0 引言

　　封装具有支撑、保护、冷却的作用，并为芯片提供电气连接和隔离，以便器件与其他元件构成完整的电路。随着封装技术的不断发展，工艺尺寸越来越小，工作频率越来越高，封装中的键合线不能再简单地视为无电阻、无电感、无电容的传输线。因此在频率较高的情况下，键合线会对封装中信号的完整性产生影响。表面贴装式是封装的管脚及散热法兰焊接在PCB表面的焊盘上。而PCB传输线会产生材料的导体损耗和介质损耗，因此，PCB板也有可能对封装中信号的传输特性产生影响。本文主要通过仿真分析键合线和PCB对TO-252表面贴装式封装技术中信号传输的影响。

1 TO-252管壳建模

　　MOSFET芯片都有一定的工作频率范围，为了使芯片能正常工作，需要为芯片选取适合的封装，也就是要求封装的工作频率范围能够覆盖芯片的工作频率范围。那我们就有必要了解每种封装的工作频率范围。本文是根据TO-252封装的尺寸图，利用HFSS 进行建模仿真，通过查看S参数来判断TO-252适用的工作频率范围。这里主要查看S21，即插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端，这个值越大越好，理想值是1，即0 dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>－3 dB。

　　利用HFSS建立TO-252封装模型如图1和图2，底层为PCB板，管壳采用的是塑料封装。输入输出（I/O)引脚是通过键合线和微带线连接在一起。TO-252封装尺寸图这里就不做过多的研究，本文主要从PCB板材、厚度和键合线的根数、长度、拱高，键合线间的距离等方面来研究对TO-252封装的影响。

2 PCB板

　　PCB是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。利用HFSS仿真S参数，需要添加波或集总端口激励，而波或集总端口激励需要通过传输线传输，鉴于TO-252封装引脚本身只有金属，不能够成微带线，如果只是单独仿真TO-252信号无法进行传输，因此，需要采用PCB和TO-252封装一起仿真。这样就会使PCB的板材和厚度对TO-252封装的信号传输特性产生影响。

2.1 PCB板材影响

　　利用HFSS建好模型，设置PCB板的厚度为1 mm，选取不同的PCB板材，介电常数分别为3.66、4.4、6.15、10.2，仿真分析不同板材对信号传输的影响，图3是给出不同板材下插入损耗（S21）的仿真结果。

　　从图3可以看出：(1)在频率较低时，随着板材介电常数的增大，信号的传输特性越好。而高频时，随着板材介电常数的增大，信号的传输越来越差。(2)随着板材介电常数的增大，信号传输较好的带宽越来越窄。

　2.2 PCB厚度仿真

　　利用HFSS建好模型，设定PCB的板材为FR_4，将PCB板的厚度设置为0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm，仿真分析不同厚度的PCB对信号传输的影响，图4是给出不同厚度下插入损耗（S21）的仿真结果。

　　从图4可以看出：(1)在2 GHz以下时，随着板材厚度增加，信号的传输特性越好。而到2 GHz以上时，随着板材厚度增大，信号的传输衰减的较快。(2)随着板材厚度的增大，信号传输的有效带宽越来越窄。

　　综合图3和图4，为了兼顾信号的传输和带宽，需要根据需求，选取适合的PCB板材和厚度。

3 键合线

　　键合线互连是晶体管中管芯和外部环境进行电气连接的主要手段，具有分配直流偏置电流，为射频信号提供传输途径的作用[2，3]。随着器件尺寸的缩小和工作频率的提高，当工作频率高于1 GHz时，键合线的射频等效串联电感、并联电容等计生参数将对信号的传输产生很大的影响[4]。因此，关于键合线的设计和优化也十分重要，关于键合线的研究主要有不同材料键合线的分析[5，6]、引线键合工艺[7]、键合线几何模型参数研究[8]、电气特性[9]等。

　　本文采用键合线互联的机构，将芯片的输入输出和封装的引脚连接起来。借助HFSS仿真软件，对TO-252封装中键合线的长度、拱高、键合线间的距离、根数进行仿真，分析改变以上几种参数对信号传输特性的影响。

　3.1 键合线长度的影响

　　设定键合线间距离为0.5 mm，仿真分析改变键合线的长度对信号传输的影响。改变长度为2.91 mm、3.83 mm、4.78 mm。图5是给出不同长度下插入损耗（S21）的仿真结果。

　　从图5可以看出：(1)随着键合线长度的增加，插入损耗越来越大，信号的传输特性也越来越差。(2)随着键合线长度的增加，传输信号的有效带宽也越来越窄。因此，为了信号更好的传输，要尽可能地缩短键合线的长度。

3.2 键合线拱高的影响

　　设定键合线的长度为3.71 mm，根数为2根（连接输入输出引脚各一根），键合线间的距离为0.5 mm，改变拱高为0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm。仿真分析改变键合线的拱高对信号传输的影响。图6是给出不同拱高下插入损耗（S21）的仿真结果。

　　从图6可以看出：(1)随着键合线拱高的增大，插入损耗越来越大，信号的传输特性也越来越差。(2)随着键合线拱高的增大，传输信号的有效带宽也越来越窄。由此平直的的键合线是最好的，但平直键合线受力集中，易断裂。因此，考虑到信号的传输和键合线的受力问题，要选取合适键合线的拱高。

　3.3 键合线间距的影响

　　设定键合线的拱高为0.2 mm，根数为2根（连接输入输出的各一根），键合线的长度为3.71 mm。改变键合线间的距离为0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm。仿真分析改变键合线间的距离对信号传输的影响。图7是给出不同键合线间距下插入损耗（S21）的仿真结果。

　　从图7可以看出，随着键合线间距的增大，插入损耗越来越小，信号的传输特性越来越好。传输的有效带宽也越来越宽。因此，为了信号更好的传输，要尽可能增加键合线间的距离。

　　3.4 键合线根数的影响

　　设定键合线的拱高为0.2 mm，键合线的长度为3.71 mm。键合线间的距离为0.1 mm。仿改变键合线的根数为2、6、10（连接输入，输出的各占总数的一半），仿真分析改变键合线的根数对信号传输的影响。图8是给出不同根数键合线下插入损耗（S21）的仿真结果。

　　从图8可以看出：(1)随着键合线根数的增加，插入损耗越来越好，信号的传输特性也越来越好。(2)随着键合线根数的增加，信号传输的有效带宽增宽。一般情况下，增加键合线的根数，可能会减小键合线间的距离，这样也有可能使插损变大，因此，要选取适合键合线的根数和键合线间的距离，才能实现信号更好的传输。

4 结束语

　　综合上述研究发现：(1)PCB板材介电常数越大、厚度越高，插损越小，信号传输特性越好。但其有效工作带宽随着介电常数的增大而变小。因此，在工程中，需要根据自己的需求，选择合适的PCB板材和厚度。(2)键合线的长度越短、拱高越小、根数越多、键合线间的距离越大，此时插入损耗最小，信号的传输特性最好。通过借助HFSS仿真软件，模拟分析PCB和键合线对封装系统中信号传输的的影响，为实际封装提供了可靠的依据。

参考文献

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