CN111834720A - 一种基于多枝节匹配的金丝键合结构和多芯片微波电路 - Google Patents

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朱虎
付佳
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    • H01P11/003—Manufacturing lines with conductors on a substrate, e.g. strip lines, slot lines

Abstract

本发明实施例提供了一种基于多枝节匹配的金丝键合结构和多芯片微波电路，其中，所述结构包括：第一、第二微带线和至少两根键合金丝；第一微带线包括第一介质基板和设置在第一介质基板上表面的第一传输线；第一传输线包括与源端匹配的微带；第二微带线包括第二介质基板和第二传输线；第二传输线包括微波网络和与负载端匹配的微带；微波网络的一端相连与负载端匹配的微带，另一端通过键合金丝与第一传输线相连；微波网络包括串联的多个微带，用于对键合金丝进行阻抗匹配。通过本方案可以解决高频传输过程中的信号传输质量较差的问题。

Description

一种基于多枝节匹配的金丝键合结构和多芯片微波电路
技术领域
本发明涉及微波电路技术领域，特别是涉及一种基于多枝节匹配的金丝键合结构和多芯片微波电路。
背景技术
随着全球通信业务量的迅速增长，对信息传输速率要求越来越高，传输信号频段逐渐向微波毫米波段发展。微波电路是实现高速信息传输的重要技术手段。当今微波电路中通常采用多芯片组件技术，即通过封装工艺和微焊接将电子电路的各个微型器件(指片式元器件或裸芯片)组装在高密度基板上，从而形成高密度、高可靠性、高性能、立体结构的微电子设备(包括部件、组件、子系统、系统)。
多芯片组件技术中，微波电路互连是保证微波电路传输性能的关键。在微波多芯片组件(MMCM，microwave multi-chip modules)中，一般采用金丝线键合来实现单片微波集成电路(MMIC，Monolithic Microwave Integrated Circuit)、集总式电容和电阻等元器件与微带、共面波导的互连，以及传输线之间或与射频接地面的互连。传统金丝键合结构如图1所示，主要由介质基板01、微带02、键合金丝组成03，通过将键合金丝03焊接到不相邻的两个介质基板01上，使不同芯片组件或微带传输结构互连，实现在微带02上传输微波信号。
在低频传输中，传统金丝键合结构表现出良好的性能。然而，在利用键合金丝进行连接时，会引入键合金丝本身的寄生电感以及金丝本身电阻，从而引起阻抗不连续性；随信号传输频率升高，键合金丝在高频电路中引发的寄生效应十分明显，会引起严重的阻抗不连续效应。在毫米波波段，阻抗不连续性对传输模块的高频响应产生很大负面影响，即使数百微米的阻抗不连续都会严重损害信号传输性能，导致信号传输质量较差。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于多枝节匹配的金丝键合结构和多芯片微波电路，以解决高频传输过程中的信号传输质量较差的问题。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于多枝节匹配的金丝键合结构，包括：第一微带线、第二微带线和至少两根键合金丝；
所述第一微带线包括第一介质基板和设置在所述第一介质基板上表面的第一传输线；所述第一传输线包括与源端匹配的微带；
所述第二微带线包括第二介质基板和设置在所述第二介质基板上表面的第二传输线；所述第二传输线包括微波网络和与负载端匹配的微带；
所述微波网络的一端相连与负载端匹配的微带，另一端通过所述键合金丝与所述第一传输线相连；
所述微波网络包括串联的多个微带，用于对所述键合金丝进行阻抗匹配。
可选地，所述第一介质基板和第二介质基板均采用玻璃布基板FR4。
可选地，所述源端特性阻抗和负载端特性阻抗均为50欧姆；
从所述源端至所述负载端，所述多个微带依次包括第一微带、第二微带、第三微带和第四微带；
所述第一微带的长度范围为[195,205]μm，宽度范围为[245,255]μm；
所述第二微带的长度范围为[195,205]μm，宽度范围为[365,375]μm；
所述第三微带的长度范围为[695,705]μm，宽度范围为[125,135]μm；
所述第四微带的长度范围为[695,705]μm，宽度范围为[215,225]μm；
所述与负载端匹配的微带的宽度范围为[275,285]μm。
可选地，所述键合金丝的数量为2～4根，直径大于18μm；相邻键合金丝的间距为10～100μm。
可选地，所述与源端匹配的微带、所述多个微带以及所述与负载端匹配的微带的材质相同，均采用铜箔或银。
可选地，所述与负载端匹配的微带与所述多个微带一体成型。
第二方面，本发明实施例还提供了一种多芯片微波电路，包括上述第一方面所述的基于多枝节匹配的金丝键合结构。
本发明实施例在第二传输线上增设微波网络，通过微波网络的多个串联微带对键合金丝进行阻抗匹配，能够消除传统金丝键合结构等效电路中串联电感L与串联电阻R的影响，在毫米微波波段消除键合金丝引起的阻抗不连续效应，降低插入损耗与反射系数，可有效优化传统金丝键合结构的高频响应，将补偿频段提高至数十GHZ，较大程度提高3dB带宽，从而提高信号传输性能。可见，通过本方案可以解决高频传输过程中的信号传输质量较差的问题。
另外，本发明实施例提供的多芯片微波电路中，金丝键合结构只在第二微带线进行枝节匹配，无需改变第一微带线的结构，体积较小、结构紧凑、所需空间小、成本低，可以灵活应用于体积小、集成度高、高元件密度的多芯片微波电路中。由于该金丝键合结构匹配带宽较宽，对频率依赖小，具有良好的高频响应，能够进一步提高微波电路的高频传输性能，可以使微波电路应用于数十至上百GHZ速率的高速传输场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为传统金丝键合结构的示意图；
图2为图1传统金丝键合结构的等效电路图；
图3为微带线的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于多枝节匹配的金丝键合结构的传输系数示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于多枝节匹配的金丝键合结构的反射系数示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于多枝节匹配的金丝键合结构的驻波比示意图。
图中各标号的说明如下：
01—介质基板、02—微带、03—键合金丝；
11—第一介质基板、12—与源端匹配的微带；
21—第二介质基板、221—第一微带、222—第二微带、223—第三微带、224—第四微带、23—与负载端匹配的微带；
3—键合金丝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2是图1传统金丝键合结构等效的由电容、电感和电阻组成的低通滤波电路。其中并联电容在高频段数值较小，可以近似忽略。而在自由空间中，对于长度为l、直径为d的单键合金丝，其电阻、电感数值如下：
串联电阻R可表示为：R＝(4ρl/πd2)·(0.025d/ds+0.02654)
串联电感L可表示为：L0＝(μ0l/2π)·[ln(4l/d)+μrtan(4l/d)/4-1]
μ0为空气介质磁导率，数值约为4π10-7H/m；ρ和μr则分别为键合金丝的电阻率和相对磁导率；ds为键合金丝的趋肤深度。
在高频传输中，传统金丝键合结构的等效电路中，由于存在串联电感L与电阻R，从而引起阻抗不连续性，影响结构高频响应。为了解决由于传统金丝键合结构中，键合金丝在毫米微波波段引起严重阻抗不连续效应，所导致的高频传输过程中的信号传输质量较差的问题，本发明实施例提供一种基于多枝节匹配的金丝键合结构和多芯片微波电路。
下面首先对本发明实施例提供的一种基于多枝节匹配的金丝键合结构进行介绍。
本发明实施例提供的一种基于多枝节匹配的金丝键合结构，包括：第一微带线、第二微带线和至少两根键合金丝；
所述第一微带线包括第一介质基板和设置在所述第一介质基板上表面的第一传输线；所述第一传输线包括与源端匹配的微带；
所述第二微带线包括第二介质基板和设置在所述第二介质基板上表面的第二传输线；所述第二传输线包括微波网络和与负载端匹配的微带；
所述微波网络的一端相连与负载端匹配的微带，另一端通过所述键合金丝与所述第一传输线相连；所述微波网络包括串联的多个微带，用于对所述键合金丝进行阻抗匹配。
需要说明的是，所述多个微带至少为两个，每个微带的形状均为长方形；微带的具体数量和长宽尺寸根据金丝键合结构所匹配的工作频带、介质基板的材质及厚度等多种因素综合确定。
由于键合金丝的数量和参数(如直径、跨距、相邻键合金丝间距)的不同，将对金丝键合结构的性能产生不同程度的影响，因此，需根据加工工艺、键合空间及成本等实际情况，合理确定键合金丝的数量和参数。
源端与负载端的特性阻抗为默认值，例如50欧姆。与源端匹配的微带和与负载端匹配的微带中的匹配，所指的就是微带的特性阻抗值与该默认值相等。
其中，微带线具有非常成熟的理论和相关实验验证，具有结构简单、可实现性强、灵活性较好的优点。
另外，“第一微带线”中的“第一”和“第二微带线”中的“第二”仅仅用于从命名上区分不同的微带线，并不具有任何限定意义；类似的，“第一介质基板”、“第二介质基板”、“第一传输线”和“第二传输线”中的“第一”、“第二”也并不具有任何限定意义。
本发明实施例在第二传输线上增设微波网络，通过微波网络的多个串联微带对键合金丝进行阻抗匹配，能够消除传统金丝键合结构等效电路中串联电感L与串联电阻R的影响，在毫米微波波段消除键合金丝引起的阻抗不连续效应，降低插入损耗与反射系数，可有效优化传统金丝键合结构的高频响应，将补偿频段提高至数十GHZ，较大程度提高3dB带宽，从而提高信号传输性能，保证信号传输质量，使信号正常传输。可见，通过本方案可以解决高频传输过程中的信号传输质量较差的问题。
可选地，所述第一介质基板和第二介质基板均采用玻璃布基板FR4。
本发明实施例中的介质基板采用玻璃布基板(FR4)为基底，玻璃布基板(FR4)的温度稳定性和机械稳定性较好，并且在高温下机械强度高，在高湿度下电气性能稳定，成本较低。
可选地，所述源端特性阻抗和负载端特性阻抗均为50欧姆；
从所述源端至所述负载端，所述多个微带依次包括第一微带、第二微带、第三微带和第四微带；
所述第一微带的长度范围为[195,205]μm，宽度范围为[245,255]μm；
所述第二微带的长度范围为[195,205]μm，宽度范围为[365,375]μm；
所述第三微带的长度范围为[695,705]μm，宽度范围为[125,135]μm；
所述第四微带的长度范围为[695,705]μm，宽度范围为[215,225]μm；
所述与负载端匹配的微带的宽度范围为[275,285]μm。
其中，与源端匹配的微带宽度不做特别要求，例如可以为280μm。
可选地，所述键合金丝的数量为2～4根，直径大于18μm；相邻键合金丝的间距为10～100μm。其中，键合金丝的跨距在工程常见范围内均可，例如可以为300μm。
需要说明的是，由于在金丝键合结构中，金丝的根数以及其相关参数对于结构的高频响应有着十分重要的影响，总体来说，金丝数量越多，直径越大，长度越短其寄生效应越不明显，微波特性越好。但由于加工工艺限制，键合金丝线必须保证一定拱高；同时多芯片微波电路中的芯片或微带结构通常给定，因此金丝长度不可能无限减小，并且由于键合空间有限，金丝数量也不能无限制增加。本发明实施例中采用的金丝线数量为三根、拱高为200μm、直径为25μm。既可以保证较低的成本、具有较强的工艺可实现性、占用空间较小，并且也不会过大损害金丝键合结构的高频传输性能。
可选地，所述与源端匹配的微带、所述多个微带以及所述与负载端匹配的微带的材质相同，均采用铜箔或银。
其中，银具有优良的导电性、优异的透光性和曲挠性；而铜箔除具有优良的导电性外，还具有成本低廉、加工工艺成熟、工艺可实现性强的优点。
可选地，所述与负载端匹配的微带与所述多个微带一体成型。
上述第一微带、第二微带、第三微带、第四微带和负载端匹配的微带作为一个整体，通过一体成型加工而成。
本发明实施例还提供一种多芯片微波电路，包括上述基于多枝节匹配的金丝键合结构。
本发明实施例提供的多芯片微波电路中，金丝键合结构只在第二微带线进行枝节匹配，无需改变第一微带线的结构，体积较小、结构紧凑、所需空间小、成本低，可以灵活应用于体积小、集成度高、高元件密度的多芯片微波电路中。由于该结构匹配带宽较宽，对频率依赖小，具有良好的高频响应，能够进一步提高微波电路的高频传输性能，可使微波电路应用于数十至上百GHZ速率的高速传输场景。
现有多种电路仿真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(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真)，仿真设计软件microwave office，ADS(Advanced Design system，先进设计系统)等。本发明实施例在中心频率40GHZ采用HFSS和ADS对传统金丝键合结构进行优化，其中，默认源端与负载端特性阻抗为50欧姆，与源端匹配的微带和与负载端匹配的微带为特性阻抗50欧姆的微带。
具体优化过程如下：
首先，在HFSS仿真软件中建立传统金丝互联结构并进行S参数仿真，得到传输系数S21与反射系数S11，导出S2P文件。
然后，在ADS仿真软件中计算出键合金丝的结构阻抗。
之后，利用ADS中smith原图工具进行多枝节匹配，得到微波网络中多个微带的阻抗及长度。
再根据介质基板的厚度及材料、键合金丝的结构阻抗，以及多个微带的阻抗及长度，利用微带线计算工具，计算微波网络中各个微带的宽度，进而确定出第一和第二传输线的尺寸，得到优化结构。
最后，将所得优化结构导入HFSS中仿真，再利用优化功能对第一和第二传输线的宽度进行微调，完成在中心频率40GHZ的匹配。
图3为经过优化后的基于多枝节匹配的金丝键合结构，如图3所示，该金丝键合结构包括：第一微带线、第二微带线和三根键合金丝3，相邻键合金丝3的间距为300μm，每根键合金丝3的直径均为25μm，跨距均为300μm。
第一微带线包括第一介质基板11和设置在第一介质基板11上表面的第一传输线；第一传输线包括与源端匹配的微带12；第二微带线包括第二介质基板21和设置在第二介质基板21上表面的第二传输线；第二传输线包括微波网络和与负载端匹配的微带23；第一介质基板11和第二介质基板21均采用玻璃布基板FR4。
微波网络的一端相连与负载端匹配的微带23，另一端通过键合金丝3与第一传输线相连。从源端至负载端，多个微带依次包括第一微带221、第二微带222、第三微带223和第四微带224；
与源端匹配的微带12的宽度为280μm；
第一微带221的长度为200μm，宽度为250μm；
第二微带222的长度为200μm，宽度为370μm；
第三微带223的长度为700μm，宽度为130μm；
第四微带224的长度为700μm，宽度为220μm；
与负载端匹配的微带23的宽度为280μm。
经过优化后的传输模型最大宽度为370μm，且只需在第二微带线一侧改变第二传输线的结构，因此可以满足当前大多数芯片微波电路的尺寸要求。
对优化后的结构在HFSS进行0-60GHZ的频域仿真，所得到的传输系数S21、反射系数S11与驻波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)值如图4、图5、图6所示，图中横轴为频率Freq(GHZ)。
从图中可以看到，优化后模型在中心频率40GHZ处传输系数S21可达到-0.4148dB、反射系数S11为-16.2728dB、驻波比VSWR为1.3629，具有较为理想的高频响应。该结构的1dB带宽为49.7GHZ，3dB带宽为62.7GHZ。
因此，本发明实施例提出的金丝键合结构，对键合金丝在多芯片微波电路中引入的阻抗不连续问题进行补偿，能够使优化后的键合结构在中心频率40GHZ实现阻抗匹配。
本发明实施例在第二传输线上增设微波网络，通过微波网络的多个串联微带对键合金丝进行阻抗匹配，能够消除传统金丝键合结构等效电路中串联电感L与串联电阻R的影响，在毫米微波波段消除键合金丝引起的阻抗不连续效应，降低插入损耗与反射系数，可有效优化传统金丝键合结构的高频响应，将补偿频段提高至数十GHZ，较大程度提高3dB带宽，从而提高信号传输性能，保证信号传输质量，使信号正常传输。
由于金丝键合结构作为微波多芯片电路中常用互连结构，因此其高频传输性能影响着整个微波电路的传输性能。本发明实施例提供的金丝键合结构能够显著改善传统金丝键合结构的电磁特性、补偿金丝键合处的阻抗不连续，对于提高微波电路高频性能有着重要的意义。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于多枝节匹配的金丝键合结构，其特征在于，包括：第一微带线、第二微带线和至少两根键合金丝(3)；
所述第一微带线包括第一介质基板(11)和设置在所述第一介质基板(11)上表面的第一传输线；所述第一传输线包括与源端匹配的微带(12)；
所述第二微带线包括第二介质基板(21)和设置在所述第二介质基板(21)上表面的第二传输线；所述第二传输线包括微波网络和与负载端匹配的微带(23)；
所述微波网络的一端相连与负载端匹配的微带(23)，另一端通过所述键合金丝(3)与所述第一传输线相连；
所述微波网络包括串联的多个微带，用于对所述键合金丝(3)进行阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一介质基板(11)和第二介质基板(21)均采用玻璃布基板FR4。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述源端特性阻抗和负载端特性阻抗均为50欧姆；
从所述源端至所述负载端，所述多个微带依次包括第一微带(221)、第二微带(222)、第三微带(223)和第四微带(224)；
所述第一微带(221)的长度范围为[195,205]μm，宽度范围为[245,255]μm；
所述第二微带(222)的长度范围为[195,205]μm，宽度范围为[365,375]μm；
所述第三微带(223)的长度范围为[695,705]μm，宽度范围为[125,135]μm；
所述第四微带(224)的长度范围为[695,705]μm，宽度范围为[215,225]μm；
所述与负载端匹配的微带(23)的宽度范围为[275,285]μm。
4.根据权利要求1至3任一所述的结构，其特征在于，所述键合金丝(3)的数量为2～4根，直径大于18μm；相邻键合金丝(3)的间距为10～100μm。
5.根据权利要求1至3任一所述的结构，其特征在于，所述与源端匹配的微带(12)、所述多个微带以及所述与负载端匹配的微带(23)的材质相同，均采用铜箔或银。
6.根据权利要求1至3任一所述的结构，其特征在于，所述与负载端匹配的微带(23)与所述多个微带一体成型。
7.一种多芯片微波电路，其特征在于，包括权利要求1至6任一所述的基于多枝节匹配的金丝键合结构。
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