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射频器件超细引线键合射频性能仿真

王尚, 马竟轩, 杨东升, 徐佳慧, 杭春进, 田艳红

王尚, 马竟轩, 杨东升, 徐佳慧, 杭春进, 田艳红. 射频器件超细引线键合射频性能仿真[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 1-7. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201125001
引用本文: 王尚, 马竟轩, 杨东升, 徐佳慧, 杭春进, 田艳红. 射频器件超细引线键合射频性能仿真[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 1-7. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201125001
WANG Shang, MA Jingxuan, YANG Dongsheng, XU Jiahui, HANG Chunjin, TIAN Yanhong. Research on the RF performance simulation of ultra-fine wire bonding of RF devices[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 1-7. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201125001
Citation: WANG Shang, MA Jingxuan, YANG Dongsheng, XU Jiahui, HANG Chunjin, TIAN Yanhong. Research on the RF performance simulation of ultra-fine wire bonding of RF devices[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 1-7. DOI: 10.12073/j.hjxb.20201125001

射频器件超细引线键合射频性能仿真

基金项目: 装备预研领域基金(61409230705)
详细信息
    作者简介:

    王尚,博士,讲师;主要研究方向为系统级封装与可靠性和柔性印刷电子技术;Email:wangshang@hit.edu.cn

    通讯作者:

    田艳红,博士,教授,博士研究生导师;Email:tianyh@hit.edu.cn.

  • 中图分类号: TG 405.96

Research on the RF performance simulation of ultra-fine wire bonding of RF devices

  • 摘要: 随着雷达性能指标不断提高、体积不断压缩,作为其关键组成部分成之一的T/R(transmitter and receiver)组件也不断向小型化和高密度方向发展. 采用超高密度引线键合技术能够实现高密度射频器件封装,但也会带来键合焊点可靠性下降、电路射频性能差等问题. 针对键合线尺寸减小而引起射频性能下降的问题,采用HFSS软件探究了在0 ~ 20 GHz金带尺寸变化对电路射频性能的影响规律,并利用ANSYS Q3D和ADS软件对超细引线键合的电路进行阻抗匹配. 结果表明,对于金丝和金带而言,插入微带双枝短截线匹配结构均能明显提高电路的射频性能. 对于类型1结构,S21与S12的传输功率能达到−0.049 dB. 对于类型2结构,S21与S12的传输功率能达到−7.245 × 10−5 dB,说明类型2结构下的信号传输几乎无损耗. 该结果为超细引线键合技术在射频电路中的应用提供了理论指导.
    Abstract: With the continuous improvement of radar performance indicators and the continuous compression of the volume, the T/R (transmitter and receiver) component as one of its key components is also continuously developing in the direction of miniaturization and high density. Ultra-high-density wire bonding technology is adopted to realize high-density RF device packaging form. However, it will cause the reliability of bonding solder joints to decrease, and the circuit RF performance is poor. Aiming at the problem of the degradation of radio frequency performance caused by the small bond size, this paper used HFSS software to explore the influence of the change in the gold strip's size on the circuit radio frequency performance. And ANSYS Q3D and ADS software were used to match the impedance of the ultra-fine wire bonding circuit. The results show that for gold wire and gold ribbon, inserting the microstrip double-stub matching structure can significantly improve the radio frequency performance of the circuit. For type 1 structure, the transmission power of S21 and S12 can reach −0.049 dB. For type 2 Structure, the transmission power of S21 and S12 can reach −7.245 × 10−5 dB, indicating that the signal transmission under the type 2 structure is almost lossless. This result can lay a theoretical foundation for the application of ultra-fine wire bonding technology in radio frequency circuits.
  • 固态有源相控阵雷达被广泛应用于通信、导航、气象预测等领域,是通信探测领域的重要装备[1-4]. 相控阵雷达是由数百个甚至上万个T/R组件组成,因此T/R组件及相关封装技术的进步成为影响有源相控阵雷达整体性能和体积的关键技术之一[5-6].

    超声热压楔形引线键合技术是T/R组件射频电路中常用的封装互连技术,通过减小引线尺寸、减小引线间距,能够有效提高封装密度. 但与低频电路互连引线不同的是,射频电路中键合线的结构参数,如拱高、跨距等,都会对射频传输性能产生重要影响. 尤其在毫米波等高频段,射频器件信号传输性能将受电路中引线的寄生效应、趋肤效应的显著影响.

    在射频器件中,带状线、微带线、基片集成波导、共面波导是主要的信号传输结构,主要封装方式是基于LTCC的三维封装结构,其中微带线与微带线之间、芯片与微带线之间的电气互连采用金丝键合. 但随着器件应用频率的升高,金丝键合的寄生效应越来越显著,限制了金丝键合在毫米波段和更高波段产品中的应用. 为节约试验成本,许多研究者采用有限元方法计算连接中的可靠性问题[7-9]. 邹军[10]、李志力[11]和姚帅[12]运用三维电磁场仿真软件ANSYS HFSS对金丝键合过程进行了仿真. 结果表明,键合点的位置偏离微带线中间位置越小,金丝的直径越大、拱高越小、跨距越小、键合的金丝数目越多,则键合线互连的射频性能越好. Ma等人[13]模拟了微带线中电流密度的分布,发现微带线边缘处电流密度最大,微带线上的键合点靠近边缘处插入损耗最小.

    上述研究大多是对100 μm及以上尺寸的分析,对于100 μm尺寸以下键合引线电磁性能研究较少. 同时为了减小金丝互连带来的寄生影响,必须对金丝键合在毫米波频段的应用进行分析[14]. 研究表明,在金丝键合处与微带线之间插入匹配网络,使金丝键合处的阻抗发生变换,使之与微带线的特征阻抗相等或共轭,进而在微带线与金丝键合处形成最小反射,能够减小功率损耗.

    综上所述,研究射频器件中超细引线键合结构与性能的关系和结构优化方法对射频器件未来的发展具有重要的意义. 通过有限元仿真的手段,对比了高密度封装下,扁带和引线的射频性能和阻抗匹配. 探究了不同尺寸金线对回波损耗与插入损耗的影响,并对比两种类型双枝短截线匹配结构的阻抗损耗,研究结果揭示了超细引线键合在射频电路中的应用潜力.

    楔形键合示意图及等效电路如图1所示. 等效电路是低通滤波的网络模型,由两个并联电容、一个串联电感、一个串联电阻和一定长度的传输线构成. 理论公式表明,当键合的金丝线直径越大、长度越短,互连的射频性能越好;反之,射频性能越差.

    图  1  楔形键合示意图与其等效电路
    Figure  1.  Schematic diagram of wedge bonding and its equivalent circuit. (a) schematic diagram of wedge bonding; (b) wedge bond equivalent circuit

    金丝键合互连射频性能分析使用三维电磁仿真软件ANSYS HFSS完成. 基板材料选用以陶瓷为基体,厚度为508 μm的罗杰斯4350B (Rogers RO4350B),微带线材料选择金. 将RO4350B介电常数3.66,介质损耗正切0.004,金的导电率,输入TXLINE 2003软件. 当频率为10 GHz、微带线阻抗为50 Ω、电长度为90°、微带线的厚度为10 μm时,微带线的宽度为1 103.49 μm,微带线的长度为4 402.41 μm. 由此在ANSYS HFSS软件中建立键合金丝模型如图2所示. 在输入与输出信号两端设置激励方式为波端口激励,扫频设置为0 ~ 20 GHz,步值为0.1 GHz的插值扫频.

    图  2  金丝与微带线键合模型
    Figure  2.  Bonding model of gold wire and microstrip wire. (a) overall model; (b) enlarged view of gold wire bonding; (c) gold wire bonding structure parameters

    由金丝键合等效电路可知,金丝键合的阻抗与微带线的阻抗不相等,因此当信号传输至金丝键合处会发生信号的反射,产生功率损耗,并且随频率的增大,键合金丝互连结构的寄生效应越显著,甚至直接影响了金丝键合在微波产品中的应用. 为了减小金丝互连带来的寄生影响,必须对金丝键合在毫米波频段的应用进行分析. 在金丝键合处与微带线之间插入微带双支短截线匹配网络,如图3所示. 插入匹配网络后,金丝键合处的阻抗会发生变换,与微带线的特征阻抗相等或共轭,导致射频电路中微带线与金丝键合处无反射,接近行波,进而减小功率损耗,提高电路的射频性能.

    图  3  微波传输系统的匹配
    Figure  3.  Matching of microwave transmission system. (a) before matching; (b) after matching

    在ANSYS Q3D Extractor中建立与ANSYS HFSS相同的模型,将微带线信号输入端口设置为Source,信号输出端口设置为Sink,设置完后使用软件自动划分网格功能划分网格. 求解频率选择10 GHz,求解结束后提取金丝键合等效电路中的RLC,而后通过ADS中的Smith Chart工具计算输出端阻抗. 在ADS中画出原理图,基板参数设置与ANSYS HFSS中建立的模型参数相同,进行微带双枝短截线匹配电路的设计与仿真.

    文中分别探究了金带宽度、金带厚度,以及在横截面面积相同的情况下金丝尺寸对电路射频性能的影响情况.

    固定金带横截面厚度6 μm,改变金带横截面宽度为25,50,75,100 μm,跨距和拱高分别设置为500,200 μm,仿真结果如图4所示. 对于横截面宽度为25,50,75 μm的金带,随着宽度的增加,回波损耗与插入损耗均呈下降趋势. 对于横截面宽度为100 μm的金带,插入损耗持续下降,而回波损耗先下降后上升再下降,这是因为,当频率为7.5 GHz时,出现了谐振现象.

    图  4  不同横截面宽度金带键合微波性能仿真结果
    Figure  4.  Microwave performance simulation results of gold ribbon bonding with different cross-sectional widths. (a) S11; (b) S21

    固定金带横截面宽为100 μm,改变金带厚度为6,15,20,30,40,50 μm,跨距和拱高分别设置为500和200 μm;仿真结果如图5所示. 在0 ~ 10 GHz不同厚度的金带回波损耗无明显规律,而插入损耗相差不大. 在10 ~ 20 GHz,随着金带厚度增加,回波损耗与插入损耗降低,大部分金带在5 GHz左右出现谐振.

    图  5  不同厚度金带键合微波性能仿真结果
    Figure  5.  Microwave performance simulation results of gold ribbon bonding with different thickness. (a) S11; (b) S21

    金丝横截面积为500 μm2,金丝的尺寸分别选择:直径为25.25 μm的圆金丝,横截面尺寸分别为25 μm × 20 μm,50 μm × 10 μm,100 μm × 5 μm,125 μm × 4 μm的金带. 键合结构参数设置:跨距200 μm;拱高200 μm;微带线间距100 μm. 仿真结果如图6所示. 结果表明,频率为10 ~ 20 GHz,金丝横截面面积相同时,金带的微波性能优于金丝,金带的长宽比与微波性能无明显关系.

    图  6  不同尺寸金带键合微波性能仿真结果
    Figure  6.  Microwave performance simulation results of gold ribbon bonding with different t sizes. (a) S11; (b) S21

    由微带单枝短截线匹配结构的匹配原理可知,微带单枝短截线匹配结构能将任意阻抗变换为所需的阻抗. 然而这种结构存在一个明显的缺点,它需要在负载端或输入端与微带线之间插入一段固定长度的微带线,而对于负载端或输入端阻抗可变的电路结构来说,这段微带线的长度也可变. 因此这种结构难以满足负载端与输入端阻抗可变的电路匹配要求. 微带双枝短截线匹配结构能够克服这个缺点,它由一段或几段固定长度的串联微带线和两段长度可变的并联微带线构成,结构见图7. 由于并联部分的微带线长度可根据输入与负载的阻抗变化而变化,因此这种匹配结构的通用性最强.

    图  7  微带双枝短截线匹配两种电路结构
    Figure  7.  Two circuit structures of microstrip double-branch stub matching. (a) type 1; (b) type 2

    对微带双枝短截线匹配类型1进行阻抗匹配仿真. 第一步采用ADS仿真得到匹配结构的子电路图,第二步分别计算S11,S12,S21,S22的参数结果,分析最佳传输功率与该传输功率对应的频率大小.

    两根直径10 μm的金丝和横截面尺寸为25 μm × 5 μm的金带键合的电路完成仿真后,得到的匹配结构的子电路如图8所示. 对于两根直径为10 μm的金丝键合的电路,微带双枝短截线的匹配结构为在负载处先并联一段长度为0.391 mm,宽度为1.11 mm的微带线,再串联一段长度为5.709 mm,宽度为1.11 mm的微带线,最后在并联一段长度为0.335 mm,宽度为1.11 mm的微带线,在两个传输线转接处用边长为1.117 mm正方形微带线转接. 对于横截面尺寸为25 μm × 5 μm的金带键合的电路,微带双枝短截线的匹配结构为在负载处先并联一段长度为0.39 mm,宽度为1.11 mm的微带线,再串联一段长度为5.709 mm,宽度为1.11 mm的微带线,最后在并联一段长度为0.394 mm,宽度为1.11 mm的微带线,在两个传输线转接处用边长为1.117 mm正方形微带线转接.

    图  8  不同尺寸金丝键合的类型1电路的ADS仿真结果
    Figure  8.  ADS simulation results of Type 1 circuits. (a) two 10 μm diameter gold wires; (b) 25 μm × 5 μm gold ribbon

    插入匹配结构后,两根直径为10 μm的金丝键合的电路的S参数结果如图9所示,横截面尺寸为25 μm × 5 μm的金带键合的电路的S参数结果如图10所示. 由图可知,随频率的增加,两种金丝键合的电路传输功率同样存在两次波动,波动情况与微带单枝短截线匹配结构类似,在低频时的传输性能优于高频. 其中在频率较低的1 GHz传输功率最大. 随频率增加,S21与S12的传输功率在8.5 GHz达到峰值,均为−0.049.

    图  9  插入两根直径10 μm金丝的类型1电路的S参数图
    Figure  9.  S-parameter diagram of type 1 circuit with two 10 μm diameter gold wires. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22
    图  10  插入横截面为25 μm × 5 μm金带的类型1电路的S参数图
    Figure  10.  S-parameter diagram of type 1 circuit with 25 μm × 5 μm gold ribbon. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22

    对微带双枝短截线匹配类型2进行阻抗匹配仿真,采用两根直径10 μm的金丝和横截面尺寸为25 μm × 5 μm的金带键合的电路,参数设置与类型1结构相同. 仿真完成后得到的匹配结构的子电路如图11所示. 对于两根直径为10 μm的金丝键合的电路,类型2匹配结构ls1的电长度为25.26°,对应的微带线长度为1.235 61 mm;ls2的电长度为25.11°,微带线长度为1.228 27 mm. 对于横截面尺寸为25 μm × 5 μm的金带键合的电路,类型2匹配结构的ls1电长度为25.07°,微带线长度为1.226 32 mm;ls2的电长度为25.14°,对应的微带线长度为1.229 74 mm.

    图  11  不同尺寸金丝键合的类型2电路的ADS仿真结果
    Figure  11.  ADS simulation results of type 2 circuits. (a) two 10 μm diameter gold wires; (b) 25 μm × 5 μm gold ribbon

    插入匹配结构后,两根直径为10 μm的金丝键合的电路S参数结果如图12所示,横截面尺寸为25 μm × 5 μm的金带键合的电路的S参数结果如图13所示. 随频率的增加,两种金丝键合的电路传输功率先增加后减小再增加. 与其它匹配结构不同的是,高频时的传输性能优于低频. 两种尺寸的金丝均在10 GHz传输功率最大,S12与S21均趋近于0,说明这种匹配结构下信号传输几乎无损耗.

    图  12  插入两根直径10 μm金丝的类型2电路的S参数图
    Figure  12.  S-parameter diagram of type 2 circuit with two 10 μm diameter gold wires. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22
    图  13  插入横截面为25 μm × 5 μm金带的类型2电路的S参数图
    Figure  13.  S-parameter diagram of type 2 circuit with 25 μm × 5 μm gold ribbon. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22

    将2种匹配结构的峰值传输功率与对应频率相对比,如表1所示.

    表  1  2种匹配结构的峰值传输功率与对应频率
    Table  1.  Peak transmission power and corresponding frequency of two matching structures
    结构类型金丝类型频率
    f/GHz
    传输功率
    η/dB
    1两根金丝8.5−0.049
    1金带8.5−0.049
    2两根金丝10−7.245 × 10−5
    2金带10−7.245 × 10−5
    注:表中的金丝类型分为2种,第1种为两根直径10 μm的金丝,第2种为横截面积为25 μm × 5 μm的金带.
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    由此可知,对于类型1的匹配结构,当插入两根直径10 μm的金丝与插入横截面积为25 μm × 5 μm的金带时,仿真结果表明,峰值传输功率均发生在频率为8.5 GHz时,为−0.049 dB. 对于类型2的匹配结构,当插入两根直径10 μm的金丝与插入横截面积为25 μm × 5 μm的金带时,仿真结果表明,峰值传输功率均发生在频率为10 GHz时,为−7.245 × 10−5 dB,信号传输几乎没有损耗.

    综上所述,类型2的匹配结构在信号传输方面的表现远好于类型1,几乎没有信号损失.

    (1) 金带尺寸会影响电路射频性能,随着金带宽度增加,回波损耗与插入损耗总体呈降低趋势;在0 ~ 10 GHz,不同厚度的金带回波损耗无明显规律,而插入损耗相差不大,在10 ~ 20 GHz,随着金带厚度增加,回波损耗与插入损耗降低;在10 ~ 20 GHz,金丝横截面面积相同时,金带的射频性能优于金丝,金带的长宽比与微波性能无明显关系.

    (2) 对于两种金丝类型(两根直径10 μm的金丝和横截面积为25 μm × 5 μm的金带),插入微带双枝短截线匹配结构均能明显提高电路的射频性能. 对于类型1结构,S21与S12的传输功率能达到−0.049 dB. 对于类型2结构,S21与S12的传输功率能达到−7.245 × 10−5 dB,说明类型2结构下的信号传输几乎无损耗.

    (3) 不同的微带双枝短截线匹配结构达到传输性能最佳的频率不同. 类型1结构在8.5 GHz达到最佳传输性能,类型2结构在10 GHz达到最佳传输性能.

  • 图  1   楔形键合示意图与其等效电路

    Figure  1.   Schematic diagram of wedge bonding and its equivalent circuit. (a) schematic diagram of wedge bonding; (b) wedge bond equivalent circuit

    图  2   金丝与微带线键合模型

    Figure  2.   Bonding model of gold wire and microstrip wire. (a) overall model; (b) enlarged view of gold wire bonding; (c) gold wire bonding structure parameters

    图  3   微波传输系统的匹配

    Figure  3.   Matching of microwave transmission system. (a) before matching; (b) after matching

    图  4   不同横截面宽度金带键合微波性能仿真结果

    Figure  4.   Microwave performance simulation results of gold ribbon bonding with different cross-sectional widths. (a) S11; (b) S21

    图  5   不同厚度金带键合微波性能仿真结果

    Figure  5.   Microwave performance simulation results of gold ribbon bonding with different thickness. (a) S11; (b) S21

    图  6   不同尺寸金带键合微波性能仿真结果

    Figure  6.   Microwave performance simulation results of gold ribbon bonding with different t sizes. (a) S11; (b) S21

    图  7   微带双枝短截线匹配两种电路结构

    Figure  7.   Two circuit structures of microstrip double-branch stub matching. (a) type 1; (b) type 2

    图  8   不同尺寸金丝键合的类型1电路的ADS仿真结果

    Figure  8.   ADS simulation results of Type 1 circuits. (a) two 10 μm diameter gold wires; (b) 25 μm × 5 μm gold ribbon

    图  9   插入两根直径10 μm金丝的类型1电路的S参数图

    Figure  9.   S-parameter diagram of type 1 circuit with two 10 μm diameter gold wires. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22

    图  10   插入横截面为25 μm × 5 μm金带的类型1电路的S参数图

    Figure  10.   S-parameter diagram of type 1 circuit with 25 μm × 5 μm gold ribbon. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22

    图  11   不同尺寸金丝键合的类型2电路的ADS仿真结果

    Figure  11.   ADS simulation results of type 2 circuits. (a) two 10 μm diameter gold wires; (b) 25 μm × 5 μm gold ribbon

    图  12   插入两根直径10 μm金丝的类型2电路的S参数图

    Figure  12.   S-parameter diagram of type 2 circuit with two 10 μm diameter gold wires. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22

    图  13   插入横截面为25 μm × 5 μm金带的类型2电路的S参数图

    Figure  13.   S-parameter diagram of type 2 circuit with 25 μm × 5 μm gold ribbon. (a) S11; (b) S12; (c) S21; (d) S22

    表  1   2种匹配结构的峰值传输功率与对应频率

    Table  1   Peak transmission power and corresponding frequency of two matching structures

    结构类型金丝类型频率
    f/GHz
    传输功率
    η/dB
    1两根金丝8.5−0.049
    1金带8.5−0.049
    2两根金丝10−7.245 × 10−5
    2金带10−7.245 × 10−5
    注:表中的金丝类型分为2种,第1种为两根直径10 μm的金丝,第2种为横截面积为25 μm × 5 μm的金带.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-24
  • 网络出版日期:  2021-11-15
  • 刊出日期:  2021-10-30

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