毫米波微带键合金丝宽带匹配互连分析设计

 引言

键合金丝互连技术在微波集成电路(MICs)以及单片集成微波电路(MMICs)中有着广泛的应用，它可以用于固态器件到无源电路的连接，也可用于芯片之间的连接。但是，这种互连方式在毫米波高端的使用却受到一定的限制，这是因为金丝与微带线的连接处,微带线的分布电流受到影响，呈现出电感的特性。为了解决该问题，人们提出了倒装芯片以及其他一些电磁耦合技术 。然而键合金丝互连结构依然有着广泛的应用，这主要是由于它具有工艺简单、廉价、热胀系数小等优点，这在有很高要求的应用尤其是空间系统中有重要的意义。实践证明，只要设计合适的匹配网络，键合金丝互连结构可以实现良好的匹配性能。

采取电磁场数值计算的方法可获取准确的键合参数模型，常用的有基于全波分析的时域有限差分法以及准静态分析法等。利用键合线形成五阶低通滤波器用于两玻璃芯片的连接，虽然可以实现很宽频带的匹配连接，但是其对芯片的要求较为苛刻。本文针对毫米波的宽带匹配互连，采取附加微带调谐分支的方法，分析设计了适用于V、E 波段的微带键合金丝宽带匹配互连，并对键合金丝粗细、数目、间距以及微带调谐分支线对毫米波反射与传输特性的影响进行了比较分析。

2 键合金丝互连模型及其等效电路

本文所研究的带有微带调配支节的键合金丝互连模型如图1所示。在厚度为0.127mm的Rogers 5880的介质基板上将固定宽度以及间隙的两条微带通过金丝相连，为了调配键合金丝的电抗效应，增加了微带分支调配结构。整个互连结构的等效电路如图2所示：

(a)单金丝

(b)双金丝

图1 带有微带调配支节的键合金丝互连模型

图2 键合金丝互连模型等效电路 键合金丝互连模型仿真及分析

3.1 金丝数目、粗细、间距及微带调配分支线对反射特性的影响

采取HFSS，计算了不同金丝粗细、数目、间距的反射特性曲线，结果如图3-图5所示。图3给出了单金丝结构中三种金丝直径的反射系数频响曲线，可见金丝越粗其反射系数越小，因此在可选范围内我们应选择较粗的金丝。图4给出了双金丝间距对反射系数的影响情况，可知其间距越大反射参数越小，这是因为双线间的水平距离接近于微带的线宽时，可以减小等效的串联电感。图5给出了S11随着键合金丝数目的变化情况，由图可知双金丝明显优于单金丝的传输特性，但也并不是金丝的数目越多越好，三金丝、四金丝、五金丝的传输特性随着金丝数目的增加反而越来越差。

我们引入微带调谐分支线来调谐金丝带来的电感特性，图6和图7所示为微带长度和宽度对反射特性的影响曲线，调节微带的长度和宽度可以在所需频段产生较好的反射特性。

图3 金丝直径对S11的影响(单金丝)

图4 金丝间距对S11的影响(双金丝)

图5 金丝数目对S11的影响

图6 调谐微带分支线长度对S11的影响

图7 调谐微带分支线宽度对S11的影响 3.2 优化结果及其主要结构参数

对于图2(b)所示双金丝结构，在考察了各主要参数对传输特性的影响后，经过优化我们得到了较好的输出S参数特性曲线如图8所示，可见，该微带键合金丝互连结构在50GHz-80GHz频率范围内的插入损耗仿真结果均小于0.65dB，此时各主要结构参数如表1所示：

表1 双金丝主要结构参数

图8 优化后的S参数特性曲线

4 结论

本文分析并设计了一种带有微带调配分支线的毫米波键合金丝互连结构，同时我们也考察了金丝的粗细、数目、间距以及调谐微带分支线对反射参数的影响。通过优化结构参数，该键合金丝互连结构在50GHz-80GHz频率范围内的插入损耗仿真结果均小于0.65dB，适用于V、E波段的宽带匹配互连。