雷達射頻前端金絲互連線電磁特性深度剖析與寬帶補償優化設計

摘要：在雷達通信等射頻前端系統中，不同功能芯片常以金絲線互連。隨著射頻電路系統小型化，裸芯片封裝基板布線變細、間距變窄，且信號傳輸速率與工作頻率提高，致使傳輸線寄生效應更顯著。本文著重分析金絲互連線電磁特性，研究線長、拱高、間距等結構參數對傳輸性能的影響，以及不同結構尺寸下的電磁特性。在此基礎上提出一種面向寬帶雷達射頻前端的金絲互連補償設計方法，在共面波導傳輸線上引入電容性補償結構提升寬帶阻抗匹配。仿真結果顯示，在 DC-6GHz 范圍內，補償后的金絲互連線回波損耗大于 50 dB、插入損耗小于 0.1 dB，相比傳統方法回波損耗提升 8～10 dB。

關鍵詞：雷達射頻前端；射頻電路系統小型化；金絲互連；電磁特性；寬帶阻抗匹配

中圖分類號：TN42" " "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）19-0001-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著半導體技術的進步，雷達通信等電子系統向小型化、高頻化發展，多芯片模組（Multi-Chip Module， MCM） 技術得到廣泛應用。然而，集成電路的特征尺寸縮小至接近物理極限，導致互聯損耗和延遲問題加劇，增加了芯片和封裝布線的復雜性。這些挑戰嚴重阻礙了雷達射頻前端的小型化進程[1-3]。

在射頻集成電路中，晶體管和互連線是其組成部分。低集成水平下，器件影響電路速度、封裝密度和成品率，但隨著特征尺寸降低、芯片集成度提高，互連線長度增加、厚度變大、線間距減小，其耦合電容大于自有電容，重要性日益凸顯。同時，信號傳輸中因芯片、鏈路、電源等因素引起的反射、過沖、串擾等信號完整性問題（Signal" Integrity， SI） 影響增大。傳輸速率達 Gbps 量級后，硬件系統設計更難，高速信號易受電源波動、阻抗失配、鄰道串擾等干擾，導致信號畸變。板材的介電常數和介質厚度、傳輸線的線寬、線厚、線長和線間距過孔的孔徑、焊盤、反焊盤和過孔殘樁等因素都會影響到傳輸鏈路的性能，不合理參數設計易引發信號完整性問題[4]。尤其在國產微系統向高速率發展時，互連線作為芯片后端物理設計中的重難點，以信號完整性理論為基礎優化高速信號傳輸鏈路意義重大。

實現高速信號系統的小型化設計的過程中，互連結構間近場耦合愈發嚴重，使得系統內電磁兼容問題突出，多種分析、測試、模擬、優化措施也是圍繞互連結構的近場展開的，封裝的結構設計及基板設計將直接影響芯片的最終性能[5]。因此，研究互連結構間的電磁特性，有助于提高電路系統中信號傳輸能力、還能分析系統中電磁兼容問題來源，減小模塊間電磁干擾，對實現電路技術的進一步發展具有巨大的促進作用。金絲互連線因其獨特的優勢在射頻芯片、基板與模塊之間的連接中得到了廣泛的應用。這種連接技術不僅能夠實現微帶傳輸線、單片微波集成電路和集總式元器件之間的高效互連，而且在高密度、高速率、高可靠性、高性能和低成本的電子系統發展趨勢中扮演著重要角色[6]。

然而，在高頻工作頻段，金絲互連的傳輸特性受到熱膨脹和基板尺寸差異的嚴重影響。金絲互連線的材料特性柔軟，其互連線之間的距離、高度以及形狀等特性直接影響其傳輸和發射系數。射頻器件的信號傳輸性能受到電路中引線的寄生效應和趨膚效應的顯著影響，這些效應限制了金絲鍵合在毫米波段和更高波段產品中的應用。此外，金絲互連結構在傳輸性能上存在不足，可能導致整體芯片電路性能下降、系統效率低、耗能高等多種問題。因此，為了適應寬帶、高速、小型化應用的需求，金絲互連線的設計和優化變得尤為重要，需要通過精確的電磁特性分析和匹配設計來提高其在高頻應用中的性能[7-8]。

為了改善金絲互連線的信號完整性問題，本研究首先采用等效電路模型對金絲互連線的電氣特性進行了建模與表征。隨后，利用三維電磁仿真軟件，對金絲互連線的線長、拱高和間距等結構參數對電磁傳輸特性的影響進行了深入分析，確定了傳輸系數和反射系數的變化范圍。基于這些分析結果，本研究進一步進行了寬帶阻抗匹配設計，旨在降低高頻條件下金絲互連線的寄生效應。

1 金絲互連線的電磁特性分析

如圖1所示，通過金絲鍵合線將芯片連接至基板上的共面波導傳輸線，該鏈路的傳輸性能會被鍵合線的阻抗不連續性嚴重影響。其中h為金絲拱高，l為金絲互連線長度，d為金絲線的直徑。在實際應用中，通過優化鍵合線尺寸和設計補償結構來減小傳輸路徑的電氣不連續性。

如圖2所示，基于準靜態等效電路方法，金絲鍵合線可以被等效為一個串聯電感LB、一個串聯電阻RB，和兩個并聯電容CB構成的π型低通濾波器網絡。隨著頻率的升高，電感LB逐漸增大，鍵合線整體會呈現為電感特性，并且鍵合線的尺寸對其寄生電抗有明顯的影響；并聯電容CB因為其數值很小，對電路的傳輸性能影響不明顯，通常可以忽略不計。

在自由空間中，對于長度為l為，直徑為d為金絲互連線，其等效電路中的串聯電阻和電感可以計算為以下公式：

[LB=μ0l2π?ln4ld+μrtan4ld4-1]" （1）

[RB=4ρl/πd2?cos0.041dδ2d/δ≤3.3944ρl/πd2?0.025d/δ+0.0265d/δ≥3.394]" （2）

式中，μ0為空氣介質的磁導率，μr和ρ分別為金絲線的相對磁導率和電阻率；δ為金絲線的趨膚深度。若考慮接地板的影響，則假設金絲線距地面平均高度為h0，采用鏡像法對金絲線的串聯電感進行修正：L=LB-Mg，其中，Mg可表示為：

[Mg=μ0l 2π?lnl 2h0+1+l 2h0212+2h0 l-2h0 l212] （3）

本研究針對金絲鍵合互連線的不同尺寸，進行了電磁性能的仿真分析，以深入探討金絲鍵合線的電磁特性。如圖3所示，金絲鍵合線的跨度被設定為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm三個不同的值。仿真結果顯示，隨著金絲鍵合線跨度l的增加，回波損耗S11和插入損耗S21都逐漸惡化，信號反射現象顯著增強。如 （1） 和 （2） 式所示，金絲線的長度增加導致其自感量逐漸增大，進而使得串聯電感 LB? 和電阻 RB? 增加，導致鍵合線的阻抗增大，整個鏈路的電氣不連續性也隨之增強。因此，金絲線長度作為影響鏈路傳輸性能的主要參數，在機械精度滿足的情況下，盡量采用較短的金絲線作為互連結構。

如圖4所示，金絲線拱高分別設置為0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm，隨著鍵合線高度h的增加，傳輸鏈路的回波損耗S11和插入損耗S21會明顯增大。在式 （1） 中，電感與導線的長度成正比，金絲線的高度h增加，導致其長度l增大，導致其電感值LB增大。在式 （3） 中，較高的鍵合線其距離地面的平均高度h0增大，地面與金絲線間的耦合Mg減小。因此，鍵合線的綜合寄生電感L=LB-Mg增大，金絲線隨其高度的增加，阻抗失配越來越嚴重，并且可能增加信號傳輸過程中的延遲和失真。尤其是在高速信號傳輸中，這可能會降低信號的完整性。從力學角度考慮，較高的鍵合線可能使其更易于受到機械應力的影響，如振動或沖擊，這可能會影響鍵合線的機械穩定性和可靠性。因此，在保證機械特性穩定的情況下，盡量降低金絲鍵合線的拱高。

如圖5所示，金絲鍵合線的間距D分別設置為0.15 mm、0.25 mm、0.35 mm，鍵合線的回波損耗S11和插入損耗S21隨鍵合線間的距離D的增加而改善。并聯鍵合線的使用可以有效地降低每個單獨鍵合線的電流負荷，從而減少每個導線的自感LB。LB自感的減少對于降低電路的感性負載至關重要，因為它直接影響到高頻信號的傳輸效率。在高頻信號傳輸中，較低的自感意味著較小的感性抗，從而降低了信號傳輸過程中的阻抗，提高了信號的傳輸速度和完整性。此外，減小鍵合線之間的距離還可以減少地彈電壓噪聲，這是因為地彈電壓噪聲與返回路徑的總電感和共用返回電流路徑有關。通過減小鍵合線之間的距離，可以增加兩支路之間的互感，從而減少地彈電壓噪聲，提高信號的穩定性和可靠性。因此，適當減小鍵合線的間距D，可以減少信號反射，提高信號穩定性。

在不改變其他結構參數的基礎上，如圖6所示，將鍵合線數目分別N設置為1、2、3，鍵合線的回波損耗S11和插入損耗S21隨多根鍵合線數目N的增加而改善。鍵合線主要呈現電感特性，增加鍵合線的數目N可以有效增大鍵合線間的互感，這種互感的增加有助于降低金絲鍵合線的整體寄生電感L。根據電磁場理論，局部互感與導線之間的距離成反比，即鍵合線間距越近，互感越大，從而使得任意一條鍵合線的總電感減小。這種減小的寄生電感有助于降低電路的感性負載，從而提高高頻信號的傳輸效率。因此，焊盤區域允許的情況下，盡量使用Ngt;3的金絲線數目，這樣能夠有效地改善金絲鍵合線的性能，滿足現代電子系統對于高密度、高速率和高可靠性的需求。

2 金絲互連線的寬帶匹配設計

如圖7所示，基板上的傳輸線選用CPW 傳輸線，即共面波導傳輸線，由一個中心導體和兩個位于同一平面上的接地導體組成，且通常放置在一個介質基板上，中心導體和接地導體之間有一定的間隙。它具有能夠使信號在導體表面傳播，同時較好地控制阻抗以及減少寄生電感和電容等優點。在共面波導（CPW） 傳輸線中引入電容性補償結構，旨在對鍵合線的電感性寄生電抗進行有效補償。通過精確調節傳輸線的線寬W，實現阻抗匹配，進而優化整體傳輸特性。該補償結構的設計原理基于電容與電感的相互作用，通過調整線寬W，可以改變傳輸線的電容參數，從而與鍵合線的電感特性形成互補，有效降低鍵合線的電感效應。這種設計方法不僅能夠減少信號傳輸中的寄生效應，還能提高信號完整性，對于高頻信號傳輸具有重要意義。

從電路理論可知，電感和電容在交流電路中會產生相反的電抗效應。當在包含金絲鍵合線的電路中加入合適的電容性補償后，在特定頻率下，電容的容抗與鍵合線的感抗能夠相互抵消或部分抵消，從而使整個電路的電抗值趨近于理想狀態，實現阻抗匹配的優化。例如，可以在鍵合線的兩端或特定位置加載一個電容，通過計算和實驗確定該電容的大小，以達到最佳的補償效果。

如圖8所示，由于金絲互連本身的寄生電容CB太小可以忽略，其等效電路模型可用電感表示。為了減小金絲鍵合在高頻的電感特性，通過增大與金絲互連線相連接的CPW的寬度，加強CPW與接地面之間的耦合，增大寄生電容，在電路圖中等效為在鍵合線的電感兩端加入并聯電容Cc，形成一個低通濾波的π形網絡。此外，這種電容補償結構的設計還可以減小由金絲鍵合線所產生的額外插入損耗，改善傳輸線與芯片、傳輸線與傳輸線之間通過鍵合金絲互連的微波傳輸特性。通過精確的電路設計和參數調整，可以優化金絲鍵合線的電磁特性，提高整個系統的信號完整性和性能。

如圖9所示，當對補償結構的寬度 W 進行調整時，發現了一個顯著的規律：隨著寬度 W 的逐步增加，鍵合線的回波損耗和插入損耗呈現出不斷減小的趨勢。深入探究其內在原理，這主要是因為隨著寬度 W 的增加，補償結構的寄生電容會相應提升。從電磁學的基本原理可知，電容與電感在電路中具有相互作用的關系。在這種情況下，補償結構寄生電容的提升能夠有效地減小鍵合線的寄生電感。當鍵合線的寄生電感得以減小后，整個傳輸線路的阻抗匹配狀況得到改善。在高頻信號傳輸時，阻抗匹配程度的優化極大地減少了信號的反射現象，從而使得回波損耗顯著降低。

如圖10所示，著重針對補償后的鍵合線互連以及未經補償的鍵合線展開了全面且細致的對比研究。經過補償后的鍵合線互連，其回波損耗獲得了7 dB 以上的大幅改善。在DC-6GHz范圍內，互連線的回波損耗大于50 dB， 插入損耗小于0.1 dB。插入損耗的微小數值表明信號在通過鍵合線互連時所遭受的能量衰減微乎其微。這對于維持信號的強度和質量起到了關鍵的支撐作用，確保信號在長距離傳輸或經過多個部件連接后仍能保持足夠的強度，避免因過度衰減而導致信號無法被有效接收或處理，從而保障整個系統的正常運行和探測、通信等功能的精準實現。

3 結論

針對雷達通信射頻前端中金絲互連線隨著工作頻率的提升容易產生寄生效應等問題，通過等效電路方法成功構建了金絲互連線的電氣特性模型，并分析了金絲互連線與接地面之間的耦合效應。為后續對其電磁傳輸特性的分析和優化提供理論基礎。隨后利用三維電磁仿真全面深入地研究了金絲互連線的線長、拱高、間距等結構參數對電磁傳輸特性的影響。明確了各參數與電磁傳輸特性之間的量化關系，確定了在不同應用需求下各參數的優化方向。創新性地采用高低阻抗線對互連線進行寬帶阻抗匹配設計，并于金絲互連線構成π形寬帶匹配網絡，有效減小了高頻時金絲互連線的寄生效應。經過補償后的金絲互連線在范圍內展現出卓越的性能，回波損耗大于50 dB，插入損耗小于 0.1 dB。這一成果顯著提高了雷達通信射頻前端的信號傳輸效率和質量，降低了信號反射與衰減，增強了整個系統的穩定性和可靠性，為雷達通信系統在復雜電磁環境下的高精度探測與穩定通信提供了有力保障。

在未來，可借助人工智能與大數據技術，實現金絲互連線的智能化設計與優化。通過收集大量的金絲互連線設計參數、電磁傳輸特性數據以及實際應用中的性能反饋數據，利用機器學習算法建立智能設計模型。該模型能夠根據給定的雷達通信系統性能要求，自動生成最優的金絲互連線設計方案，包括結構參數、材料選擇以及阻抗匹配網絡設計等。

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【通聯編輯：梁書】