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LTCC微波多芯片组件中键合互连的微波特性
发布日期:2006-04-27 作者:严 伟符 鹏洪 伟 来源:微波学报

  摘 要:键合互连是实现微波多芯片组件电气互连的关键技术,键合互连的拱高、跨距和金丝根数对其微波特性具有很大的影响。本文采用商用三维电磁场软件HFSS和微波电路设计软件ADS对低温共烧陶瓷微波多芯片组件中键合互连的微波特性进行建模分析和仿真优化。仿真优化结果与LTCC试验样品的测试结果吻合较好。
  关键词:低温共烧陶瓷, 微波多芯片组件, 键合互连

1 引言  
  在低温共烧陶瓷(LTCC)微波多芯片组件(MCM)中,通常采用金丝键合来实现单片微波集成电路(MMIC)、集总式电阻和电容等元器件与微带线、共面波导的互连,以及微波传输线之间或与RF接地面的互连[1,2]。金丝键合互连的拱高、跨距和金丝根数对微波MCM的微波特性具有很大的影响。微波电路不同于低频数字电路,金丝键合互连的微波特性是影响LTCC微波 MCM的微波性能特性的一个主要因素,其焊丝长度、拱高和跨距、焊点位置和键合一致性和重复性等参数均对微波传输具有很大影响。以往通常采用集总式元件如电感来等效键合金丝[3],或采用准静态分析方法[4]来进行金丝键合互连的微波特性分析。但是由于金丝键合互连是开放式结构,且存在介质边界和金丝弯曲,采用上述分析方法来分析金丝键合互连的微波特性会随着频率的升高和金丝长度的增加而导致分析精度下降。
    本文采用商用三维电磁场分析软件HFSS和微波电路设计仿真软件ADS对LTCC微波MCM中的金丝键合互连的微波特性进行建模分析和仿真优化,将金丝键合互连等效为一个串联电阻、一个串联电感和两个并联电容组成的低通滤波器网络模型;采用标准LTCC制造工艺和金丝键合工艺制作了不同键合金丝拱高、跨距和根数的试验样品。将仿真优化结果与LTCC试验样品的测试结果进行了分析对比,两者吻合较好。

2 理论分析及仿真
  一个典型的金丝键合互连结构如图1所示。

  金丝键合互连的模型可以简单地用并联电容C1、串联电感L和串联电阻R、并联电容C2组成的低通滤波器网络来表示,如图2所示。

  对长度为l、直径为d的圆形键合金丝,其串联电感L和串联电阻R可分别用式(1)和式(2)表示[3]:

式中:μ0为空气介质的导磁率(μ0=4π×10-7H/m),μr为键合焊丝的相对导磁率(对金丝,μr=1),ρ和ds分别为键合金丝材料的电阻率和趋肤深度。
  若采用两根或多根并行的金丝实现键合互连以降低串联电感或提高键合可靠性,则在计算串联电感L时还需考虑两根或多根并行的金丝之间的互感。
  采用基于三维有限元分析的电磁场仿真软件HFSS和微波电路仿真设计软件ADS相结合,可以精确计算出金丝键合互连模型的各个模型参数。方法是首先在 HFSS中建立包含微带传输线的金丝键合互连的实物模型,按照同样的边界条件设置在需要的频段内进行计算。将得到的结果都输出成S参数文件。正确定义模型电路并合理设置允许误差范围,利用ADS软件采用拟合算法给出π型模型中各元件的数值。也可以采用矢量网络分析仪测试出实物样品的性能参数,利用软件工具将实测结果中的低频噪声滤掉(过程类似取平滑),然后再用上述方法将其对应的模型中各元件值拟合出来。
  采用上述方法分别对键合互连中的跨距、拱高和金丝根数等主要参数,按照①单根金丝、不同拱高、同跨距;②单根金丝、同拱高、不同跨距;③同拱高、同跨距、不同金丝根数等几种情况,针对影响键合互连微波特性的主要电性能参数插入损耗(IL)和回波损耗(RL)进行了仿真和优化,仿真结果分别如图3~5所示。

3 试验方法
3.1LTCC金丝键合互连试验样品的制作

  为了兼顾加工工艺复杂性和LTCC基板的机械强度,便于测试,采用如图6所示的LTCC微波多层互连基板工艺制作了六层LTCC基板,微带传输线位于表面层, 基板背面为接地层, 如图7所示。微带传输线之间的距离为0.2mm,每层生胚片厚度为0.1mm,六层LTCC基板厚度为0.6mm,微带传输线的特性阻抗为50Ω,采用 ADS软件算出其线宽为0.6mm。在同一块LTCC基板上制作了很多这样结构的微带传输线,并键合不同物理参数的金丝(不同栱高、不同跨距和不同金丝根数等),以便对键合互连的微波特性进行全面的分析和测试。




3.2试验样品测试方法
  LTCC金丝键合互连试验样品微波特性的测试可以设计专门的测试夹具,将引出端转换成SMA插座后进行测试;也可以直接用微波电路微探针测试台进行测试。后者更简单、方便且准确。图8所示为由HP8510C矢量网络分析仪、CASCADE公司的微波电路微探针测试台Summint9101、GSG共面波导微探针和高频电缆组成的LTCC金丝键合互连试验样品测试系统。进行LTCC金丝键合互连试验样品测试时要先进行测试系统校准,即在一个阻抗标准基板 (ISS)上进行传输-反射-匹配校准,然后用真空拾取器将被测样品放置于测试平台上的真空吸口位置,打开测试平台侧面的真空开关使被样品吸附在测试平台上,分别调节定位器上的X-Y-Z三个方面的定位旋钮,将RF探针和直流探针的探头接触到被测样品相应的焊盘上。在HP8510C矢量网络分析仪上进行被测样品微波性能参数的测量和数据读取。

4 测试结果及讨论 
  分别对下列几组试验样品进行了测试:

  ①同拱高、不同跨距、单根金丝;
  ②同跨距、不同拱高、单根金丝;
  ③同拱高、同跨距、不同金丝根数。得出测试结果分别如图9~11所示。

  由图9~11可见,金丝键合互连的微波特性随拱高、跨距和金丝根数的不同而变化,并且具有如下特点:
  ①实际测试结果与仿真结果相比较,吻合较好。但由于测试系统采用的是微波探针测试台上的GSG共面波导探针,因此在试验样品加进了一小段GSG共面波导传输线,引入一些测试误差;
  ②在单根金丝、同跨距情况下,键合金丝的拱高越低越好,从理论和仿真结果看(如图3所示)以平直为最佳。但是由于键合工艺的特点,无法保证平直键合金丝的焊接稳定性,所以图9中实测结果H=0时的微波特性并非最佳;而且平直键合金丝所受应力集中,在受到温度冲击或振动时容易发生断裂,因此为兼顾微波特性和可靠性,必须保持适当的拱高;
  ③在单根金丝、同拱高情况下,键合金丝的跨距越短越好;


  ④若芯片焊区尺寸允许,应尽量采用同时键合二根、三根金丝,特别是三根金丝,则无论拱高多少(只要小于0.5mm)、跨距多少(只要小于1mm),其效果接近平直简短的单根金丝,对传输特性影响较小;而且提高了键合可靠性。
  通常对单片微波集成电路(MMIC)芯片而言,按芯片供应商数据手册建议的芯片焊区到LTCC基板微带线的最佳距离为0.508mm~0.635mm或0.635mm~0.762mm(即:20mil~25mil或25mil~30mil)。

5 结论 
  计算机仿真优化结果和试验样品的测试结果表明:金丝键合互连的拱高、跨距和金丝根数对其微波特性具有很大的影响。在芯片焊区尺寸允许的情况下,应尽量采用同时键合二根或三根金丝,以提高微波性能和键合可靠性;在芯片焊区尺寸较小,只能键合一根金丝的情况下,只要键合的金丝尽量短且平,也能获得较好的微波特性。
  因此,只要保持合理的键合互连的物理参数,就可以既得到较好的微波特性(如较低的插损和较小的驻波),满足LTCC微波MCM的微波性能要求;又可以在保证可靠性的前提下,充分利用有效键合面积,从而研制出体积小、微波性能好、可靠性高的LTCC微波MCM。


参考文献

〔1〕 Simon W, Kulke R, Wien M, etc. Interconnects and Transitions in Multilayer LTCC Multichip Modules for 24 GHz ISM-Band Applications. 2000 IEEE MTT-S Digest: 1047~1050
〔2〕Steve Nelson, Marilyn Youngblood, Jeanne Pavio, etc. Optimum Microstrip Interconnects. 1991 IEEE MTT-S Digest: 1071~1074
〔3〕Steven L March. Simple Equations Characterize Bond Wires. Microwaves & RF, 1991:105~110
〔4〕Alimenti F, Goebel U, Sorrentino R. Quasi Static Analysis of Microstrip Bondwire Interconnects. 1995 IEEE MTTS Digest: 679~682


 (全文结束)

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