CN104679929A

CN104679929A - 适合高速ic-qfn封装设计应用的寄生参数提取方法

Info

Publication number: CN104679929A
Application number: CN201310637290.6A
Authority: CN
Inventors: 郑若彤; 蒋乐乐; 程玉华
Original assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Current assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明公开一种适合高速IC-QFN封装设计应用的封装寄生参数提取方法，用以提取封装结构中引线框架和键合金属线的电学参数。其步骤是：建立不同设计尺寸的QFN封装三维物理模型；在一定的频带范围内，采用电磁场全波分析方法提取QFN封装结构的散射参数；建立引线框架和键合线的等效电路模型；利用提取的散射参数拟合出该等效电路模型中的RLC集总参数；归纳整理引线框架和键合金属线在不同设计情况下的电学参数数据列表；通过数据分析及拟合算法建立电学参数有关物理参数变化的数学模型；最后可提取任意尺寸下的寄生电学参数。本发明具有设计思路简单清晰，在建立模型后，可不经由软件仿真而直接提取引线框架和键合金属线任意尺寸下的电学寄生参数，因而提高封装设计的灵活性。

Description

适合高速IC-QFN封装设计应用的寄生参数提取方法

技术领域

本发明涉及半导体器件封装技术领域，更具体为封装结构的SPICE仿真和建模领域。

背景技术

随着集成电路（IC）工作速度的不断提高，以及电子产品朝着小型化、便携式、超薄化、的方向发展，高密度、高性能、高可靠性的封装形式及组装技术得到了越来越多的重视和研究。

在现有技术中，QFN封装结构是一种方形扁平无引脚的半导体芯片封装结构。由于QFN封装不像传统的SOIC和TSOP封装那样具有鸥翼状引线，内部引脚和焊盘的导电路径短，自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以它能提供卓越的电性能。

对于高速IC-QFN封装结构，影响其高速信号传输，产生信号完整性问题的是QFN封装内部产生的寄生效应，其主要来源是引线框架和键合金属线。在高频情况下，由引线框架和键合金属线带来的寄生电学RLC参数会导致延时、反射、串扰、造成信号波形的失真。

由于封装寄生效应对高速器件性能的影响越来越明显，为了在高速IC设计中充分考虑寄生参数的影响，需要对封装的电学寄生参数进行提取，以便保持高速IC封装后信号完整性。

鉴于此，本发明提出一种适合高速IC-QFN封装设计应用的封装寄生参数提取方法。

发明内容

本发明提出一种适合高速IC-QFN封装设计应用的封装寄生参数提取方法，具体步骤如下：

（1）、建立适用于QFN封装结构的引线框架和键合金属线不同设计尺寸的物理参数表。

（2）、建立物理参数表所罗列的不同设计情况的QFN封装的三维物理模型。

（3）、在电路应用的频带范围内，采用全波分析方法如有限元方法进行仿真，提取某一设计尺寸QFN封装结构的散射参数。

（4）、建立引线框架和键合线的等效电路模型，其由电阻R、自电感Ls、自电容Cs、互电感Lm、互电容Cm构成。

（5）、利用提取的散射参数拟合出该等效电路模型中的RLC集总参数

（6）、建立对应于引线框架和键合金属线不同设计尺寸的电学参数数据列表。根据选择的设计参数种类，RLC参数是一维至多维函数。

（7）、通过分析数据列表绘制电学参数有关设计参数的函数曲线并结合基础理论，通过拟合算法建立电学参数有关设计参数的数学模型。

（8）、利用建立的数学模型，可不经由仿真而快速提取出引线框架和键合线任意尺寸下的寄生参数大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，生成了可计算引线框架和键合金属线任意尺寸情况下的电学参数数学模型，使电路设计者可以进行芯片-封装协同设计，在电路仿真阶段就考虑到封装效应，并在设计中有根据的考虑设计余量，从而有根据的预测封装后的电路特性。

附图说明

图1是本发明的包含引线框和键合线的QFN封装结构三维物理模型图。

图2是本发明的引线框架和键合线的等效电路模型图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明。

本发明实施例提出的一种适合高速IC-QFN封装设计应用的封装寄生参数提取方法，其具体技术方案包括：

（1）、建立QFN封装引线框架和键合线的三维物理模型：给出适用于QFN封装结构的引线框架和键合金属线不同设计尺寸的物理参数，可包括引线框架厚度、管脚间距、键合金属线长度、键合线直径等一种或几种设计参数。每一个参数需给出不少于四个数值的设计尺寸。然后利用三维电磁场分析软件如HFSS建立三维物理模型，模型效果如图1所示。

（2）、提取实物模型的散射参数：在电路应用的频带范围内，采用全波分析方法如有限元方法进行仿真，提取某一设计尺寸QFN封装结构的S参数。

（3）、建立引线框架和键合线的等效电路模型：等效电路模型为两个相同的串联电阻R，两个相同的串联电感Ls，两个相同的并联电容Cs，一个互电感Lm和一个互电容Cm构成，模型效果如图2所示。确定由RLC参数构成的该电路模型的导纳参数矩阵Y矩阵。

（4）、利用提取的S参数经由S参数和Y矩阵的转换关系，推导Y矩阵里的各元素，从而推导出该等效电路模型中的RLC集总参数。

（5）、建立对应于引线框架和键合金属线不同设计尺寸的电学参数数据列表。根据选择的设计参数种类，RLC参数是一维至多维函数。例如，如所选设计参数为键合线直径W，引线框架厚度T，则电参数如电阻R为W、T的函数f（W，T）。利用Matlab软件绘制该函数曲线。

（6）、通过分析数据列表及电学参数有关设计参数的函数曲线并结合基础理论，通过拟合算法建立电学参数有关设计参数的数学模型。

（7）、通过分析数据列表及电学参数有关设计参数的函数曲线并结合基础理论，通过拟合算法建立电学参数有关设计参数的数学模型。如果电参数是多元函数。则采用多元拟合的方法获得数学模型。

多元拟合可采用如下简单的方式，假设电阻R为W、T的二元函数f（W，T）。则首先固定T，改变W，从步骤（5）的电参数列表里得到一个电阻系列。其次，选择合适的函数形式R=f（W），其系数分别为a1，a2, a3…。分别对每一个T固定时的电阻系列进行函数拟合，得到各个T对应的函数系数，则各个系数a1,a2…均为T的函数，即a1=g1（T），a2=g2(T)…然后，分别对a1,a2…进行拟合，找到合适的g1，g2…最后得电阻值为R=f（g1（S），g2（S）…, W）。更多元的拟合可采用同样的方式。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种适合高速IC-QFN封装设计应用的封装寄生参数提取方法，其特征在于提取封装结构中任意设计尺寸的引线框架和键合金属线的电学参数；步骤包括：（1）建立适用于QFN封装结构的引线框架和键合金属线不同设计尺寸的物理参数表；（2）建立物理参数表所罗列的不同设计情况的QFN封装的三维物理模型；（3）在电路应用的频带范围内，采用全波分析方法如有限元方法进行仿真，提取某一设计尺寸QFN封装结构的散射参数；（4）建立引线框架和键合线的等效电路模型，其由电阻R、自电感Ls、自电容Cs、互电感Lm、互电容Cm构成；（5）利用提取的散射参数拟合出该等效电路模型中的RLC集总参数；（6）建立对应于引线框架和键合金属线不同设计尺寸的电学参数数据列表；根据选择的设计参数种类，RLC参数是一维至多维函数；（7）通过分析数据列表绘制电学参数有关设计参数的函数曲线并结合基础理论，通过拟合算法建立电学参数有关设计参数的数学模型；（8）利用建立的数学模型，可不经由仿真而快速提取出任意尺寸下的寄生参数大小。

2.根据权利要求1所述的封装寄生参数提取方法，其特征在于步骤（1）中所述的物理参数表可包括引线框架厚度、管脚间距、键合金属线长度、键合线直径等一种或几种设计参数。

3.根据权利要求1所述的封装寄生参数提取方法，其特征在于步骤（1）中所述的物理参数表的每一个参数需确定不少于四个数值的设计尺寸。

4.根据权利要求1所述的封装寄生参数提取方法，其特征在于步骤（2）所述的物理模型采用三维电磁场仿真设计软件。

5.根据权利要求1所述的封装寄生参数提取方法，其特征在于步骤（4）所述的等效电路模型将键合引线+引线框架两部分整合在一个电路模型中，等效为两个相同的串联电阻，两个相同串联电感，两个相同的并联电容，一个互电感和一个互电容的二端口网络。

6.根据权利要求1所述的封装寄生参数提取方法，其特征在于步骤（5）提取的散射参数只包含键合线和引线框架结构的S参数。

7.根据权利要求1所述的封装寄生参数提取方法，其特征在于步骤（6）对某一具体工作频率下的不同尺寸的电参数值进行归纳整理分析。

8.根据权利要求1所述的封装寄生参数提取方法，其特征在于步骤（7）对电参数RLC有关引线框架和键合线尺寸的数学关系采用拟合算法来建立函数表达式；如果电参数是多元函数，则采用多元拟合的方法获得数学模型。