毫米波微帶鍵合金絲寬帶匹配互連分析設(shè)計

 引言

鍵合金絲互連技術(shù)在微波集成電路(MICs)以及單片集成微波電路(MMICs)中有著廣泛的應(yīng)用，它可以用于固態(tài)器件到無源電路的連接，也可用于芯片之間的連接。但是，這種互連方式在毫米波高端的使用卻受到一定的限制，這是因為金絲與微帶線的連接處,微帶線的分布電流受到影響，呈現(xiàn)出電感的特性。為了解決該問題，人們提出了倒裝芯片以及其他一些電磁耦合技術(shù) 。然而鍵合金絲互連結(jié)構(gòu)依然有著廣泛的應(yīng)用，這主要是由于它具有工藝簡單、廉價、熱脹系數(shù)小等優(yōu)點，這在有很高要求的應(yīng)用尤其是空間系統(tǒng)中有重要的意義。實踐證明，只要設(shè)計合適的匹配網(wǎng)絡(luò)，鍵合金絲互連結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)良好的匹配性能。

采取電磁場數(shù)值計算的方法可獲取準(zhǔn)確的鍵合參數(shù)模型，常用的有基于全波分析的時域有限差分法以及準(zhǔn)靜態(tài)分析法等。利用鍵合線形成五階低通濾波器用于兩玻璃芯片的連接，雖然可以實現(xiàn)很寬頻帶的匹配連接，但是其對芯片的要求較為苛刻。本文針對毫米波的寬帶匹配互連，采取附加微帶調(diào)諧分支的方法，分析設(shè)計了適用于V、E 波段的微帶鍵合金絲寬帶匹配互連，并對鍵合金絲粗細、數(shù)目、間距以及微帶調(diào)諧分支線對毫米波反射與傳輸特性的影響進行了比較分析。

2 鍵合金絲互連模型及其等效電路

本文所研究的帶有微帶調(diào)配支節(jié)的鍵合金絲互連模型如圖1所示。在厚度為0.127mm的Rogers 5880的介質(zhì)基板上將固定寬度以及間隙的兩條微帶通過金絲相連，為了調(diào)配鍵合金絲的電抗效應(yīng)，增加了微帶分支調(diào)配結(jié)構(gòu)。整個互連結(jié)構(gòu)的等效電路如圖2所示：

(a)單金絲

(b)雙金絲

圖1 帶有微帶調(diào)配支節(jié)的鍵合金絲互連模型

圖2 鍵合金絲互連模型等效電路 鍵合金絲互連模型仿真及分析

3.1 金絲數(shù)目、粗細、間距及微帶調(diào)配分支線對反射特性的影響

采取HFSS，計算了不同金絲粗細、數(shù)目、間距的反射特性曲線，結(jié)果如圖3-圖5所示。圖3給出了單金絲結(jié)構(gòu)中三種金絲直徑的反射系數(shù)頻響曲線，可見金絲越粗其反射系數(shù)越小，因此在可選范圍內(nèi)我們應(yīng)選擇較粗的金絲。圖4給出了雙金絲間距對反射系數(shù)的影響情況，可知其間距越大反射參數(shù)越小，這是因為雙線間的水平距離接近于微帶的線寬時，可以減小等效的串聯(lián)電感。圖5給出了S11隨著鍵合金絲數(shù)目的變化情況，由圖可知雙金絲明顯優(yōu)于單金絲的傳輸特性，但也并不是金絲的數(shù)目越多越好，三金絲、四金絲、五金絲的傳輸特性隨著金絲數(shù)目的增加反而越來越差。

我們引入微帶調(diào)諧分支線來調(diào)諧金絲帶來的電感特性，圖6和圖7所示為微帶長度和寬度對反射特性的影響曲線，調(diào)節(jié)微帶的長度和寬度可以在所需頻段產(chǎn)生較好的反射特性。

圖3 金絲直徑對S11的影響(單金絲)

圖4 金絲間距對S11的影響(雙金絲)

圖5 金絲數(shù)目對S11的影響

圖6 調(diào)諧微帶分支線長度對S11的影響

圖7 調(diào)諧微帶分支線寬度對S11的影響 3.2 優(yōu)化結(jié)果及其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

對于圖2(b)所示雙金絲結(jié)構(gòu)，在考察了各主要參數(shù)對傳輸特性的影響后，經(jīng)過優(yōu)化我們得到了較好的輸出S參數(shù)特性曲線如圖8所示，可見，該微帶鍵合金絲互連結(jié)構(gòu)在50GHz-80GHz頻率范圍內(nèi)的插入損耗仿真結(jié)果均小于0.65dB，此時各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示：

表1 雙金絲主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8 優(yōu)化后的S參數(shù)特性曲線

4 結(jié)論

本文分析并設(shè)計了一種帶有微帶調(diào)配分支線的毫米波鍵合金絲互連結(jié)構(gòu)，同時我們也考察了金絲的粗細、數(shù)目、間距以及調(diào)諧微帶分支線對反射參數(shù)的影響。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，該鍵合金絲互連結(jié)構(gòu)在50GHz-80GHz頻率范圍內(nèi)的插入損耗仿真結(jié)果均小于0.65dB，適用于V、E波段的寬帶匹配互連。