基于E波段键合线与射频补偿电路分析的研究报告

一、研究概述

本文是对一篇发表于期刊《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》的原创研究论文的报告。该研究由英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）电子与电气工程学院的Sumin David Joseph（IEEE会员）和Edward A. Ball（IEEE高级会员）完成，于2025年发表在第15卷第9期，页码为1986至1995。该研究受英国研究与创新署（UKRI）基金资助，并依托英国国家毫米波测量实验室完成测试。

二、研究背景与目的

在现代毫米波通信系统中，随着5G、6G网络、汽车雷达和卫星通信等应用不断向E波段（60-90 GHz）等更高频段推进，确保单片微波集成电路（MMIC）与印刷电路板（PCB）等片外器件之间的高性能互连变得至关重要。键合线（bond wire）因其成本低、工艺简单而被广泛用于实现芯片到电路板的连接。然而，在毫米波频段，键合线自身引入的串联电感和键合焊盘带来的寄生电容，会引发严重的阻抗失配和传输损耗，导致信号完整性（signal integrity）显著恶化。

现有文献中，针对键合线的精确模型有限，且已有的补偿方案，如五阶低通滤波器、多信号线结构、接地-信号-接地（GSG）结构、电感-电容-电感（LCL）结构等，往往存在设计复杂、占用面积大、难以实现非对称匹配、不适用于芯片到PCB互连等不足。因此，本研究旨在解决毫米波应用中键合线导致的性能退化问题，主要目标包括：对单根和多根键合线在毫米波频段进行详细测量与分析；基于实测数据开发包含分布式电感、电容、电阻（L/C/R）和传输线特性的新型电气模型；设计并分析紧凑的传输线LC和扇形短截线（radial stub）补偿电路以缓解传输损耗和阻抗失配；并提出一种将多根并联键合线与紧凑型LC结构相结合的新型低复杂度补偿方案。

三、研究工作流程

本研究的工作流程可划分为键合线建模与分析、等效电路提取、补偿电路设计、以及实验验证四个主要阶段。

第一阶段：键合线建模与分析。 研究首先定义了键合线的几何参数，如线径（d）、线长（Lw）、拱高（h）和基板厚度（hp），并给出了其等效电路模型，可表示为由串联电感（Ls）、串联电阻（Rs）和并联电容（Cp）组成的低通滤波网络。研究选用直径为25微米的金键合线，焊盘尺寸为100微米长、450微米宽，设计特征阻抗为50欧姆（Ω），总键合线长设计为480微米。仿真在罗杰斯（Rogers）RO4003C低损耗基板（厚度200微米，介电常数3.55）上进行。通过CST微波工作室的仿真发现，在20至80 GHz频段内，插入损耗（insertion loss）从低于1分贝（dB）恶化至5 dB，回波损耗（return loss）在E波段升至-2 dB，证实了寄生效应在高频的严重影响。为进行实验验证，研究者利用半自动楔焊机（iBond5000）在专门设计的PCB上制作了单根和最多三根的并联键合线，并集成了直通-反射-传输线（TRL）校准标准以消除测试探针影响。测量分别在24-30 GHz和68-76 GHz两个频段进行，使用了Keysight PNA-X网络分析仪和MPI Titan射频探针，高频段则结合了VDI频率扩展器。实测结果与仿真趋势一致，例如单根480微米键合线在73 GHz附近插入损耗为4至6 dB，回波损耗恶化至约2 dB，而880微米长的键合线损耗更是高达约9 dB。相比之下，三根并联键合线的性能显著提升，在低频段插入损耗降至0.1至0.6 dB，回波损耗改善至-15至-13 dB；在高频段，插入损耗也降低至3 dB，回波损耗约7 dB。这清晰表明缩短线长和使用多线并联能有效减轻性能退化。

第二阶段：等效电路提取。 为补偿网络的设计，必须建立键合线的准确电学模型。本研究并未采用简单的集总元件模型，而是基于480微米键合线在73 GHz处的测量结果，提出了一种分布式L/C/R加理想传输线的混合拟合模型。该模型能够计入键合线长度与波长可比拟时带来的延迟和相位效应。通过拟合，模型提取出每段电感为115皮亨（pH），总电感为345 pH，与仿真值和理论预期高度一致。并联电容值较小，因为焊盘电容已在仿真中被单独考虑。该模型在有限带宽内精确捕获了电感和局部传输行为，为后续匹配网络设计提供了快速、有效的电路级依据，尽管其精度会随着带宽增加和频率升高而下降，但对于本研究的窄带分析而言，是极具实用价值的解决方案。

第三阶段：补偿电路设计。 研究者设计了两类非对称补偿网络以适用于芯片到电路板过渡的实际情况。首先是扇形短截线补偿，通过集成容性扇形短截线和作为阻抗变换器的窄微带线来抵消键合线的串联电感。其初始参数由Keysight ADS推导，并在CST中进行全波电磁精细调谐。仿真结果显示，该方案仅能在有限频段实现阻抗匹配，性能提升有限。第二种是传输线LC补偿，这是一种T型匹配网络。其原理是利用微带线的分布式特性：宽的金属线对地形成电容，窄的金属线形成电感。在低频段（22-32 GHz），一个T型网络被设计并优化，仿真显示实现了宽带阻抗匹配，插入损耗低于1 dB。在高频段（中心频率73 GHz），同样采用T型网络，电感由宽度为0.12毫米的细线实现，并联电容由宽度为0.7毫米的粗线实现。仿真中，该网络在70至74 GHz实现了回波损耗优于-10 dB、插入损耗低于1.5 dB的性能，优于扇形短截线方案。最后，研究提出了关键的创新方案——双键合线LC补偿。鉴于多线并联能有效降低总体电感，研究者将两根键合线并联，并使用一个更为简化的LC补偿网络（仅一个容性线和一个感性线）。仿真结果表明，该方案实现了覆盖66-76 GHz的宽带性能，插入损耗在整个频带内低于1 dB。

第四阶段：实验验证。 所有补偿电路均在罗杰斯4003C基板上加工制造，并使用键合机制作了480微米长的25微米金键合线进行验证。对于扇形短截线补偿，实测回波损耗在71.5至74 GHz间优于10 dB，但插入损耗仅在72.5至74 GHz间低于3.5 dB，带宽较窄，改善不明显。低频LC补偿的实测结果与仿真吻合良好，在22至32 GHz整个频段内，插入损耗改善至0.1至1 dB，回波损耗优于10 dB。高频单线LC补偿在70.5至73.5 GHz频段实现了显著性能提升，插入损耗介于1.6至3.2 dB，最小值为2.2 dB。最终，双键合线LC补偿展现了最优性能：在70至75 GHz的5 GHz带宽内，插入损耗低至1.5 dB以下，最低可达1.2 dB（@72 GHz），且回波损耗始终优于-10 dB。这一结果验证了通过并联多根键合线降低电感，再利用简单LC网络即可极大提升互连性能的有效性。实测带宽与仿真的细微差异主要源于制造公差、键合线几何形状的不一致性以及探针接触等人为因素，尤其在实现两根完全平行的键合线时存在工艺挑战。

四、结论与价值

本研究通过系统的测量与分析，证实了在毫米波频段，通过最小化键合线长度和采用多线并联，可以有效缓解传输损耗和阻抗失配问题。论文的核心贡献在于提出了一种新颖的、低复杂度的非对称补偿方案，该方案将多根并联键合线与紧凑的传输线LC结构相结合。实验验证，该双键合线LC补偿互连结构将插入损耗从5 dB显著降低至1.5 dB，并在70至75 GHz范围内实现了超过10 dB的回波损耗带宽。这项工作为毫米波系统中的芯片到电路板及电路板到电路板互连，提供了目前最为紧凑、高效且可扩展的实用解决方案之一。其学术价值在于建立了更精确的键合线分布式模型，并系统性地探索了多线集成与简单补偿网络结合的可能性；其应用价值在于，与需要复杂GSG结构或大面积匹配网络的技术相比，该方法兼容所有商用键合系统，实现难度和成本更低，因而更具普适性和工业推广前景。

五、研究亮点

本研究的亮点主要体现在以下几个方面。首先，研究对象的全面性与系统性：研究覆盖了22-32 GHz和68-76 GHz两个关键毫米波频段，并对单线、双线、三线等多种配置进行了细致的对比分析。其次，建模方法的创新性：开发了基于实测数据的分布式L/C/R与传输线相结合的混合电气模型，这比传统的纯集总元件模型更精确地反映了高频下的传输行为。再次，解决方案的简单与高效性：首次提出将多根并联键合线与紧凑的非对称LC补偿结构相结合的方案，在取得优异性能（插入损耗1.5 dB，带宽5 GHz）的同时，保持了极低的设计复杂度和紧凑的尺寸，解决了现有方案要么复杂、要么不兼容芯片互连的痛点。最后，研究的普适性价值：论文通过对比表格明确指出，该方案相比使用GSG键合线或复杂枝节匹配等方案，对PCB厚度不敏感，且完全基于所有商用键合机都支持的多线键合工艺，而非某些特定设备才支持的带线键合（ribbon bonds），因此具有更广泛的适用性和可扩展性。