0 引言

　　封裝具有支撐、保護(hù)、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(gòu)成完整的電路。隨著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，工藝尺寸越來(lái)越小，工作頻率越來(lái)越高，封裝中的鍵合線(xiàn)不能再簡(jiǎn)單地視為無(wú)電阻、無(wú)電感、無(wú)電容的傳輸線(xiàn)。因此在頻率較高的情況下，鍵合線(xiàn)會(huì)對(duì)封裝中信號(hào)的完整性產(chǎn)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(pán)上。而PCB傳輸線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生材料的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗，因此，PCB板也有可能對(duì)封裝中信號(hào)的傳輸特性產(chǎn)生影響。本文主要通過(guò)仿真分析鍵合線(xiàn)和PCB對(duì)TO-252表面貼裝式封裝技術(shù)中信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

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(jù)TO-252封裝的尺寸圖，利用HFSS 進(jìn)行建模仿真，通過(guò)查看S參數(shù)來(lái)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?shù)侥康亩?，這個(gè)值越大越好，理想值是1，即0 dB，S21越大傳輸?shù)男试礁撸话憬ㄗhS21>－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(guò)鍵合線(xiàn)和微帶線(xiàn)連接在一起。TO-252封裝尺寸圖這里就不做過(guò)多的研究，本文主要從PCB板材、厚度和鍵合線(xiàn)的根數(shù)、長(zhǎng)度、拱高，鍵合線(xiàn)間的距離等方面來(lái)研究對(duì)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(shù)，需要添加波或集總端口激勵(lì)，而波或集總端口激勵(lì)需要通過(guò)傳輸線(xiàn)傳輸，鑒于TO-252封裝引腳本身只有金屬，不能夠成微帶線(xiàn)，如果只是單獨(dú)仿真TO-252信號(hào)無(wú)法進(jìn)行傳輸，因此，需要采用PCB和TO-252封裝一起仿真。這樣就會(huì)使PCB的板材和厚度對(duì)TO-252封裝的信號(hào)傳輸特性產(chǎn)生影響。

　　2.1 PCB板材影響

　　利用HFSS建好模型，設(shè)置PCB板的厚度為1 mm，選取不同的PCB板材，介電常數(shù)分別為3.66、4.4、6.15、10.2，仿真分析不同板材對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，圖3是給出不同板材下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

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

　　2.2 PCB厚度仿真

　　利用HFSS建好模型，設(shè)定PCB的板材為FR_4，將PCB板的厚度設(shè)置為0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm，仿真分析不同厚度的PCB對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，圖4是給出不同厚度下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

　　從圖4可以看出：(1)在2 GHz以下時(shí)，隨著板材厚度增加，信號(hào)的傳輸特性越好。而到2 GHz以上時(shí)，隨著板材厚度增大，信號(hào)的傳輸衰減的較快。(2)隨著板材厚度的增大，信號(hào)傳輸?shù)挠行捲絹?lái)越窄。

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

3 鍵合線(xiàn)

　　鍵合線(xiàn)互連是晶體管中管芯和外部環(huán)境進(jìn)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(hào)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(dāng)工作頻率高于1 GHz時(shí)，鍵合線(xiàn)的射頻等效串聯(lián)電感、并聯(lián)電容等計(jì)生參數(shù)將對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生很大的影響[4]。因此，關(guān)于鍵合線(xiàn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化也十分重要，關(guān)于鍵合線(xiàn)的研究主要有不同材料鍵合線(xiàn)的分析[5，6]、引線(xiàn)鍵合工藝[7]、鍵合線(xiàn)幾何模型參數(shù)研究[8]、電氣特性[9]等。

　　本文采用鍵合線(xiàn)互聯(lián)的機(jī)構(gòu)，將芯片的輸入輸出和封裝的引腳連接起來(lái)。借助HFSS仿真軟件，對(duì)TO-252封裝中鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度、拱高、鍵合線(xiàn)間的距離、根數(shù)進(jìn)行仿真，分析改變以上幾種參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸特性的影響。

　　3.1 鍵合線(xiàn)長(zhǎng)度的影響

　　設(shè)定鍵合線(xiàn)間距離為0.5 mm，仿真分析改變鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。改變長(zhǎng)度為2.91 mm、3.83 mm、4.78 mm。圖5是給出不同長(zhǎng)度下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

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

　　3.2 鍵合線(xiàn)拱高的影響

　　設(shè)定鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度為3.71 mm，根數(shù)為2根（連接輸入輸出引腳各一根），鍵合線(xiàn)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(xiàn)的拱高對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽D6是給出不同拱高下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

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

　　3.3 鍵合線(xiàn)間距的影響

　　設(shè)定鍵合線(xiàn)的拱高為0.2 mm，根數(shù)為2根（連接輸入輸出的各一根），鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度為3.71 mm。改變鍵合線(xiàn)間的距離為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm。仿真分析改變鍵合線(xiàn)間的距離對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。圖7是給出不同鍵合線(xiàn)間距下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

　　從圖7可以看出，隨著鍵合線(xiàn)間距的增大，插入損耗越來(lái)越小，信號(hào)的傳輸特性越來(lái)越好。傳輸?shù)挠行捯苍絹?lái)越寬。因此，為了信號(hào)更好的傳輸，要盡可能增加鍵合線(xiàn)間的距離。

　　3.4 鍵合線(xiàn)根數(shù)的影響

　　設(shè)定鍵合線(xiàn)的拱高為0.2 mm，鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度為3.71 mm。鍵合線(xiàn)間的距離為0.1 mm。仿改變鍵合線(xiàn)的根數(shù)為2、6、10（連接輸入，輸出的各占總數(shù)的一半），仿真分析改變鍵合線(xiàn)的根數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。圖8是給出不同根數(shù)鍵合線(xiàn)下插入損耗（S21）的仿真結(jié)果。

　　從圖8可以看出：(1)隨著鍵合線(xiàn)根數(shù)的增加，插入損耗越來(lái)越好，信號(hào)的傳輸特性也越來(lái)越好。(2)隨著鍵合線(xiàn)根數(shù)的增加，信號(hào)傳輸?shù)挠行捲鰧挕Ｒ话闱闆r下，增加鍵合線(xiàn)的根數(shù)，可能會(huì)減小鍵合線(xiàn)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(xiàn)的根數(shù)和鍵合線(xiàn)間的距離，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)更好的傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　綜合上述研究發(fā)現(xiàn)：(1)PCB板材介電常數(shù)越大、厚度越高，插損越小，信號(hào)傳輸特性越好。但其有效工作帶寬隨著介電常數(shù)的增大而變小。因此，在工程中，需要根據(jù)自己的需求，選擇合適的PCB板材和厚度。(2)鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度越短、拱高越小、根數(shù)越多、鍵合線(xiàn)間的距離越大，此時(shí)插入損耗最小，信號(hào)的傳輸特性最好。通過(guò)借助HFSS仿真軟件，模擬分析PCB和鍵合線(xiàn)對(duì)封裝系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)牡挠绊?，為?shí)際封裝提供了可靠的依據(jù)。

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