摘要：

      研究了芯片封装中键合线的建模和模型参数提取方法。根据二端口网络参量，提出了单键合线的"型等效电路并提取了模型中的R、L和C参量。最后，设计出一个简单、低成本的测试结构验证了仿真分析结果。

1、引言

      随着集成电路(IC)工作频率或速度不断提高以及产品小型化的要求，封装成为高频集成电路设计的瓶颈，它在信号完整性、损耗等多方面影响电路的特性。芯片与引线框架的互连技术是IC封装中极为关键的工艺步骤。虽然目前已经开发了很多新的互连结构，例如互连点、凸点、按键结构、弹簧结构和柱状结构等，但是IC市场上引线键合技术因为其低成本和可靠的制造技术仍占主要地位。

      IC发展对引线键合技术的挑战日益增大，尤其是在高速电子产品和射频(RF)产品上，因此，人们越来越关心封装键合线的高频性能。本文主要研究了键合线的Spice模型和模型参数提取方法，建立了单个键合线的Ⅱ型等效电路，给出了根据二端口S参数提取键合线等效电路模型中的R、L和C真参量值的方法。为了去除测试结构对键合线的影响，准确地获得键合线的S参数，在电路仿真和测试中使用了去嵌入(de-embedding)技术。最后设计了一个简单的低成本的测试结构，比较验证了仿分析结果。

2、键合线模型

      目前，全波分析方法被广泛应用在互连结构建模中。本文采用了HFSS全波分析软件来仿真键合线的电特性。键合线等效电路模型可以用图1所示的二端口网络来表征。图中，R1和R2代表终端阻抗，C1和C2为终端电容，R为键合线的电阻，并表示为:

      根据Ⅱ型网和Y参数矩阵的关系，可以得到:

      以上分析可见，若已知键合线二端口网络的Y参数矩阵，即导纳参数矩阵，就可以分别计算出网络中的电阻、电容和电感量。在确定的特征阻抗下(一般取特征阻抗为50Ω)，Y参数与S参数间存在确定的转换关系。因此，通过全波分析软件仿真键合线的S参数就可以获得需要的模型参数。图2给出了HFSS环境下键合线S参数仿真结构示意图。图中，在FR-4基板上放置着两段金属线，一根直径为1mil，长度为2毫米的铝丝键合线用于连接这两段金属。图3是该结构的S参数仿真结果。

      图3中仿真的S参数为整个测试结构的，即包含了键合线和两端金属线的总的S参数。为了去除两端金属线的电特性，仅留下键合线的特性，本文采用了开路结构法进行去嵌入(de-embedding)[8]。将两段金属线组成的二端口网络与键合线网络看作两个并联网络，若已知两段金属线组成的网络的Y参数和并联后网络的Y参数，则键合线网络的Y参数可以表示为:

      这样，根据式(6)-(11)可以计算出键合线等效电路中的每个参量。计算得到的参量R和L是频率的函数，这样，式(1)、(2)中R和L的系数可以利用Matlab®软件中的曲线拟和函数计算出来，表1给出了曲线拟和结果。

3、制造和测量

      图5给出了图2所示测试结构的实物照片，其中，铝丝键合线使用ASMAB510半自动铝丝键合机来实现。工作频率范围在10MHz～6GHz的矢量网络分析仪E8357A经过校准后，分别测试出整个测试结构和开路结构的S参数。最后，根据本文第二部分的公式得到单根键合线实测的S参数以及相应的模型参数。图5比较了单根键合线仿真和实测的传输损耗曲线。表2列出了根据测试数据得到的单根键合线模型拟和参数。

4、结论

      在未来很多年内，引线键合技术可能还会是最主要的互连方法。然而，高I/O数、高性能器件的使用给引线键合技术带来了很多挑战。本文通过全波分析软件仿真分析了键合线特性，介绍了键合线等效电路模型及模型参数提取方法。这样，电路设计者可以进行芯片-封装协同设计，在电路仿真阶段就考虑到封装效应，并在设计中有根据的考虑设计余量，从而有根据的预测封装后的电路特性。