IC封装中引线键合的电特性研究

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引线键合具有技术成熟、成本低、可靠性高的优势,是目前CPU、微处理器、DSP等芯片产品采用的最主要的封装方式,并且在相当长的一段时间内依然是封装内部最常见的连接方式,并将不断发展下去。随着CPU工作频率的提高、芯片引脚密度的增大及封装体积的缩小,键合丝不再等效为无电阻、无电感的无损导线。在高频时,基于电路理论分析和实验测试方法,如何对键合丝的寄生参数进行分析,建立准确的电磁模型、优化键合结构,并提供可行性的测试方案,已成为引线键合封装的研究重点。本论文包含以下内容:  1.从改善引线键合封装的传输性能方面入手,分析了键合丝几何尺寸、布线方式和封装结构三方面当前的研究方向和热点问题。总结和调研了CPU的封装形式和最新商用PC和手机的CPU的工作频段,明确了后续仿真和测试的频段范围。应用Cadence Allegro APD软件,建立了某204管脚芯片基于BGA的引线键合封装模型,并实现了204个管脚与196个焊球的电气互连,完成封装版图设计。生成键合丝互连的管脚、长度拐角等信息,为后续仿真提供模型参数。  2.根据GB/T8750-1997半导体器件键合金丝标准及EIA/JEDEC97标准,应用HFSS电磁场软件仿真软件对键合丝建立物理结构模型,分别讨论了S型引线的平台长度、直径、跨距、拱高参数及三种线弧对键合丝S参数的影响。  结果表明:  (1)直径大、跨距短、拱高低的键合丝信号传输性能好。  (2)平台长度只有在特定的取值时,信号传输性能好。  (3)S型线弧信号传输性能最好,Q型次之,M型最差。  3.基于射频电路原理,通过对键合丝二端口网络Z参数的理论分析,提出一种RLC参数的提取方法,可以将三维几何模型转化为等效电路模型中的电阻、电感和电容值,并与Ansoft Q3D Extractor软件提取的RLC参数进行对比,验证了该提取方法的正确性。进而将提取得到的RLC参数代入到SPICE等效电路模型中,对比HFSS电磁场求解的S2P结果文件与ADS频域仿真求解器得到的Z参数曲线、S参数曲线。结果表明:两种方法得到的曲线基本拟合,验证了SPICE等效电路模型的正确性。对键合丝信号完整性的研究可以通过对SPICE电路模型仿真而得到。  4.基于不同跨距的键合丝结构,进行RLC参数提取,得到SPICE等效电路模型。添加阶跃激励和数字方波信号,观察稳定时间和噪声振幅,并进行眼图分析。最终应用HyperLnyx软件导入IBIS模型进行源端终端反射仿真,利用Cadence Sigrity对封装模型进行关键信号的链路仿真。从多角度证明:在满足封装设计要求的条件下,较短跨距键合丝的电气特性更好。  5.最后设计了键合打线和测量实验,将原始测量数据与仿真结果对比,分析误差。进而基于端口去嵌理论,对五个频点的数据进行处理,以减小夹具误差的影响,并与原始测量数据、电磁场模型和电路模型仿真数据进行对比分析,印证了仿真分析结果和设计规律的正确性。
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