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摘要：

      研究了芯片封裝中鍵合線的建模和模型參數(shù)提取方法。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)參量，提出了單鍵合線的"型等效電路并提取了模型中的R、L和C參量。最后，設(shè)計(jì)出一個(gè)簡單、低成本的測試結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果。

1、引言

      隨著集成電路(IC)工作頻率或速度不斷提高以及產(chǎn)品小型化的要求，封裝成為高頻集成電路設(shè)計(jì)的瓶頸，它在信號完整性、損耗等多方面影響電路的特性。芯片與引線框架的互連技術(shù)是IC封裝中極為關(guān)鍵的工藝步驟。雖然目前已經(jīng)開發(fā)了很多新的互連結(jié)構(gòu)，例如互連點(diǎn)、凸點(diǎn)、按鍵結(jié)構(gòu)、彈簧結(jié)構(gòu)和柱狀結(jié)構(gòu)等，但是IC市場上引線鍵合技術(shù)因?yàn)槠涞统杀竞涂煽康闹圃旒夹g(shù)仍占主要地位。

      IC發(fā)展對引線鍵合技術(shù)的挑戰(zhàn)日益增大，尤其是在高速電子產(chǎn)品和射頻(RF)產(chǎn)品上，因此，人們越來越關(guān)心封裝鍵合線的高頻性能。本文主要研究了鍵合線的Spice模型和模型參數(shù)提取方法，建立了單個(gè)鍵合線的Ⅱ型等效電路，給出了根據(jù)二端口S參數(shù)提取鍵合線等效電路模型中的R、L和C真參量值的方法。為了去除測試結(jié)構(gòu)對鍵合線的影響，準(zhǔn)確地獲得鍵合線的S參數(shù)，在電路仿真和測試中使用了去嵌入(de-embedding)技術(shù)。最后設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的低成本的測試結(jié)構(gòu)，比較驗(yàn)證了仿分析結(jié)果。

2、鍵合線模型

      目前，全波分析方法被廣泛應(yīng)用在互連結(jié)構(gòu)建模中。本文采用了HFSS全波分析軟件來仿真鍵合線的電特性。鍵合線等效電路模型可以用圖1所示的二端口網(wǎng)絡(luò)來表征。圖中，R1和R2代表終端阻抗，C1和C2為終端電容，R為鍵合線的電阻，并表示為:

      根據(jù)Ⅱ型網(wǎng)和Y參數(shù)矩陣的關(guān)系，可以得到:

      以上分析可見，若已知鍵合線二端口網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)矩陣，即導(dǎo)納參數(shù)矩陣，就可以分別計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中的電阻、電容和電感量。在確定的特征阻抗下(一般取特征阻抗為50Ω)，Y參數(shù)與S參數(shù)間存在確定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，通過全波分析軟件仿真鍵合線的S參數(shù)就可以獲得需要的模型參數(shù)。圖2給出了HFSS環(huán)境下鍵合線S參數(shù)仿真結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，在FR-4基板上放置著兩段金屬線，一根直徑為1mil，長度為2毫米的鋁絲鍵合線用于連接這兩段金屬。圖3是該結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真結(jié)果。

      圖3中仿真的S參數(shù)為整個(gè)測試結(jié)構(gòu)的，即包含了鍵合線和兩端金屬線的總的S參數(shù)。為了去除兩端金屬線的電特性，僅留下鍵合線的特性，本文采用了開路結(jié)構(gòu)法進(jìn)行去嵌入(de-embedding)[8]。將兩段金屬線組成的二端口網(wǎng)絡(luò)與鍵合線網(wǎng)絡(luò)看作兩個(gè)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，若已知兩段金屬線組成的網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)和并聯(lián)后網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)，則鍵合線網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)可以表示為:

      這樣，根據(jù)式(6)-(11)可以計(jì)算出鍵合線等效電路中的每個(gè)參量。計(jì)算得到的參量R和L是頻率的函數(shù)，這樣，式(1)、(2)中R和L的系數(shù)可以利用Matlab®軟件中的曲線擬和函數(shù)計(jì)算出來，表1給出了曲線擬和結(jié)果。

3、制造和測量

      圖5給出了圖2所示測試結(jié)構(gòu)的實(shí)物照片，其中，鋁絲鍵合線使用ASMAB510半自動(dòng)鋁絲鍵合機(jī)來實(shí)現(xiàn)。工作頻率范圍在10MHz～6GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8357A經(jīng)過校準(zhǔn)后，分別測試出整個(gè)測試結(jié)構(gòu)和開路結(jié)構(gòu)的S參數(shù)。最后，根據(jù)本文第二部分的公式得到單根鍵合線實(shí)測的S參數(shù)以及相應(yīng)的模型參數(shù)。圖5比較了單根鍵合線仿真和實(shí)測的傳輸損耗曲線。表2列出了根據(jù)測試數(shù)據(jù)得到的單根鍵合線模型擬和參數(shù)。

4、結(jié)論

      在未來很多年內(nèi)，引線鍵合技術(shù)可能還會(huì)是最主要的互連方法。然而，高I/O數(shù)、高性能器件的使用給引線鍵合技術(shù)帶來了很多挑戰(zhàn)。本文通過全波分析軟件仿真分析了鍵合線特性，介紹了鍵合線等效電路模型及模型參數(shù)提取方法。這樣，電路設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行芯片-封裝協(xié)同設(shè)計(jì)，在電路仿真階段就考慮到封裝效應(yīng)，并在設(shè)計(jì)中有根據(jù)的考慮設(shè)計(jì)余量，從而有根據(jù)的預(yù)測封裝后的電路特性。