25.毫米波多芯片组件中金丝金带键合互连的特性比较

毫米波多芯片组件中金丝金带键合互连的特性比较

毫米波多芯片组件中金丝金带键合互连的特性比较

邹 军

（南京电子技术研究所， 南京 210039）

【摘要】金丝、金带键合已经广泛的应用于毫米波多芯片组件的互连之中。本文讨论了在20－40GHz频率范围内，一根、两根三根金丝和金带连接的性能。测试结果表明两根和三根金丝连接的性能优于金带连接的性能，金带连接的性能优于单金丝连接的性能。

【关键词】金丝键合，金带键合，毫米波多芯片组件

Comparison of Characteristics of Wire and Ribbon Bonding

Interconnects in mm-wave MCM

Zou Jun

（Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039)

【Abstract】 Wire and Ribbon bonding have been widely used for interconnect of millimeter-wave multi-chip module(MCM). In this paper, characterizations of single, double, triple bondwires and ribbon bonding are discussed in a frequency range from 20 to 40 GHz. The measured results show that the double and triple bondwires are prior to ribbon bonding and ribbon bonding are prior to single bondwires in terms of microwave characterizations.

【Key words】 Wire Bonding, Ribbon Bonding interconnect, mm-wave MCM

引言

随着微波和毫米波子系统的快速发展，由于大量的金丝、金带连接已经对整个子系统的性能产生了影响，涉及芯片连接的技术发展的非常之快，尤其是在高频段[1]。考虑芯片或器件的热膨胀和尺寸的差异，通常在要连接的两种介质之间要预留一段小间隙。由于大量的MMICs和组件是基于微带结构的，微带线之间的高效率连接对于高性能系统就显得非常重要。由于连接的金丝、金带存在寄生电感，随着频率越高，金丝、金带连接的微波性能会不断恶化。

本文采用三维电磁场分析软件 HFSS对毫米波多芯片组件中的金丝、金带键合互连的微波特性进行建模分析和仿真优化，并将金丝、金带键合互连等效为一个串联电阻、一个串联电感和两个并联电容组成的低通滤波器网络模型。通过制作试验样品，用矢量网络分析仪和通用测试架测试了在频率20～40GHz范围内单根、两根、三根连接线和金带连接的性能S参数。将试验样品的测试结果与仿真优化结果进行了分析对比，两者吻合较好。

毫米波多芯片组件中金丝金带键合互连的特性比较

1. 理论分析

一个典型的金丝键合互连结构如图1所示。

图1金丝、金带键合结构示意图

金丝、金带键合互连的模型可以用串联电阻R、串联电感L、并联电容C1和R1、并联电容C2和R2组成的低通滤波网络来表示，如图2所示。

图2金丝、金带键合互连的等效电路模型

采不同模型的等效电路可以通过实测数据来提取，也可通过三维电磁场仿真软件HFSS 通过仿真金带互连的微波特性，输出模型的全频段S参数文件，利用微波电路仿真设计软件ADS中的SPICE工具，可以计算得到金丝、金带键合互连的各个模型参数。

2. 金带、金丝互连性能仿真分析

利用Ansoft公司的三维电磁场软件HFSS对键合互连结构进行建模，仿真了在频率20－40GHz范围内单根、两根、三根连接线和金带连接的性能。

仿真参数如下:氧化铝陶瓷厚度是0.8mm，其相对介电常数是9.9，介质衬底上50Ω微带宽度为0.79mm，微带间隙d为0.2mm。为更好的比较出金丝、金带键合性能差异，结合生产过程中键合实际能达到的跨距和拱高，仿真时设置金丝和金带的跨距、拱高相同，拱高0.1mm、跨距0.2mm。其仿真结果如图3所示。

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(a)

(b)

图3单根金丝、两根金丝、三根金丝和金带互连仿真S参数（a）S11 （b）S21

从图3的仿真结果看，在20～40GHz频率范围内，两根金丝、三根金丝互连的微波特性优于金带互连的微波特性，单根金丝的微波特性较差，且单根金丝与两根金丝、三根金丝和金带互连的微波特性相差较大。

3. 试验验证及分析

每一条微带线用5μm厚的金金属化处理。为连接两条微带线，用直径25.4μm的金丝连接和用宽度150μm、厚度12.5μm的金带连接。氧化铝基板厚度为0.8mm。其介电常数9.9，损耗角0.0003。单根金丝连接的高度是75μm，两根金丝连接高度是80和85μm，三根金丝连接高度是85μm、88μm和90μm和金带连接高度是90μm。单根金丝连接的总长度是340μm, 两根金丝连接的总长度是360μm和380μm, 三根金丝连接的总长度是380μm 、390μm和400μm, 金带连接的总长度是390μm。用Anritsu公司的通用测试架3680K测试结构装置，频率20－40GHz。校准可通过TRL方法校准到参考位置，用Agilent8363矢网进行测试。其测试结果如图4所示。

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（a）

(b)

图4单根金丝、两根金丝、三根金丝和金带互连实测S参数（a）S11 （b）S21

所测量实验基板的S参数与仿真结果相比较，如图3和图4，吻合较好。单根金丝连接的插入损耗在20～40GHz范围内是-0.5～-2.1dB，如图4(b)所示。另一方面，在同样的频率范围内，两根、三根金丝连接和金带连接的插入损耗分别小于0.6，0.5和0.8dB。两根、三根金丝连接和金带连接的性能比单根金丝连接的性能更好，特别是图4表明两根金丝连接的特性优于金带连接的性能。

在图4(b)中，测量的单根金丝、三根金丝和金带连接的插入损耗进行了细致的比较。连接线的特性主要与连接线的总长度有关。在长度L=380μm的两根金丝和长度L=390μm的金带之间，其插入损耗平均相差小于0.2 dB。此外，图4(b)表明在微波和毫米波应用中两根、三根金丝连接是优于金带连接的。尤其，在两根金丝连接的这种情况中，通过增加金丝之间的距离能够有效的减少寄生电感，主要是由于连接线之间的互感系数在减少。

4. 结论

计算机仿真结果和试验样品的测试结果表明：两根、三根金丝键合互连的微波特性优于金带键合连接，金带键合互连的微波特性优于单金丝键合互连。在实际工程应用中应根据实际情况尽量采用两根和三根金丝连接，在焊区较小的情况下，应采用金带连接。在键合时应尽量采用低拱高、小跨距以提高微波性能。

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参考文献：

[1] Masashi Hotta, Yongxi Qian, Tatsuo Itah. Resonant coupling type microstrip line interconnect

using bonding ribbon and dielectric PAD. 1998 IEEE MTT-S Digest:797～800

[2] Christoph Luechinger. Ribbon Bonding–A Scalable Interconnect for Power QFN Packages. 2007

9th Electronics Packaging Technology Conference

[3] T. Krems, W. Haydl, H. Massler, J. Rudiger, “Millimeter-wave performance of chip

interconnections using wire bonding and flip chip,” Proc. IEEE MTT-s. Dig., San Francisco, CA, pp. 247-250, 1996.

[4] H.Jin, R.Vahldieck, J.Huang etc. Rigorous analysis of mixed transmission line interconnects

using the frequency domain TLM method. IEEE Trans. Microwave Theory Tech, vol.41, no.12,pp.2248-2255,Dec.1993

作者简介：邹 军，男，1975年生，工程硕士，工程师。研究方向为微波电路封装和互连、微电路技术等。

联系方法： 025－51823815 13851515686、jun_zou@、南京雨花区国睿路8号3918信箱46分箱，

210039

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