0 引言

　　封裝具有支撐、保護、冷卻的作用，并為芯片提供電氣連接和隔離，以便器件與其他元件構成完整的電路。隨著封裝技術的不斷發展，工藝尺寸越來越小，工作頻率越來越高，封裝中的鍵合線不能再簡單地視為無電阻、無電感、無電容的傳輸線。因此在頻率較高的情況下，鍵合線會對封裝中信號的完整性產生影響。表面貼裝式是封裝的管腳及散熱法蘭焊接在PCB表面的焊盤上。而PCB傳輸線會產生材料的導體損耗和介質損耗，因此，PCB板也有可能對封裝中信號的傳輸特性產生影響。本文主要通過仿真分析鍵合線和PCB對TO-252表面貼裝式封裝技術中信號傳輸的影響。

1 TO-252管殼建模

　　MOSFET芯片都有一定的工作頻率范圍，為了使芯片能正常工作，需要為芯片選取適合的封裝，也就是要求封裝的工作頻率范圍能夠覆蓋芯片的工作頻率范圍。那我們就有必要了解每種封裝的工作頻率范圍。本文是根據TO-252封裝的尺寸圖，利用HFSS 進行建模仿真，通過查看S參數來判斷TO-252適用的工作頻率范圍。這里主要查看S21，即插入損耗，也就是有多少能量被傳輸到目的端，這個值越大越好，理想值是1，即0 dB，S21越大傳輸的效率越高，一般建議S21>－3 dB。

　　利用HFSS建立TO-252封裝模型如圖1和圖2，底層為PCB板，管殼采用的是塑料封裝。輸入輸出（I/O)引腳是通過鍵合線和微帶線連接在一起。TO-252封裝尺寸圖這里就不做過多的研究，本文主要從PCB板材、厚度和鍵合線的根數、長度、拱高，鍵合線間的距離等方面來研究對TO-252封裝的影響。

2 PCB板

　　PCB是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。利用HFSS仿真S參數，需要添加波或集總端口激勵，而波或集總端口激勵需要通過傳輸線傳輸，鑒于TO-252封裝引腳本身只有金屬，不能夠成微帶線，如果只是單獨仿真TO-252信號無法進行傳輸，因此，需要采用PCB和TO-252封裝一起仿真。這樣就會使PCB的板材和厚度對TO-252封裝的信號傳輸特性產生影響。

　　2.1 PCB板材影響

　　利用HFSS建好模型，設置PCB板的厚度為1 mm，選取不同的PCB板材，介電常數分別為3.66、4.4、6.15、10.2，仿真分析不同板材對信號傳輸的影響，圖3是給出不同板材下插入損耗（S21）的仿真結果。

　　從圖3可以看出：(1)在頻率較低時，隨著板材介電常數的增大，信號的傳輸特性越好。而高頻時，隨著板材介電常數的增大，信號的傳輸越來越差。(2)隨著板材介電常數的增大，信號傳輸較好的帶寬越來越窄。

　　2.2 PCB厚度仿真

　　利用HFSS建好模型，設定PCB的板材為FR_4，將PCB板的厚度設置為0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm，仿真分析不同厚度的PCB對信號傳輸的影響，圖4是給出不同厚度下插入損耗（S21）的仿真結果。

　　從圖4可以看出：(1)在2 GHz以下時，隨著板材厚度增加，信號的傳輸特性越好。而到2 GHz以上時，隨著板材厚度增大，信號的傳輸衰減的較快。(2)隨著板材厚度的增大，信號傳輸的有效帶寬越來越窄。

　　綜合圖3和圖4，為了兼顧信號的傳輸和帶寬，需要根據需求，選取適合的PCB板材和厚度。

3 鍵合線

　　鍵合線互連是晶體管中管芯和外部環境進行電氣連接的主要手段，具有分配直流偏置電流，為射頻信號提供傳輸途徑的作用[2，3]。隨著器件尺寸的縮小和工作頻率的提高，當工作頻率高于1 GHz時，鍵合線的射頻等效串聯電感、并聯電容等計生參數將對信號的傳輸產生很大的影響[4]。因此，關于鍵合線的設計和優化也十分重要，關于鍵合線的研究主要有不同材料鍵合線的分析[5，6]、引線鍵合工藝[7]、鍵合線幾何模型參數研究[8]、電氣特性[9]等。

　　本文采用鍵合線互聯的機構，將芯片的輸入輸出和封裝的引腳連接起來。借助HFSS仿真軟件，對TO-252封裝中鍵合線的長度、拱高、鍵合線間的距離、根數進行仿真，分析改變以上幾種參數對信號傳輸特性的影響。

　　3.1 鍵合線長度的影響

　　設定鍵合線間距離為0.5 mm，仿真分析改變鍵合線的長度對信號傳輸的影響。改變長度為2.91 mm、3.83 mm、4.78 mm。圖5是給出不同長度下插入損耗（S21）的仿真結果。

　　從圖5可以看出：(1)隨著鍵合線長度的增加，插入損耗越來越大，信號的傳輸特性也越來越差。(2)隨著鍵合線長度的增加，傳輸信號的有效帶寬也越來越窄。因此，為了信號更好的傳輸，要盡可能地縮短鍵合線的長度。

　　3.2 鍵合線拱高的影響

　　設定鍵合線的長度為3.71 mm，根數為2根（連接輸入輸出引腳各一根），鍵合線間的距離為0.5 mm，改變拱高為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm。仿真分析改變鍵合線的拱高對信號傳輸的影響。圖6是給出不同拱高下插入損耗（S21）的仿真結果。

　　從圖6可以看出：(1)隨著鍵合線拱高的增大，插入損耗越來越大，信號的傳輸特性也越來越差。(2)隨著鍵合線拱高的增大，傳輸信號的有效帶寬也越來越窄。由此平直的的鍵合線是最好的，但平直鍵合線受力集中，易斷裂。因此，考慮到信號的傳輸和鍵合線的受力問題，要選取合適鍵合線的拱高。

　　3.3 鍵合線間距的影響

　　設定鍵合線的拱高為0.2 mm，根數為2根（連接輸入輸出的各一根），鍵合線的長度為3.71 mm。改變鍵合線間的距離為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm。仿真分析改變鍵合線間的距離對信號傳輸的影響。圖7是給出不同鍵合線間距下插入損耗（S21）的仿真結果。

　　從圖7可以看出，隨著鍵合線間距的增大，插入損耗越來越小，信號的傳輸特性越來越好。傳輸的有效帶寬也越來越寬。因此，為了信號更好的傳輸，要盡可能增加鍵合線間的距離。

　　3.4 鍵合線根數的影響

　　設定鍵合線的拱高為0.2 mm，鍵合線的長度為3.71 mm。鍵合線間的距離為0.1 mm。仿改變鍵合線的根數為2、6、10（連接輸入，輸出的各占總數的一半），仿真分析改變鍵合線的根數對信號傳輸的影響。圖8是給出不同根數鍵合線下插入損耗（S21）的仿真結果。

　　從圖8可以看出：(1)隨著鍵合線根數的增加，插入損耗越來越好，信號的傳輸特性也越來越好。(2)隨著鍵合線根數的增加，信號傳輸的有效帶寬增寬。一般情況下，增加鍵合線的根數，可能會減小鍵合線間的距離，這樣也有可能使插損變大，因此，要選取適合鍵合線的根數和鍵合線間的距離，才能實現信號更好的傳輸。

4 結束語

　　綜合上述研究發現：(1)PCB板材介電常數越大、厚度越高，插損越小，信號傳輸特性越好。但其有效工作帶寬隨著介電常數的增大而變小。因此，在工程中，需要根據自己的需求，選擇合適的PCB板材和厚度。(2)鍵合線的長度越短、拱高越小、根數越多、鍵合線間的距離越大，此時插入損耗最小，信號的傳輸特性最好。通過借助HFSS仿真軟件，模擬分析PCB和鍵合線對封裝系統中信號傳輸的的影響，為實際封裝提供了可靠的依據。

參考文獻

　　[1] 劉俊永，孫文超，崔嵩，等.AlN多層共燒陶瓷微波外殼的設計與制作[J].電子元件與材料，2012，31(7)：1-4.

　　[2] PETER H A，JAIME A P，JOHN W.Modeling and charac-terization of RF and microwave power FETS[M].New York：Cambridge University Press，2007：126-127.

　　[3] LIM J H，KWON D H，RIEH J S，et al.RF characterizationand modeling of various wire bond transitions[J].IEEE Transactions on Advanced Package，2005，28(4)：772-778.

　　[4] 周永強，王立新，張萬榮，等.射頻功率晶體管內匹配技術中鍵合線的建模仿真與參數提取[J].電子器件，2011，34（4）：363-366.

　　[5] KUMAR B S，ALBERT A，LIM L H G.Effect of die attachmaterial on heavy Cu wire bonding with Au coated Pd bond pad in automotive application[C].IEEE Electronics Packaging Technology Conference，2013：618-624.

　　[6] LIAO J K，LIANG Y H，LI W W，et al.Silver alloy wire bonding[C].2012ECTC：1163-1168.

　　[7] 宗飛，王志杰，徐艷博，等.電子制造中的引線鍵合[J].電子與封裝，2013，13（1）：1-8.

　　[8] SUTONO A，CAFARO G，LASKAR J，et al.Experimental modeling repeatability investigation and optimization of microwave bond wire interconnects[J].IEEE Trans Adv.2001，24(4)：595-603.

　　[9] 周燕，孫玲，景衛平.IC封裝中引線鍵合互聯特性分析[J].中國集成電路，2006（11）：55-57.

　　[10] 楊玲玲，孫玲，孫海燕.IC封裝中鍵合線傳輸結構的仿真分析[J].電子與封裝，2014(9)：1-4.