金丝键合射频互连线特性分析

1、引言

在雷达、电子对抗和通信等领域中，电子系统逐步朝着高密度、高速率、高可靠性、高性能和低成本等方向发展。多芯片电路作为混合电路集成技术的代表，可以在三维、多层介质基板中，采用微组装互连工艺将裸芯片及各种元器件设计成满足需求的微波集成电路。在微波多芯片电路技术中，常采用金丝键合技术来实现微带传输线、单片微波集成电路和集总式元器件之间的互连。与数字电路中互连线不同的是，键合金丝的参数特性如数量、长度、拱高、跨距、焊点位置等都会微波传输特性产生严重的影响。尤其是在毫米波等高频段，键合金丝的寄生电感效应尤为明显。因此，分析金丝键合的电磁特性、并有效地设计金丝互连电路，对实现和提高多芯片电路的性能具有十分重要的意义[1]。

目前有多种方法可用来分析和改善多芯片电路中键合金丝的电磁特性。1995 年，Lee 采用矩量法计算键合线的阻抗损耗和辐射损耗，用来分析任意形状互连线的宽带电磁特性[2]。同年，F. Alimenti等人提出采用准静态法对键合金丝的传输特性进行分析[3]。由于键合金丝的介质边界是开放式且结构呈弯曲状，随着工作频率的升高和金丝互连参数的变化，采用上述方法的精度也会受到影响。随后，在2001 年，F. Alimenti 等人又提出采用时域有限差分法对金丝键合的电磁特性进行分析[4]。为补偿键合金丝的寄生电感效应，人们提出了多种方法，诸如增加焊盘尺寸、增加微带调节分支线、增加高、低阻抗传输线来设计低通滤波器等[5]-[7]。本文首先采用路的方法对键合金丝互连线的传输特性进行建模和分析；随后根据金丝互连线的寄生电感效应，设计了电容补偿结构来改善传输线与芯片、传输线与传输线之间的微波特性。通过计算结果明，采用这种方法来设计键合金丝可以有效地改善多芯片电路的传输性能。

2、金丝键合的建模与分析

如图1 所示，是典型金丝键合互连线的结构模型。在两个相邻的芯片或传输线之间采用单根键合金丝互连线连接，金丝的长度为l，直径为d；金丝与地面的距离为hs。其对应的等效电路模型如图2所示，其中，键合金丝可等效为串联电阻R 和串联电感L，键合金丝两边的焊盘则等效为两个并联的电容C1 和C2。

由于趋肤深度与频率的平方根呈反比，由式（1）-（4）可知，L、C 受频率的影响较小，R 则随着频率的平方根而变化。

此外，键合金丝的几何参数也会对其等效电感、电容和电阻产生影响，相应地也会使互连特性发生变化。如图3 所示，是单根金丝键合线的直径变化对传输线回波损耗的影响。随着键合金丝的直径d 增加，等效电感L 减小，R 减小，回波损耗变大，插损损耗减小。

如图4，表示单根金丝键合线的拱高变化对传输线回波损耗的影响。随着键合金丝的拱高hw 增加，键合金丝长度l 增大，L 增大，R 减小, 回波损耗变小，插损损耗变大。

如图5 所示，指金丝键合线的数目变化对传输线回波损耗的影响。随着键合金丝数目的增加，互连电磁特性会得到明显改善，但2 根金丝线以上的传输特性区别较小。

根据上述对金丝键合的特性分析可知，键合金丝的直径对传输性能影响较为明显；拱高越低，金丝长度越小，传输损耗越小；同理，键合金丝的跨距越小，互连特性越佳；多根金丝线的插入损耗也明显由于单根金丝线。

3、电容补偿的结构设计

由金丝键合互连线的等效电路模型分析可知，随着工作频率的增大，尤其是在Ka 频段，键合线的寄生电感效应会显著增加，并会对互连传输特性产生较大影响。为了改善金丝键合线的传输特性，本文提出了一种改进型的电容补偿结构。如图6 所示，是所设计补偿结构的三维示意图。在键合线的两侧增加焊盘尺寸，并在其下方增加相应长度的金属带状线。采用该种结构，可以增加耦合电容来补偿键合线的寄生电感效应。

根据上述方法，本文设计了金丝键合互连想的电容补偿结构。介质基底采用Rogers 5880 材料，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，基底厚度是0.254 mm。金丝键合数目是两根， 直径0.025mm，长度0.3 mm。在三维全波仿真软件

Ansys HFSS 中进行仿真优化设计，最终确定电容补偿结构的尺寸大小分别为w1=0.3 mm, l1=0.3 mm,w2=0.3 mm, l2=1.32 mm, 端口处50 欧姆微带线的宽度为w0=0.72 mm, l0=1.1 mm。如图7-8 所示，分别是两种是否含有电容补偿结构的传输损耗和回波损耗的比较图。由图可知，在带有2 根键合金丝线的互连结构中，采用所设计的电容补偿结构，在Ka 频段（20-40 GHz），插入损耗大约减小了0.1 dB-0.2 dB；回波损耗在20-30GHz 的频率范围内增加了约23 dB，在更高频段内也增大了5-10 dB。所提出的电容补偿结构显著地改善了由于金丝键合的寄生电感效应所恶化的互连传输特性。

4、结论

本文提出了一种金丝键合互连线的电容补偿结构。通过对键合互连线的电磁特性进行建模和分析，设计了电容补偿结构来减小键合互连线的寄生电感影响。与未进行电容补偿的金丝互连线相比，所设计的金丝键合电容补偿结构可以明显改善互连线传输特性。在Ka 频段，插入损耗减小了0.1 dB-0.2 dB；回波损耗（在20-30 GHz 的频率范围内）增加了约23 dB。采用本文所提出的金丝键合电容补偿结构，可以有效地用于多芯片电路中传输线与芯片、传输线和传输线之间的互连设计。

参考文献

[1] T. Krems, W. Haydl, H. Massler, and J. Rudiger, "Millimeter-wave performance of chip interconnections using wire bonding and
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[2] Lee, Hai-Young, "Wideband characterization of a typical bonding wire for microwave and millimeter-wave integrated circuits"
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[3] F. Alimenti, U. Goebel, and R. Sorrentino, "Quasi static analysis of microstrip bondwire interconnects," IEEE Microwave
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[4] F. Alimenti, P. Mezzanotte, L. Roselli, and R. Sorrentino, "Modeling and characterization of the bonding wire interconnection",
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[5] T. P. Budka, "Wide-bandwidth millimeter-wave bond-wire interconnects", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 49, No. 4,
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[6] Y. P. Zhang, M. Sun, K. M. Chua, L. L. Wai, and D. Li, "Antenna-in-package design for wirebond interconnection to highly
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[7] Y. P. Zhang and D. Li, "Antenna-on chip and antenna-in-package solutions to highly integrated millimeter-wave devices for
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