時(shí)提供了一種微波電路的調(diào)試方法，通過在鍵合絲互相連接芯片及其他電路的附近設(shè)計(jì)若干合適大小的方形的獨(dú)立帶線，需要時(shí)，在工藝上可采用鍵合的方法連接，此種調(diào)試的方法適合于采用微組裝工藝組裝的多種電路形式，工藝操作簡單，可靠性高。

由于此T形匹配結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計(jì)和應(yīng)用。所以，此T形結(jié)匹配方式可大量使用在微波多芯片模塊中，這將會(huì)極大的改善多芯片模塊電路性能，減小調(diào)試量;更重要的是，由于T形結(jié)的匹配方式在保證電性能的同時(shí)，可使管芯和帶線間的間隙盡可能的大。這將極大的降低裝配和鍵合難度，從而提高生產(chǎn)效率。因此，T形結(jié)匹配電路在微波多芯片模塊中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，值得廣泛推廣和應(yīng)用。

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作者簡介：羅建（1981—），男，漢族，四川眉山人，工程師，碩士研究生，研究方向：3D-SIP及微系統(tǒng)。