IC封裝中鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)的仿真分析

楊玲玲，孫 玲，孫海燕

（1. 南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226019；2. 南通大學(xué)江蘇省專用集成電路設(shè)計重點實驗室，江蘇 南通 226019）

IC封裝中鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)的仿真分析

楊玲玲1,2，孫 玲2，孫海燕2

（1. 南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226019；2. 南通大學(xué)江蘇省專用集成電路設(shè)計重點實驗室，江蘇 南通 226019）

隨著高頻高速集成電路制造工藝的不斷進步，電子封裝技術(shù)的發(fā)展也登上了一個新高度。作為微電子器件制造過程中的重要步驟之一，封裝中的傳輸線、過孔、鍵合線等互連結(jié)構(gòu)都可能對電路的性能產(chǎn)生影響，因此先進的集成電路封裝設(shè)計必須要進行信號完整性分析。介紹了一種鍵合線互連傳輸結(jié)構(gòu)，采用全波分析軟件對模型進行仿真，著重分析與總結(jié)了鍵合線材料、跨距、拱高以及微帶線長度、寬度五種關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對封裝系統(tǒng)中信號完整性的影響，仿真結(jié)果對封裝設(shè)計具有實際的指導(dǎo)作用。

鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)；IC封裝；信號完整性

1 引言

隨著BGA、SIP以及MCM等先進封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，工作頻率越來越高，工藝尺寸不斷縮小，封裝系統(tǒng)中的信號完整性問題已經(jīng)成為研究的重點。鍵合線作為封裝中重要的一種互連結(jié)構(gòu)，其傳輸特性直接影響了整個封裝系統(tǒng)的信號完整性。因此在鍵合線分析及優(yōu)化設(shè)計方面也開展了很多工作，主要有不同材料鍵合線特性分析[1,2]、引線鍵合工藝[3]、鍵合線幾何模型參數(shù)的研究[4]，電特性研究[5]等。可以看出，以上的研究工作均是基于鍵合線本身進行建模與特性分析。

多芯片封裝技術(shù)中，一般采用鍵合互連線來實現(xiàn)微帶線、共面波導(dǎo)等傳輸線之間的互連[6]。本文設(shè)計了一種鍵合線互連結(jié)構(gòu)，利用鍵合線來實現(xiàn)微帶線之間的互連，借助全波分析軟件，對此模型中的鍵合線材料、跨距、拱高以及兩側(cè)微帶線寬度、長度進行仿真分析，總結(jié)分析以上五種參數(shù)的變化對信號傳輸性能的影響，從而為實際封裝設(shè)計提供一定的理論參考。

2 鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)

鍵合線是基板和芯片之間的主要連接方式之一。在微電子封裝中，基板和芯片之間有大量的鍵合線，實現(xiàn)傳輸線之間的互連。本文給出了如圖1中所示的鍵合線互連傳輸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要采用鍵合線來實現(xiàn)兩邊微帶線之間的連接。圖中W表示微帶線的寬度，L表示微帶線的長度，鍵合線的跨距為Lw，拱高為H。

圖1 鍵合線互連結(jié)構(gòu)示意圖

鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)中，兩邊的微帶線結(jié)構(gòu)與鍵合線連接處存在著較強的電場與磁場，隨著頻率的不斷升高，鍵合傳輸結(jié)構(gòu)中存在的寄生電感、寄生電容均不容忽視，從而影響了鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)的傳輸特性。圖2中給出了鍵合線的簡單互連等效電路。圖中的鍵合線的互連模型主要包含了并聯(lián)電容C1、串聯(lián)電阻R和串聯(lián)電感L、并聯(lián)電容C2組成的低通濾波器網(wǎng)絡(luò)[7]。

圖2 鍵合線的互連模型

3 仿真分析與比較

鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)的性能主要由微帶線特性、鍵合線特性等許多復(fù)雜因素決定。本文主要借助于全波分析軟件，對影響鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)性能的幾何參數(shù)，主要有鍵合線材料、跨距、拱高以及兩邊微帶線的長度、寬度，進行仿真分析與比較。

在全波仿真軟件中建立鍵合線互連結(jié)構(gòu)幾何模型，如圖3中所示。模型結(jié)構(gòu)為采用鍵合線來實現(xiàn)兩邊微帶線連接的傳輸結(jié)構(gòu)。介質(zhì)層厚度為0.2 mm，介電常數(shù)為11.9；鍵合線材料分別選擇金、鋁、銅；拱高變化范圍為0.2~0.8 mm；跨距變化范圍為2~10 mm；微帶線的寬度變化范圍為0.1~0.3 mm；微帶線長度的變化范圍為3~5 mm；仿真頻率設(shè)為0.1~3 GHz。

圖3 鍵合線互連結(jié)構(gòu)幾何模型

3.1 鍵合線材料變化的影響

根據(jù)鍵合線材料的不同，可分為鍵合金線、鍵合銅線和鍵合鋁線。鍵合金線主要采用的是純度為99.99%、線徑為18~50 μm的高純度金絲，具有較好的抗腐蝕性、抗氧化性以及優(yōu)良的延展性、導(dǎo)電性，但金絲的價格較為昂貴。為了降低封裝的成本，人們尋找了一種較為便宜的銅材料來代替金絲材料，銅絲導(dǎo)電能力相對較差，硬度較高。雖然集成電路封裝中的引線鍵合大部分使用鍵合金絲和鍵合銅絲，但在陶瓷外殼封裝的集成電路中，則多采用了鍵合鋁絲[8]，其化學(xué)性能穩(wěn)定，與前兩者相比導(dǎo)電能力較差，且鍵合速度慢，生產(chǎn)效率低。

仿真模型中，設(shè)置鍵合線拱高為0.5 mm，跨距為8 mm，兩邊微帶線寬度為0.8 mm，長度為5 mm，僅改變鍵合線的材料，分別選取鍵合金線、鍵合銅線和鍵合鋁線，仿真分析三種不同材料的鍵合線對此互連結(jié)構(gòu)傳輸特性的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4中不同鍵合線材料的插入損耗和回波損耗仿真曲線的比較可以看出，與其他兩種材料的鍵合線相比，鍵合金線具有較好的傳輸性能；而鍵合銅線與鍵合鋁線相比較，前者信號傳輸衰減較小。

3.2 鍵合線跨距變化的影響

設(shè)定兩邊微帶線寬度為0.2 mm，長度為5 mm，鍵合線材料為鋁，拱高設(shè)為0.5 mm，改變鍵合線跨距Lw，分別設(shè)為2 mm、6 mm和10 mm。圖4中給出了不同鍵合線跨距下的回波損耗S11和插入損耗S21仿真曲線比較。

圖4 不同鍵合線材料的S11和S21仿真曲線的比較

圖5 不同鍵合線跨距的S11和S21仿真曲線的比較

由圖5可知，隨著鍵合線跨距不斷增加，其傳輸信號衰減也隨之增加，傳輸特性越來越差。同時可以看出，當(dāng)跨距增大到6 mm和10 mm之間時，兩者的回波損耗變化較小。

3.3 鍵合線拱高變化的影響

建立單根鍵合鋁線模型，設(shè)定鍵合線的跨距為8 mm，兩邊微帶線寬度與長度分別設(shè)置為0.2 mm，5 mm，鍵合線拱高H分別設(shè)為0.2 mm、0.5 mm和0.8 mm，仿真分析不同鍵合金線拱高的高頻特性對封裝信號完整性的影響。圖6給出了不同鍵合線拱高的情況下，回波損耗S11和插入損耗S21仿真曲線的比較。

圖6 不同鍵合線拱高下的S11和S21仿真曲線的比較

由圖6可知，隨著鍵合金線拱高的不斷減小，其傳輸信號衰減也隨之減小，由此看來平直的鍵合金線性能最好。但考慮到平直鍵合線受力集中，因此，在鍵合線的設(shè)計時，兼顧傳輸特性和可靠性兩個方面，應(yīng)盡量選擇合適的鍵合線拱高，避免不必要的損耗。

3.4 微帶線寬度變化的影響

為了研究微帶線寬度對信號傳輸性能的影響，在保持鍵合線跨距為8 mm、拱高為0.5 mm以及其材料為鋁、且兩邊微帶線的長度設(shè)為5 mm等參數(shù)不變的情況下，改變兩邊微帶線寬度分別為0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm。

不同微帶線寬度下，回波損耗和插入損耗的仿真曲線比較如圖7所示。圖7中可以看出當(dāng)微帶線的寬度越寬時，此時傳輸性能較好。但是從圖7（a）中可以看出，當(dāng)微帶線寬度為0.3 mm、頻率為2 GHz時，存在一個諧振峰。若在電路中，傳輸線出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，則能夠傳輸?shù)浇K端負載的能量會逐漸減少，大部分會被反射和輻射，從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)性能衰減。因此，在實際封裝設(shè)計中，為得到更好的傳輸特性，應(yīng)選擇合適的微帶線寬度。

圖7 不同微帶線寬度下的S11和S21仿真曲線的比較

3.5 微帶線長度變化的影響

設(shè)定兩邊微帶線的寬度均為0.2 mm，鍵合線材料為鋁，拱高設(shè)為0.5 mm，跨距為8 mm，改變兩邊微帶線長度，分別設(shè)為3 mm、4 mm和5 mm。圖8中給出了不同微帶線長度下的回波損耗S11和插入損耗S21仿真曲線比較。

由圖8可以看出，隨著兩邊微帶線長度的不斷增加，損耗越來越小，傳輸特性越來越好。因此，在鍵合線傳輸結(jié)構(gòu)中可增加微帶線的長度，來提高傳輸性能。

3.6 小結(jié)

根據(jù)上述一系列的仿真與分析，總結(jié)了在封裝設(shè)計中，提高鍵合線互連結(jié)構(gòu)信號完整性性能的幾個方面：

（1）在相同的鍵合線拱高、跨距以及微帶線長度、寬度情況下，鍵合金線的信號衰減最小，傳輸性能最好，但考慮到鍵合金線的成本較高，故在實際的封裝中，可根據(jù)情況選擇合適的鍵合線材料；

圖8 不同微帶線長度下的S11和S21仿真曲線的比較

（2）在相同的鍵合線材料、拱高和微帶線長度、寬度情況下，鍵合線應(yīng)選擇跨距越短越好，此時可減少損耗，提高信號的傳輸質(zhì)量；

（3）在相同的鍵合線材料、跨距和相同的微帶線長度、寬度情況下，鍵合線應(yīng)選擇拱高越低越好，此時可減少損耗，提高信號的傳輸質(zhì)量；

（4）在相同的鍵合線材料和跨距、拱高以及微帶線長度的情況下，微帶線的寬度越寬越好。因此，在實際的設(shè)計中，若封裝內(nèi)部尺寸允許的情況下，可適當(dāng)增加微帶線的寬度，這樣既可得到較好的傳輸特性又可以提高其可靠性。

（5）在相同的鍵合線材料和跨距、拱高以及微帶線寬度的情況下，微帶線的長度越長越好。

4 結(jié)論

本文借助于全波分析軟件，研究了鍵合線互連結(jié)構(gòu)中五種不同參數(shù)對封裝系統(tǒng)信號完整性的影響。仿真結(jié)果顯示，兩邊微帶線的寬度越寬，長度越長，同時鍵合金線跨距越小，拱高越低，此時信號的衰減最小，傳輸性能較好。通過定性分析鍵合線互連結(jié)構(gòu)對高速信號傳輸產(chǎn)生的影響，為實際的封裝互連優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

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Analysis of the Performance of Bonding Wire Transmission Structure in IC Package

YANG Lingling1,2, SUN Ling2, SUN Haiyan2

（1.Xinlin College,Nantong University,Nantong226019,China; 2.Jiangsu Key Lab of ASIC Design,Nantong University,Nantong226019,China）

With the development of the manufacturing process for the high-frequency and high-speed integrated circuit, the electronic package technology also have boarded a new height. As one of the microelectronic device manufacturing process, the interconnect structures in the package, such as vias, transmission lines and bonding wires, may have impacts on the performance of the circuit. So it is important to analyze the signal integrity in the advanced IC package design. A bonding wire interconnection transmission structure is presented in the paper, which is simulated by the full-wave analysis software. The impact of the key parameters, such as the material of bonding wire, the span of the bonding wire, the high arch of the bonding wire and the length of the microstrip, the width of the microstrip, were analyzed and summarized on the signal integrity of the package system. The simulation results provide a practical guide for the package design.

bonding wire transmission structure; IC package; signal integrity

TN305.94

A

1681-1070（2014）09-0001-04

2014-03-06