一种三维封装电路中金丝键合的电容补偿及其设计方法

摘要

本发明公开了一种三维封装电路中金丝键合的电容补偿，包括微波多层电路介质基板，所述微波多层电路介质基板表面第一层传输线上设有电容补偿结构，所述微波多层电路介质基板垂直方向上中间层传输线上设有电容补偿结构，传输线之间通过金丝键合线连接。本发明有效解决了三维封装电路中金丝键合的阻抗匹配问题，充分利用了多层电路的空间，对金丝键合的寄生电感效应进行电容补偿结构设计，尤其是在垂直方向上添加电容补偿结构；与传统方法相比，可以减小仅在表层传输线上进行电容补偿所需的面积。基于本发明的金丝键合电容补偿结构，可以改善多芯片电路中传输线与芯片、传输线和传输线之间的微波传输特性。

说明书

技术领域

本发明涉及微波与毫米波封装电路技术领域，尤其涉及一种三维封装电路中金丝键合的电容补偿及其设计方法。

背景技术

在雷达、电子对抗和通信等领域中，电子系统逐步朝着高密度、高速率、高可靠性、高性能和低成本等方向发展。多芯片电路作为混合电路集成技术的代表，可以在三维、多层介质基板中，采用微组装互连工艺将裸芯片及各种元器件设计成满足需求的微波集成电路。

在微波多芯片电路技术中，常采用金丝键合技术来实现微带传输线、单片微波集成电路和集总式元器件之间的互连。与数字电路中互连线不同的是，键合金丝的参数特性如数量、长度、拱高、跨距、焊点位置等都会微波传输特性产生严重的影响。尤其是在毫米波等高频段，键合金丝的寄生电感效应尤为明显。金丝键合互连的电磁性能将会变差，微波电路的传输特性也会随之恶化。因此，分析金丝键合的电磁特性、并有效地设计金丝互连电路，对实现和提高多芯片电路的性能具有十分重要的意义。

目前有多种方法可用来分析和改善多芯片电路中键合金丝的电磁特性。1995年，Lee采用矩量法计算键合线的阻抗损耗和辐射损耗，用来分析任意形状互连线的宽带电磁特性]。同年，F.Alimenti等人提出采用准静态法对键合金丝的传输特性进行分析。由于键合金丝的介质边界是开放式且结构呈弯曲状，随着工作频率的升高和金丝互连参数的变化，采用上述方法的精度也会受到影响。随后，在2001年，F.Alimenti等人又提出采用时域有限差分法对金丝键合的电磁特性进行分析。为补偿键合金丝的寄生电感效应，人们提出了多种方法，R.Sorrentino等人在IEEE Microwave Symposium会议上发表文章《Modelingand characterization of the bonding wire interconnection》，提出可通过增加焊盘尺寸、增加微带调节分支线等方法来金丝键合进行电容补偿。T.P.Budka在IEEETrans.Microw.Theory Tech.期刊上发表的《Wide-bandwidth millimeter-wave bond-wire interconnects》上提出采用高、低阻抗传输线来对金丝键合进行阻抗匹配设计。然而这些金丝键合的电容补偿方法都普遍存在一个问题，即仅在表层传输线上来设计电容补偿结构，从而极大地占用了设计空间。而在小型化、多通道封装电路中，显然没有这么多的面积来对金丝键合进行阻抗匹配设计。此外，这些仅通过增加焊盘尺寸进行电容补偿设计的方法对微波传输性能的改善较为有限。基于此，现研究一种三维封装电路中金丝键合的电容补偿及其设计方法，很好的解决了这个问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种三维封装电路中金丝键合的电容补偿及其设计方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种三维封装电路中金丝键合的电容补偿，包括微波多层电路介质基板，所述微波多层电路介质基板表面第一层传输线上设有电容补偿结构，所述微波多层电路介质基板垂直方向上中间层传输线上设有电容补偿结构，传输线之间通过金丝键合线F301连接，所述的金丝键合电容补偿设计方法充分利用了多层电路的空间，对金丝键合进行阻抗匹配设计，与传统方法相比，不仅可以有效减小在第一层传输线上进行电容补偿结构所需的面积，而且改善了多芯片电路中传输线与芯片之间、传输线和传输线之间的微波传输特性，特别适合于小型化、多通道、结构紧凑的三维封装电路设计。

作为本发明的优选方式之一，所述电容补偿结构对金丝键合线产生寄生电感效应，设计了电容补偿结构来减小由金丝键合线所产生的额外插入损耗，改善传输线与芯片、传输线与传输线之间通过键合金丝互连的微波传输特性，所述的微波多层电路介质基板是由2层微波介质基板Rogers 5880层压而成，包含有3层金属，基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，所述每层微波介质基板Rogers 5880的基板厚度是0.254mm，常适用于数字、模拟混合电路系统的设计，用于小型化、多功能、多通道、多芯片电路的三维封装。

作为本发明的优选方式之一，所述传输线为两根50欧姆的第一传输线与第二传输线且之间有缝隙，所述金丝键合线连接第一传输线与第二传输线。

作为本发明的优选方式之一，所述的金丝键合线数目为2根，一般随着金丝键合数目的增加，互连的电磁特性会得到明显改善，但2根金丝线以上的传输特性区别较小。

作为本发明的优选方式之一，所述的50欧姆的第一传输线与第二传输线都采用50欧姆微带线形式，并与SMA同轴接头匹配。

作为本发明的优选方式之一，所述微波多层电路介质基板表面第一层传输线上的电容补偿结构为第一金属焊盘、第二金属焊盘、第三金属焊盘与第四金属焊盘，所述第一金属焊盘与第二金属焊盘位于在第一传输线上通过金丝键合线互连的一侧两端，所述第三金属焊盘与第四金属焊盘位于在第二传输线上通过金丝键合线互连的一侧两端。

作为本发明的优选方式之一，所述微波多层电路介质基板垂直方向上中间层传输线上的电容补偿结构为对应相同宽度和长度的第三传输线与相同宽度和长度的第四传输线。

作为本发明的优选方式之一，所述第三传输线位于在第一传输线上通过金丝键合线互连的一侧，在第一金属焊盘、第二金属焊盘和第一传输线的下方；所述第四传输线位于在第二传输线上通过金丝键合线互连的一侧，在第三金属焊盘、第四金属焊盘和第二传输线的下方。

本发明还公开了一种三维封装电路中金丝键合的电容补偿的设计方法，包括如下步骤：

步骤A：在表面第一层传输线上设计电容补偿结构；

步骤B：在垂直方向上中间层传输线上，设计电容补偿结构。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤A包括如下步骤：

(1)在第一传输线上通过金丝键合线互连的一侧，设计第一金属焊盘和第二金属焊盘；

(2)在第二传输线上通过金丝键合线互连的一侧，设计第三金属焊盘和第四金属焊盘；

所述步骤B包括如下步骤：

(1)在第一传输线上通过金丝键合线互连的一侧，在第一金属焊盘、第二金属焊盘和第一传输线的下方设计相同宽度和长度的第三传输线；

(2)在第二传输线上通过金丝键合线互连的一侧，在第三金属焊盘、第四金属焊盘和第二传输线的下方设计相同宽度和长度的第四传输线。

本发明相比现有技术的优点在于：本发明有效解决了三维封装电路中金丝键合的阻抗匹配问题，充分利用了多层电路的空间，对金丝键合的寄生电感效应进行电容补偿结构设计，尤其是在垂直方向上添加电容补偿结构；与传统方法相比，可以减小仅在表层传输线上进行电容补偿所需的面积。基于本发明的金丝键合电容补偿结构，可以改善多芯片电路中传输线与芯片、传输线和传输线之间的微波传输特性，本发明在Ka频段(在20-30GHz的频率范围内)，回波损耗增加了约23dB，插入损耗减小了0.1dB-0.2dB，可广泛适用于小型化、多通道、结构紧凑的三维封装电路的设计。

附图说明

图1为根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法的三维图；

图2为根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法中第一层电路的俯视图；

图3为根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法中第二层电路的俯视图；

图4为根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法的侧视图；

图5为根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法中金丝键合数目变化的回波损耗结果对比图；

图6为根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法与未进行电容补偿设计的回波损耗结果对比图；

图7为根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法与未进行电容补偿设计的插入损耗结果对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为根据本发明的多层电路金丝键合电容补偿设计方法的三维图，金丝键合线(F301)连接在2条50欧姆第一传输线(F101)和第二传输线(F102)之间。其中，所述50欧姆第一传输线(F101)可以为输入端口或者输出端口，相应地，所述50欧姆第二传输线(F102)为输出端口或者输入端口，所述的2条50欧姆第一传输线(F101)和第二传输线(F102)都采用50欧姆微带线形式，并与SMA同轴接头匹配。

在微波多层电路中，为了对金丝键合进行阻抗匹配，分别在表层传输线和中间层设计电容补偿结构。在本实施例的一个优选例中，所述的微波多层电路介质基板是由2层微波介质基板Rogers 5880层压而成，共含有3层金属，基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，基板厚度是0.254mm。

如图2所示，显示了根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法中第一层电路的俯视图，由图可知，金丝键合线(F301)用来互连2条50欧姆第一传输线(F101)和第二传输线(F102)，2条传输线之间缝隙为0.1mm。为了对金丝键合进行阻抗匹配设计，在表面第一层传输线上设计电容补偿结构，包括如下步骤：

在第一传输线(F101)上通过金丝键合线(F301)互连的一侧，设计第一金属焊盘(F201)和第二金属焊盘(F202)；

在第二传输线(F102)上通过金丝键合线(F301)互连的一侧，设计第三金属焊盘(F203)和第四金属焊盘(F204)。

如图3所示，显示了根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法中第二层电路的俯视图，为了对金丝键合进行阻抗匹配设计，垂直方向的中间层传输线上，设计电容补偿结构。包括如下步骤：

在第一传输线(F101)上通过金丝键合线(F301)互连的一侧，在第一金属焊盘(F201)、第二金属焊盘(F202)和第一传输线(F101)的下方设计相同宽度和长度的第三传输线(S101)；

在第二传输线(F102)上通过金丝键合线(F301)互连的一侧，在第三金属焊盘(F203)、第四金属焊盘(F204)和第二传输线(F102)的下方设计相同宽度和长度的第四传输线(S102)。

如图4所示，显示了根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法的侧视图。微波多层电路介质基板是由2层微波介质基板Rogers 5880层压而成，共含有3层金属，基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，基板厚度是0.254mm。微波多层电路介质基板是由多个微波介质基板层压而成，常适用于数字、模拟混合电路系统的设计，用于小型化、多功能、多通道、多芯片电路的三维封装。

如图5所示，显示了根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法中金丝键合数目变化的回波损耗结果对比图，由对比图可知，随着键合金丝数目的增加，互连电磁特性会得到明显改善，但2根金丝线以上的传输特性区别较小。

如图6所示，显示了根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法与未进行电容补偿设计的回波损耗结果对比图，由对比图可知，采用所设计的电容补偿结构，回波损耗在20-30GHz的频率范围内增加了约23dB，在更高频段内也增大了5-10dB。

如图7所示，显示了根据本发明提供的多层电路金丝键合电容补偿设计方法与未进行电容补偿设计的插入损耗结果对比图，由对比图可知，采用所设计的电容补偿结构，插入损耗大约减小了0.1dB-0.2dB。

综上，根据本发明提供的三维封装电路中金丝键合的电容补偿，来改善金丝键合线的寄生电感效应，与未进行电容补偿的金丝互连线相比，所设计的金丝键合电容补偿结构可以明显改善互连线传输特性。在Ka频段，插入损耗减小了0.1dB-0.2dB；回波损耗(在20-30GHz的频率范围内)增加了约23dB。所提出的金丝键合电容补偿设计方法充分利用了多层电路的空间，对金丝键合进行阻抗匹配设计，与传统方法相比，不仅可以有效减小在第一层传输线上进行电容补偿结构所需的面积，而且改善了多芯片电路中传输线与芯片之间、传输线和传输线之间的微波传输特性，特别适合于小型化、多通道、结构紧凑的三维封装电路设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。