CN102393863A - 金丝键合线的阻抗匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金丝键合线的阻抗匹配方法，其步骤是：建立金丝键合线模型；在电路应用频段内，提取模型参数；将金丝键合线模型等效为∏型低通滤波器网络；用提取的模型参数拟合等效网络参数；将提取的模型参数导入待匹配原理图，加入史密斯圆图匹配控件，在史密斯圆图中，串联2-4段微带线构建匹配网络，第1-2段将负载阻抗变换到实阻抗，第3段为λ/4变换线，从实阻抗变换到源阻抗，达到阻抗匹配，第4段为用于过渡的渐变线。本发明具有设计思路简单、容易实施、节省电路板空间、频率局限性小、频率带宽宽、补偿效果好的优点。本发明可用于单片微波集成电路、共面波导的互连，以及微波传输线之间或与RF接地面的互联。

Description

金丝键合线的阻抗匹配方法

技术领域

本发明属于电子工程技术领域，更进一步涉及微波电路与芯片封装领域中一种金丝键合线的阻抗匹配方法。本发明可用于单片微波集成电路(MMIC)、共面波导的互连，以及微波传输线之间或与RF接地面的互联，可以精确提取金丝键合线模型的参数，依据该参数进行金丝键合线的等效电路设计和阻抗匹配网络设计。

背景技术

在射频和微波电路里常采用金丝键合线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。在互连中金丝键合线的的高阻抗导致了阻抗的不匹配和反射，为了降低射频和微波电路中信号的损耗，改善电路性能，实践中常采用以下几种方法实现金丝键合线的阻抗匹配：

第一种方法为严伟等人在文章“LTCC微波多芯片组件中键合互连的微波特性”(《微波学报》2003年9月第19卷第3期第30页)中提出的综合考虑仿真结果、加工精度和键合可靠性等因素并结合工程实际，改变键合互联中的跨距、拱高、直径和金丝根数等主要参数来降低金丝键合线自身的不匹配。该方法虽然简单易操作，但是存在的不足是匹配度不是很高，仍然存在0.1dB-0.5dB的插入损耗，匹配后的金丝键合线适用频率的带宽窄。

第二种方法为Yaoming Sun在文章″Design of an Integrated 60 GHz TransceiverFront-End in SiGe：C BiCMOS Technology″(Naturwissenschaften und Informatik derBrandenburgischen Technischen Universitat博士论文)将金丝键合线等效为0.3-0.5nH的电感，采用电感和电容组成单个T型或∏型电路来构建补偿网络。该方法通常为了节省空间，采用T型网络，将金丝键合线等效为其中的一个电感，另一个电感为高阻抗的微带线，电容由电路板上的电容实现。该方法得到的匹配网络在60GHz时可以将金丝键合线补偿到200pH电感。但是，该方法存在的不足是，占据电路板的空间大，随着电长度的提高，单个T型匹配网络变得很不精确，导致该方法只适用于一定频率的带宽，局限性比较大。

第三种方法仍是将金丝键合线等效为0.3-0.5nH的电感，根据微波网络理论知识通过串联两段高低阻抗线来进行补偿。该方法的思想仍然是采用单个T型或∏型电路来构建补偿网络，并根据一小段高阻抗线可等效为串联电感，一小段低阻抗线可等效为并联电容的方法，以T型电路为例，将其中的一个电感等效为金丝键合线，另一个电感用一小段高阻抗线替代，并联电容用一小段串联的低阻抗线替代。该方法仍运用T型或∏型匹配网络的思想，具有一定的局限性，也只是适用于一定频率的带宽，而且空间占用也较大。

第四种方法为美国的一项专利技术，Noyan Kinayman等人在″Compensationstructure for a bond wire at high frequency operation″(United States Patant，Patent No.：US6,201,454B1，Mar.13，2001)中提出的将金丝键合线等效为一个高电感传输线，通过串联一个包含折线的匹配元件来对金丝键合线进行补偿。这一方法需要通过仿真来设计匹配的元件，通过改变折线的长度来优化匹配元件的频率响应，并且使匹配元件与金丝焊极线联合得到的电长度大致与中心频率的半波长相等。该方法存在的不足是，设计繁琐、占据电路板空间很大且应用频率的带宽窄。

另外还有用单枝节双枝节匹配的方法进行阻抗匹配，或通过在Smith chart里串并联电容电感的方法达到阻抗匹配。这两种方法存在的不足是，占据很大的电路板空间且应用频率的带宽窄。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，针对金丝键合线不匹配问题提出一种金丝键合线的阻抗匹配方法，建立金丝键合线模型，通过加入2-4段微带线来对金丝键合线模型进行补偿，得到简单易行的匹配网络。

实现本发明的具体思路是，提取金丝键合线模型参数，根据提取的参数拟合金丝键合线等效电路，按照史密斯圆图匹配原理设计匹配网络。由于本发明使用史密斯圆图匹配，因此设计匹配网络时无频率的限制。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)建立用金丝键合线连接两微带传输线的实物模型；

(2)提取金丝键合线模型参数：在金丝键合线电路应用频段内，测试金丝键合线实物模型的S参数，将结果数据保存为二端口的s2p文件；

(3)确定等效电路：将金丝键合线实物模型等效为由两个并联电容、一个串联电感和一个串联电阻组成的∏型低通滤波器网络；

(4)确定等效电路参数：根据金丝键合线等效电路中串联电感、串联电阻的计算公式，应用步骤(2)提取的金丝键合线模型参数，采用拟合算法得到等效模型中各元件的参数；

(5)匹配原理图的构造：将步骤2)得到的s2p文件导入待匹配的原理图后，加入史密斯圆图匹配控件，完成了匹配原理图的构造；

(6)在史密斯圆图中，串联2-4段微带线构建匹配网络；

(7)测试金丝键合线，分析结果数据是否满足预期阻抗匹配的要求，若不满足，重新执行步骤(6)，若满足，完成金丝键合线匹配。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明使用史密斯圆图匹配控件，克服了现有技术存在的设计繁琐的不足，本发明具有设计思路简单，容易实施的优点。

第二，由于本发明加入的2-4段微带线均很细，克服了现有技术存在的占有电路板空间大的不足，具有占据电路板空间小的优点，有效节省了空间。

第三，由于本发明没有频率的限制，克服了现有技术存在的频率局限性大的不足，具有频率局限性小的优点，适合不同频段电路的使用。

第四，克服了现有技术存在的频率带宽窄的不足，具有频率带宽宽，补偿效果好的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的金丝键合线模型图；

图3为本发明的金丝键合线模型等效网络图；

图4为本发明的史密斯匹配圆图；

图5为本发明的协同仿真结果图，其中(a)为反射系数图，图(b)为衰减图；

具体实施方式

以下参照附图1对本发明做进一步的描述。

目前很多电路仿真的软件都提供了非常好的快速算法、模型提取和直观的操作平台，例如HFSS，microwave office，Designer，ADS，CST等。本发明的实施例采用微波电路仿真设计软件ADS建立实物模型、等效网络和设计匹配网络。

(1)建立金丝键合线模型：利用ADS计算出50Ohm微带线宽度为0.386mm，分别再在layout里建立左端为50Ohm微带线，右端为0.1mm微带线(因工程上可加工出的最细线为0.1mm)的金丝键合线模型，两段微带线间距为4mil，金丝键合线与微带线的接口分别为1mil，因此金丝键合线长度为6mil.本模型中金丝键合线采用JedecBondwire，并设置它的半径为0.5mil，高为3mil，α角为90度，β角为20度，模型效果显示图参见图2。并在EMDS中设置基板参数如下：基板高度H＝0.027mm，相对介电常数Er＝2.2，导体厚度T＝0.018mm，损耗角TanD＝0.0009。

(2)提取金丝键合线模型参数：在EMDS中对建好的金丝键合线模型进行仿真，得到在中心频率24GHz处，衰减为-0.371dB，反射系数为-10.926dB.提取出结果数据保存为二端口的s2p文件。

(3)确定等效电路：将金丝键合线互连的模型等效为由并联电容C1、串联电感L和串联电阻R、并联电容C2组成的∏型低通滤波器网络，如图3所示。

本发明串联电感的计算公式为

L＝(μ₀l/2π)×[ln(4l/d)+μ_rδ-1]

其中：μ₀为空气介质的导磁率(μ₀＝4π×10^-7H/m)，l为金丝键合线长度，d为金丝键合线直径，μ_r为键合焊丝的相对导磁率，金丝的相对导磁率μ_r＝1，δ为金丝键合线的电导率。

本发明的串联电阻是根据金丝键合线直径d与趋肤深度d_s的比值分段确定：

当d/d_s≤3.394时，

R＝(4ρl/πd²)cosh[0.04l(d/d_s)²]

当d/d_s≥3.394时，

R＝(4ρl/πd²)(0.25d/d_s+0.2654)

其中：ρ为金丝键合线材料的电阻率，l为金丝键合线长度，d为金丝键合线直径，d_s为金丝键合线的趋肤深度。

若采用两根或多根并行的金丝实现键合互联以降低串联或提高键合可靠性，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。

(4)确定等效电路参数：设置电路误差范围，应用精确提取的金丝键合线模型参数，利用ADS软件采用拟合算法给出∏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。

(5)构建待匹配原理图：将步骤(2)得到的结果数据s2p文件导入待匹配原理图，加入史密斯圆图匹配控件，完成了匹配原理图的构造。

(6)串联微带线：在史密斯圆图中，在中心频率24GHz处，对源阻抗为50Ohm，负载阻抗为金丝键合线模型的输出阻抗，这里为(5.5+j30.7)Ohm的电路，通过加入2-4段微带线进行阻抗匹配，如图4所示，第1-2段微带线将阻抗由负载阻抗点变换到实轴上的实阻抗点，第3段为λ/4变换线，从实阻抗点变换到源阻抗点，达到阻抗匹配，第4段加入渐变线，连接匹配微带线与负载微带线。

(7)测试金丝键合线，分析结果数据是否满足预期阻抗匹配的要求，若不满足，重新执行步骤(6)，若满足，完成金丝键合线匹配。

匹配好后自动生成电路模型，计算并更改加入两段微带线的长度和宽度，并加入微带基板参数。对补偿后的金丝键合线模型进行原理图仿真，在中心频率24GHz处，衰减为-0.028dB，反射系数为-25.498dB。

为得到与实际更接近更精确的仿真结果，将作为补偿网络的两段微带线生成版图后加端口，在momentum里仿真，得到仿真数据，然后在momentum里生成component器件。返回原理图，用之前生成的component器件替换史密斯圆图匹配控件，建立与momentum联合仿真的原理图。对该原理图仿真，得到联合仿真结果，结果见图5，其中在中心频率24GHz处，图5(a)中所示反射系数为-25.076dB，图5(b)中所示衰减为-0.030dB。

由仿真结果分析可知，金丝键合线补偿模型在原理图和momentum里仿真结果都非常好。以momentum为准，在中心频率24GHz处，衰减由原先的-0.371dB补偿到了现在的-0.030dB，提高了0.341dB；反射系数由原先-10.926dB补偿到现在的-25.076dB，降低了14.150dB。由此可见，阻抗匹配模型达到了很好的预期效果，并且在22GHz到26GHz内，反射系数和衰减均非常好，可见该模型带宽很宽，实用性很好。此外，该模型加入的两段微带线宽度分别为0.1135mm和0.122mm，均很细，且串联后长度不到4mm，占据电路板空间很小，也达到了最初设计的节省空间的目的。

Claims (5)

1.一种金丝键合线的阻抗匹配方法，包括如下步骤：

(1)建立用金丝键合线连接两微带传输线的实物模型；

(2)提取金丝键合线模型参数：在金丝键合线电路应用频段内，测试金丝键合线实物模型的S参数，将结果数据保存为二端口的s2p文件；

(3)确定等效电路：将金丝键合线实物模型等效为由两个并联电容、一个串联电感和一个串联电阻组成的∏型低通滤波器网络；

(4)确定等效电路参数：根据金丝键合线等效电路中串联电感、串联电阻的计算公式，应用步骤(2)提取的金丝键合线模型参数，采用拟合算法得到等效模型中各元件的参数；

(5)构造匹配原理图：将步骤2)得到的s2p文件导入待匹配的原理图后，加入史密斯圆图匹配控件，完成了匹配原理图的构造；

(6)在史密斯圆图中，串联2-4段微带线构建匹配网络；

(7)测试金丝键合线，分析结果数据是否满足预期阻抗匹配的要求，若不满足，重新执行步骤(6)，若满足，完成金丝键合线匹配。

2.根据权利要求1所述的金丝键合线阻抗匹配方法，其特征在于，步骤(1)中所述的实物模型采用微波电路仿真设计软件ADS。

3.根据权利要求1所述的金丝键合线阻抗匹配方法，其特征在于，步骤(4)所述的串联电感的计算公式为

L＝(μ₀l/2π)×[ln(4l/d)+μ_rδ-1]

其中：μ₀为空气介质的导磁率(μ₀＝4π×10^-7H/m)，l为金丝键合线长度，d为金丝键合线直径，μ_r为键合焊丝的相对导磁率，金丝的相对导磁率μ_r＝1，δ为金丝键合线的电导率。

4.根据权利要求1所述的金丝键合线阻抗匹配方法，其特征在于，步骤(4)所述的串联电阻是根据金丝键合线直径d与趋肤深度d_s的比值分段确定：

当d/d_s≤3.394时，

R＝(4ρl/πd²)cosh[0.04l(d/d_s)²]

当d/d_s≥3.394时，

R＝(4ρl/πd²)(0.25d/d_s+0.2654)

其中：ρ为金丝键合线材料的电阻率，l为金丝键合线长度，d为金丝键合线直径，d_s为金丝键合线的趋肤深度。

5.根据权利要求1所述的金丝键合线阻抗匹配方法，其特征在于，步骤(6)所述的2-4段微带线中，第1-2段微带线将阻抗由负载阻抗点变换到实轴上的实阻抗点，第3段为λ/4变换线，从实阻抗点变换到源阻抗点，达到阻抗匹配，第4段加入渐变线，连接匹配微带线与负载微带线。

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