一种可改善键合丝截止频率的T形匹配电路

摘  要：介绍了一种在微波多芯片模塊中，芯片微波端口键合丝较长的情况下，如何对其进行频率拓宽的方法。针对芯片微波端口键合丝引入的失配情况进行了分析和准确的模型提取，并以此得出了一个有效的匹配电路结构（T形结）。在键合丝长度相同的情况下，此T形匹配方式将成倍提高其使用频率，改善电路性能。同时，此T形匹配结构简单，便于设计和应用。

关键词：T形结;键合丝;芯片

中图分类号：TN402         文献标识码：A文章编号：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

近年来，微波和射频通信技术、各种雷达等军用电子系统的飞速发展。对整机系统的集成度提出了很高的要求。多芯片模块在各种系统中的使用越来越多，这也是目前实现射频和微波电路小型化的有效途径。在微组装工艺中，常常使用键合线对多个芯片、芯片与其他元器件之间进行互相连接。其是微组装中的关键工艺技术。键合工艺作为多芯片模块中必不可少的关键工艺，以其灵活高效的组装方式被大量运用，但键合丝的缺点也越来越凸显，尤其对于较高的频率的系统而言，其电感量（键合丝越长电感量越大，反之越小）已不能忽略，这将严重影响芯片的应用;当微波频率较高时，传统做法常常是采用减小芯片与连接微带线间的间隙（通常为0.075 mm～0.15 mm之间）来减小键合丝的长度，从而达到减小键合丝电感效应的目的[1，2]。但这无形中带来了以下三方面的问题：（1）过小的间隙造成工艺组装困难，严重影响装配效率;（2）影响键合效率，芯片最易键合距离大于0.3 mm，过小的器件间隙将使得键合变得困难;（3）芯片和连接的微带线间隙过小，容易造成短路，因而影响了电路可靠性。

为了在解决以上几方面问题的同时又不影响电路性能，这里将介绍一种针对多芯片模块中，芯片微波端口键合丝的匹配方法，在键合丝长度相同的情况下，此匹配方法将大大提高电路的截止频率，并改善电路性能，同时在设计中可以在工艺容许的条件下，将键合丝的长度适当加长以达到工艺最优长度，这样可以大大提高由多种芯片组成的组件产品的可生产性，提高生产效率。

1  模型提取与原理分析

这里以芯片与50欧姆微带线间的间隙为0.4 mm，键合直径为25微米金丝为例，来进行分析，图1为模型装配示意图。同时为了分析方便，这里假设芯片端口为50欧姆。

因键合丝具有电感效应，因此，图1中芯片端口直径25微米两根金丝可等效为一个电感。由此，图1可以等效为一个电感串联在两个50欧姆端口上（假设芯片端口为50欧姆）。

我们假设选取圆柱形键合线，其直径为d、长度为L，根据经典理论，这段键合线的串联电阻R与串联电感L可分别通过下面的式（1）和式（2）表示：

式中各参数的代表意义如下：其中δ为损耗因数;μr为金丝材料键合线的相对磁导率，如果是金丝材料的键合线，此值应为1;μ0为空气的磁导率;ds和ρ分别为金丝材料键合线的趋肤深度和电阻率。

为了得到键合金丝的长度，模拟实际的键合高度与芯片间距，制作了键合夹具，在同等工艺条件下键合多次后，取下键合金丝在带有测距功能的高倍显微镜下进行长度测量。最终得到间隙为0.4 mm时，键合金丝的长度大约为0.75 mm，带入相应的参数进行计算，可得出单根键合金丝的电感量约为0.76 nH，进而将此带入到具有互感仿真功能的软件进行仿真，最终得出图1中两根直径25微米金丝其电感量大约为0.35 nH。图2为对其等效模型进行理论仿真结果，由仿真结果可知，当频率大于5 GHz时，S11与S22大于-20 dB;当频率大于10 GHz时，S11与S22大于-10 dB，即当频率越高驻波越差。此电感效应，在实际电路中将严重影响微波电路频率高端的特性。因此，将频率拓宽变得非常有必要。

在不改变金丝长度的情况下，为了拓宽其使用频率，必须对其进行阻抗匹配，匹配电路模型和仿真结果如图3所示。不难看出在0～20 GHz的范围内，S11与S22几乎均小于-20 dB。同时，由图2与图3中的仿真结果对比可知，匹配后S11与S22小于-20 dB频带宽度是匹配前的4倍，同时S21也改善了许多。因此，此匹配方法从理论上是可拓宽键合丝截止频率的。

更进一步，为了更接近实际电路，将根據图3的等效匹配原理图，用微带电路对键合丝进行匹配，将图3中的等效电感替换为与实际对应的键合金丝，LC匹配电路用微带匹配电路来实现，微带匹配电路选用厚度为10 mil的电路板。然后将金丝与其微带匹配电路的初始值代入软件中仿真。图4为实际匹配电路仿真模型与仿真结果（其中：a1=0.4，a2=0.5，a3=1.1，b1=2.1，b2=0.4，单位：mm），由仿真结果可知：在0～20 GHz的范围内，S11与S22均小于-18 dB。同时，由仿真结果对比可知实际键合金丝匹配电路仿真结果与理论分析仿真结果基本保持一致。图4（b）为匹配电路外形尺寸（由于金丝匹配电路的外形像字母“T”，故将其称为T形结）

2  微组装工艺中电路调试方法的优化

由于材料与工艺参数的波动等原因，微波和射频元器件都各种性能参数都有一定的波动范围，如功率芯片，其不同只之间的增益会波动，输出功率也会有一定范围的上下浮动，不同批次间的变化可能会更大。但对最终的微波和射频的组件或者电子系统，我们往往希望其性能基本保持稳定，不同批次间差异不能太大。另外，由于仿真精度及加工精度等影响，设计值与实际使用的各参数往往有一定的差异，为此，在产品装配完成后，一般都需要进行调试工作。特别是首次生产的产品。

电路调试的基本思路是找到影响电路性能的敏感点，通过改变电路在某处敏感点的传输特性，进而改变电路的匹配特性。以前比较常用的方法是切割传输带线或者在传输带线旁边粘接铜皮或者其他材料，这样可以改变此处的传输特性。

但这种调试方法有很多弊端，如一次与一次的调试都有区别，无法达到每次调试都比较接近。另外，由于粘接金属材料风险很高，很多场合为了保证较高的可靠性已禁止此种调试方法。

所以，在电路设计的初期，通过电路仿真及其他途径确定电路的敏感点，然后在后期电路制作加工前，在敏感点附加增加一些合适的方形的独立调试小块。小块大小需要考虑工作频率及工艺对键合压点的限制。在需要时，可以通过键合连接的方式连接这些调试的小块，用于改变电路的传输特性，进而改善端口特性。此方法简单、高效。可以降低电路设计的成本，提高产品的成品率。

3  结  论

本文介绍了一种可以改善键合丝截止频率的电路结构，解决了由多芯片组成的射频和微波电子系统与器件组件中，采用键合线互相连接电路常常要遇到的问题。这种电路设计方法可成倍改善微波芯片端口键合丝的截止频率。另外，在工艺装配过程中，由于工艺设备的要求以及工艺人员对可靠性等方面的追求，工艺要求中往往对键合线长度有严格的控制，采用文中的设计方法可以非常显著的提高采用键合线互相连接电路的频率响应特性，很好的改善端口性能。

同时提供了一种微波电路的调试方法，通过在键合丝互相连接芯片及其他电路的附近设计若干合适大小的方形的独立带线，需要时，在工艺上可采用键合的方法连接，此种调试的方法适合于采用微组装工艺组装的多种电路形式，工艺操作简单，可靠性高。

由于此T形匹配结构简单，便于设计和应用。所以，此T形结匹配方式可大量使用在微波多芯片模块中，这将会极大的改善多芯片模块电路性能，减小调试量;更重要的是，由于T形结的匹配方式在保证电性能的同时，可使管芯和带线间的间隙尽可能的大。这将极大的降低装配和键合难度，从而提高生产效率。因此，T形结匹配电路在微波多芯片模块中具有很强的实用价值，值得广泛推广和应用。

参考文献：

[1] HASSAINE N，CONCILIO F. Modeling and high frequency characterization of short links for high performance integrated circuits. Experimental validation and CAD formulas [C]//Proceedings of the 2003 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference-IMOC 2003.（Cat.No.03TH8678）.Foz do Iguacu：IEEE，2003：507-512.

[2] MEI S，ISMAIL Y I. Modeling skin and proximity effects with reduced realizable RL circuits [J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration （VLSI） Systems，2004，12（4）：437-447.

[3] YANG S Y，XIANG D W，BRYANT A，et al. Condition Monitoring for Device Reliability in Power Electronic Converters：A Review [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（11）：2734-2752.

[4] ZHANG Z R，GAO J C，FLOWERS G T，et al. The Impact of Connection Failure of Bonding Wire on Signal Transmission in Radio Frequency Circuits [J].IEEE Transactions on Components，Packaging and Manufacturing Technology，2020，10（10）：1729-1737.

[5] PEDERSEN K B，KRISTENSEN P K，POPOK V，et al.Degradation Assessment in IGBT Modules Using Four-Point Probing Approach [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（5）：2405-2412.

作者简介：罗建（1981—），男，汉族，四川眉山人，工程师，硕士研究生，研究方向：3D-SIP及微系统。