（通信与信息系统专业论文）x波段tr组件的mcm技术研究.pdf

硕士论文x波段.】 ) r组件的mc m技术研究 ab s t r a c t as ， s w而c r o w a v e t 瓜 m o d u l e i s d e s i g n c di nthis p a p e r ，usi ng mc m( m u l t i 一 c h i p mod ul e)p acki ng l echno l o gy. t h eb asic公 le o ryof mc m isgi ven6 招 t l y，thent 加 陷 ek e y techno l ogy inth c des i gno f m i c ro wavemc m哪 s to d ied， they are t h e ana ly s i s a n d d e s i gn o fcros s t a l kin m c m i n t e r c o n n e c t s ，the 朋a l y s i sanddes i 朗 o ft h e n ” a l ，朋dthe e 创 ， b l i s 玩 叮 e n t offail ure p “ 泪 1 比onmo del 玩山 e p art o f anai ys isandd es i gn ofc ro s s l a 】 k，a t 几 m s m l s s i 0 nline b as e dco叩li ng nois emod elt h a tiss 汕p l ewll i l ere tai垃 ng acc 吟 yin coupl ed mi crowavemc m 孟 m “ 叨n 刀 即招isp re se nted 厂 乃i s m ode 1 d e c o uple s the c o u p 1 ed i n t e r c o n n e c t s 恤coln p l e x 加 闪 u e ncy dom a i 几胡d t r a n s fo rms themi n t o in d e pende nti nt e r c 0 n n e cts， 50阮 p ro ce sso f 叭a l ysis isabb r e v i a t e d . t 五 e model isc 0 m p ar e daga 1 nst a d s si mu1 atio nsa n d iss hown to c 叩加 肥 加t hthe w a v e fo n ns ha p eandp e a knoi se a c c u r at e l y，t he a v e r a 罗 errorin noi se . 沐 ake sti叹 旧 t ion isa p p roxi m at e l y s. 9 5 % . d uetoitss l m p l i ci tyand p 妙si cal n a t l l r e ， the p r o pos e d m 叼e l can be a p p l i edtoi nve s t i g at e 山 e i m p a c t o f v ar io usp h y s i c al 一 d e s i 助 o p t i m i zat i ons . inthe p a rt o f then n a l desi gn， 妙means o f t h e fi n i t e 曰 e le mentm e t h 冈， the p a per fi r stl y p ul sfo r 认 胜 ir das pec i fi cmc m m ode l ; t h e n ， calc u l atesi tste m pe r at ur efi e 1 da n dheat di st ri b u t l on， 助ds t u d y s the k e y facto rso f the 丘 甘 . re achi ng i m p a c t o f pea k valueo f the 忱 m pera 奴 叮 e ， i n s u c c e s s . o n ; t 七 吧 m 印 t o v edmeasures o f h ea 卜 s inkin g c a p abili tyare p r o v 记 ed int h ee n d . inconclusi 叽 而s p a p erl ake s the fail ure m o deand m e c 坛 川 i c s o f the g a a s mm i c 助d mc mi nt o 侧 父 o u n t t o g e th e r， gi ves the 傲1 眼 花 t e p r e d i ctionm o d e l o f the mic r d 叭 旧 ， e mc m， w 址c h 6 l s for th e p roc e s s inc 恤na. k e yw0 r d s : mc m， t /r m o dul e ， c ro s s ta l k f ai l ure r a t e p 代 刃 i c t i o n nol s e，t he rma l d e s i gn， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在本 学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 刻 土卫 呼7 月 华 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。 对于保密 论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研 评“ 扛 月 攀 黔 脚 产 俨 卿 硕士论文x波段t 爪组件的mo m技术研究 1 绪论 l l 研究背景 00 年代以来， 有源相控阵已 成为相控阵雷达发展中的主流，几乎所有先进的、 新研制的雷达均采用了有源相控阵体制。同时随着现代通信、 雷达、电子侦察和对抗 技术的飞速发展，对作为有源相控阵核心部件的微波 t /r 组件的性能指标提出了更 高的要求。 高可靠性、 微型化、 小尺寸和低成本， 要求微波t /r组件在满足电气性能 指标的同时，尽量减小电路的占用面积。目前，高密度的组装技术多芯片组件 m c m 佃u l ti 一 hi p m o d 目 e ) 可以 很大程度的提高电 路的集成水平， 减小电 路尺寸， 并具 有优良 的电 气性能， 近年来得到迅猛的发展。 m c m是90 年代以 来发展较快的一种先进混合集成电 路技术，它是电 路组件功 能 实现系 统级的 基础 川 。 随 着 m c m的兴起， 封装的 概念发生了 本质的 变化. 在 80 年代以前， 所有的封装是面向器件的， 而m c m可以说是面向部件的或者说是面向系 统或整机的。mc m技术集先进印刷电路板技术、先进混合集成电路技术、先进表面 安装技术、 半导体集成电路技术于一体， 是典型的垂直集成技术， 对半导体器件来说， 它是典型的柔型封装技术， 是一种电路的集成。 m c m的出现为电子系统实现小型化、 模块化、 低功耗、 高可靠性提供了更有效的技术保障， 是微电子学领域的一项重大变 革技术， 其对现代化的计算机、自 动化、 通讯业等领域将产生重大影响。 为此， m c m 技术己经成为世界公认的重大军事电子技术，90 年代初国际有关专家就曾认定，今 后谁在多芯片组件方面领先， 谁就能在电 子设备制造方面处于领先地位12) 。 微波 mc m技术作为我国hic产业发展规划中的战略重点，在其发展还处于初 级阶段的同时， 开展相关的 研究将进一步促进我国微波mc m的发展水平， 为我国军 事电子的发展奠定坚实的基础。本文针对t i r组件的发展要求，采用了m c m技术， 研究设计了一个x波段的发射功率大于8. 5 w的t ir组件。 1 .2 国内 外发展的情况 基于mc m的诸多 优点，各国都相继加速了mc m的研究步伐。早在60 年代， 幻浅t公司就研制出第一只薄膜m c m。 与此同时， mt t公司也研制出一种组件封装 的i c ; i b m公司对m c m的开发研究也较早。 其产品的共同 特点是: m c m都是在混 合电路基础上发展起来的，也就是说芯片混合电路工业对 m c m 的出 现起着重要作 用。m c m技术从70年代末开始发展应用， 整个发展过程分为三个阶段川 :1 9 92 年 以 前为初始发展阶段， 其市场年销售额约为 2 亿美元:1 9 92 年以后，世界计算机制 造商大量采用mc m技术， 则开始了m c m发展的第二阶段; 从1 9 9 0 年到1 995 年间， 世界mc m的平均年增长率为35%，有 5 0 今 卜 6 口 % 的薄膜混合集成电 路采用 m c m技 术;到90年代后期， 发展到m c m技术的全面应用阶段，即mc m发展的第三个阶 l 硕士论文x波段t 瓜组件的材c 侧技术研究 段。 至今mc m技术己 经成为年市场销售额达1 即亿美元以上的一种先进的微电子组 装技术。1995年到2 000 年军用和宇航用m c m的比例将提高一倍，m c m将发展成 为重要的军民两用高新技术。 国内mc m技术的发展起步较慢， 在微波领域的mc m技术更是如此，目前还处 于发展初期，主要是集中在工艺、材料、检测技术的探讨与研究上。 据资料报道，国 内部分研究所在低频和微波频段m c m电路的设计己经开展，电子43所、55所己 研 制出微波频段m c mt 瓜组件;但目前国内还未有关于毫米波mc m产品的报告， 对 毫米波m c m的研究尚处于起步阶段. 为了顺应世界电子行业的变化形式， 我国必须 加快m c m的研究，尤其是微波频段的m c m研究， 进而加快其产业化进程。 1 3 本 文 研究的内 容 较一般mc m来说， 微波mc m有着其独特的特性和设计要求， 微波mc m技术 的研究涉及多个方面:电设计、 热设计、 材料、 封装等等，从某种意义上来说其是一 门跨学科技术，其中的每一方面的因素都影响着m c m的整体性能及产品率。 为了达到所设计的t ir组件的低成本、 小体积和轻重量的目 标， 本文拟采用高密 度组装技术m c m来实现其组装。 高密度组装m c m在降低成本、 减小体积和减轻重 量的同时， 却导致组件的电路间的噪声性能降低、 工作温度升高和生产与组装潜在的 产品率下降( 较同一t 爪组件的低密度组装来讲 ) 。 诸如 此类影响在组件设计阶段就必 需考虑. 本文针对所设计的t i r组件频段高:中心频率为 1 0 g hz，功率大:发射功率大 于8. 5 w， 体积小、 部分功耗大等特点， 和由 此导致的信号串扰严重、 温度分布不均、 热应力变形严重等现象， 拟采用一系列技术来实现这一t ir组件的mc m设计， 以克 服上述缺点， 满足整个组件的可靠性要求。 本文主要从mc m的角度出发， 来研究在此t jr组件设计过程中采用的关键技术， 重点研究内 容如下: 1) 由 于 此矛介 r 组 件 工 作在x 波 段， 因 而 微 波 射 频信 号之间 的串 扰以 及 微波 信号 对直流和低频信号的干扰问题更加严重。 如果不能解决上述问题， 会导致整 个组件性能大大降低， 甚至不能正常工作。 所以， 解决此t /r组件的电 磁兼 容、 互连线间噪声串扰问题是设计好整个系统的关键。本文拟采用一种新的 微波祸合互连线串 扰噪声的估计方法， 从而为此t 爪组件互连线噪声优化设 计提供了依据。 2) 针 对t 爪组件的小 尺寸、 轻重量、 高可 靠性的要求， 本文拟在全部选用m mic 芯片的基础上，采用3 dmc m技术。3 dmc m是指将多个裸芯片或二维多 芯片组件( z dm c 硒沿2 轴方向 层叠起来的封装技术。 这将使封装效率大大 硕士论文 x波段刀r组件的mc m技术研究 提高，延迟进一步缩短，噪声降低，速度更快。但组装密度的进一步加大， 单位体积容纳的热量就越来越高，同时又由于此1 / r组件中的h p a为大功 耗器件， 这将使工作温度大大增加。 器件的失效往往与其工作温度密切相关， 资料表明， 器件的工作温度每升高10， 其失效率增加一倍门 。 不合理的热 设计将会诱发一系列的问题， 如出现局部过热， 热应力过大， 温度分布不均。 为解决此问 题， 在考虑保证电气性能的基础上，本文拟以 有限元分析为基本 原理，利用a n s y s 软件， 对各功能芯片进行综合优化布局，从而满足组件 的热设计要求。 3) 在确认此侧 r 组件中g 已 a s m m i c 是 好的 ( k g d ) 、互连线的电 气性能是 满足 的、组件的热设计是合理的基础上， 失效性还是难免的，为此我们必须考虑 组件的可靠性问题。此t ir mc m在可靠性方面有以下特点:可靠性问题要 集中在各种材料的热匹配性、 通孔的导通性及界面间的应力分布合理性， 芯 片及外贴元件的互连可靠性， 基板的可靠性等方面。多层陶瓷基板在进行了 温度循环、机械冲山和振动等可靠性试验后，发现样品出现分层、断裂、瓷 体裂纹、 基板弯曲、介质不平、 基板起泡、金导裂纹和粘接不足等缺陷。为 提高此飞 7 rm c m的可靠性，本文拟建立其失效模型， 研究失效机理，提供 失效数据， 从而为t ir组件可靠性设计奠定良 好的基础，同时也对国内其他 组件的可靠性设计起借鉴作用。 本文的第二章给出了r1 7 r组件的技术指标和系统方案; 在文章的第三章， 给出了 在此t j rm c m中的互连线的噪声优化设计:第四章中给出了t /rmc m的热分析与 设计; 第五章中给出了其实效率预计模型， 为其可靠性设计奠定了基础。 结论在文章 的最后一章给出。 硕士论文 x波段t 瓜组件的mc m技术研究 z t 月 厌 组件的mc m系统方案 2. i t 瓜组件的工作原理 相控阵雷达t ir组件的实际组成随雷达系统性能要求略有所异， 具体电 路的复杂 程度也不尽相同， 但基本的框图构成是差不多的， 其工作原理是相同的， 一个典型的 t i r组件的工作原理框图如图2 . 1 . 1 所示。 发射 夭线 仆 一一产 接收 图2 . 1 . i t i r组件工作原理框图 在图2 . 1 . 1 中发射通道主要由增益放大、移相器、衰减器、驱动放大、功率放大 器等组成。 在发射周期内，由激励信号源送来的信号送入组件发射通道经过输入t /r 开关进入发射通道，先进行增益放大、数字移相， 然后进行驱动放大、高功率放大， 最后经环形器进入辐射单元，完成信号发射功能。 接收通道主要由限幅器、 低噪声放大器、增益放大、 移相器、 衰减器等组成。当 发射信号结束后侧r组件就处于接收状态， 在接收周期内， 从天线接收到的微弱信号 经输出开关至限幅器、低噪声放大器，再经数字式移相器、输入开关到接收机。 发射通道是为了完成雷达射频信号的功率放大， 而接收通道则是为了完成接收信 号的放大。移相器是为了完成天线扫描而设置的，在控制终端的统一调配下，各个 t i r组件通过移相器按照一定的规则改变各自的信号相位， 最终控制空间合成后形成 的波束方向， 实现波束扫描的控制。 输入开关是解决移相器收发共用所必需的， 在控 制信号的控制下合理的在收发通道之间进行切换. z j mmi c和mc m在侧r组件中的应用 80年代前厂d r组件都采用混合集成电路(hm l c)。实践表明， h mic 的t /r组 件存在以 下缺陷: 体积大、 重 量重、 成本高( 元件成本高， 装配工 序多) ， 可靠性低 ( 分 立元件的 装配 连接过多 ) ， 均一 性差( 元件和装配工艺离散大) . m m ic的优点是正好能 克服卜 玉 仃 c的 上述缺点: m m i c体积小 ( 芯片尺寸 在毫米 量级) ， 重量轻( 芯片 重量几 4 硕士论文 x波段t 爪组件的mc m技术研究 乎可以 忽 略 ) ， 成本低 ( 大量生产时 ) ， 可 靠性高 ( 可达半导体器件水平 ) ， 均一 性好( 由 严 格的批量生产工艺控制) .因此， 从 19 80 年开始，美国国防部预研计划局( d a r p a ) 战略技术办公室就开始组织对 毛 叹组件采用m m ic工艺的技术攻关。 目 前移相器、 低噪声放大器、开关等， 甚至部分高功率放大器(h队) 放大器，都 可使用 m mic 实现。mm ict 瓜组件通常使用封装的单片集成电 路做成单元电路， 分别装配在几块载体上， 然后装入更大的盒体中。 这种方法组装工艺简单， 也便于电 路更换， 但由于封装以及组装用的螺钉、 载体等， 导致组件体积、 重量较大，降低了 集成度。 由 于t /r组件既包括大功率的电路， 又有低噪声器件， 还有工作在无源状态 的g a a s f e t微波控制电路， 所以很难把整个t ir组件做在一个m mic单片上。虽 然有过全单片 1 丫 r组件的报导， 但离实用还有距离。 所以为了提高 t ir 组件的集成 度，必须在组装技术上作进一步研究。 多芯片组件m c m是继20世纪80年代被誉为“ 电子组装技术革命” 的表面安装 技术之后，00 年代在微电子领域兴起并得到迅速发展的一项最引人瞩目的新组装技 术 llj 。 关 于m c m目 前国 际 上尚 无 统 一 定 义 ， 从 不同 角 度， 对m c m的 技 术 本 质 和内 涵有不同的理解。 如从混合集成角度认为mc m是一种高级的、 先进的混合集成电路: 从电子封装角度则认为mc m是一种先进的封装形式; 从微电子角度则将mc m看成 一种高密度的电路集成组件等. 抛开定义， 一 般m c m系统的结构如图2. 2 ， 1 所示: 三维封装 1( 裸 ) 芯 片 高密度连线 爹 多 三 霎 ;犷 欺藻签 簿鳄夔赘鬓夔 巍 翼 蒸窿 一 竺 微细布线基板外引出线 图2. 2. i m c m系统结构示意图 mc m是微组装技术的典型产品，在计算机、通信和其它相关领域中都有应用， 把mc m技术应用在微波电路中， 是当前m c m的重要发展趋势。 近年来， 随着国内 的材料和组装工艺技术逐步发展成熟， 使用m c m 组装技术研制出尺寸小， 重量轻， 性能优良的1 / r组件，对国内t /r组件技术的发展有重要意义。 z j t ir组件的 技术指标和m c m系统方案 本文中1 l r组件的技术指标如下: 5 硕士论文x波段t 爪组件的mc m技术研究 频率范围:85 11 ghz 发射功率:8. 研 发射增益:4 4db 接收增益:3 2db 移相范围/ 精度:3 54， 3 度/5. 6 度 增益控制范围/ 精度:2 4 d b /0. 75db 收发隔离度: 4 5db 根据上述指标及t 瓜组件的小体积、 高可靠性要求， 通过合理的电平分配及功率 裕 量分析，本文确定t 瓜系统框图 如图2. 3 . 1 所示: 图2. 3 . i t/r组件组成原理框图 确定系统结构后， 要选择合适的器件和技术实现各电路单元的功能。 在上述各电 路单元中，我们选择合适的mm ic 来实现，以降低设计复杂度，控制组件尺寸，同 时也便于我们研究本文的重点内容一初c m的有关技术。 经过目 前国内外微波市场的 调查，我们选择了以下 mm ic 芯片:环行器选择了l h 山公司型号为c 8 5 0 1 15 的一 款微带环行器， 该环行器的尺寸为6.lmm x6. l mln 、 1 .6 imn ， 插入损耗小于0. sdb ，隔 离度典型值为加db.隔离开关选择了卜 灯 a . c o m公司型号为m a 4ag s w z 的s p d t 开关芯片，该芯片的尺寸为1 ，3 m m xo.8 3 11 1 卫 n ，在整个频带内的插入损耗小于0 .5 db， 隔离度大于45db 。限幅服 噪放选择了卜 f a . c o m公司ma 015 03d ，该芯片的尺寸为 4. 5 刃 。 r o x 3 .0 8 角 r o x o . 1 2 5 mm ，噪声系数典型值为2. 7 ，增益为1 9db 。t 瓜开关选择了 加 灯 a . c o m公司ma s wg m0 0 0 2 ，该芯片的尺寸为2 . 0 5 4 i l l l l l x l . 2 8 4l l l n l x 0 . 0 7 51 1 1 1 1 1 ， 插入损耗为 3 db ，隔离度大于 5 0 d b ，开关切换时间为 3 ns。高功率放大器选择了 m/a心o m 公司型号为m 峨 0 8 5 09d的mm i c功放芯片， 芯片尺寸为4. 58nun x4.5 s nun x o. o 7 5 nnn ，输出功率大于1 0 w，平均增益为22db，效率大于3 2 %。多功能芯片选 6 硕士论文x波段t 瓜组件的mc m技术研究 择了h 灯 a . c o m公司型号为ma mf g mo o 01一 d ie的mmic 芯片，该芯片具有6 位数 字移相和5 位数控衰减的功能，移相精度为5. 60，增益典型值为 lsdb，该芯片尺寸 为 5 . 9 8 7 n r n x 3 . 9 7 5 l l l l l l xo . 0 7 5 1 1 1 1 1 1 。 然后需要考虑组件所采用的基板材料和互连技术。 从mc m对基板材料的基本要 求如机械性能，电 气性能， 热性能和化学性能等其他性能出发， 本文采用mc m 一 c类 型基板一热压a i n， 其有着较高的热导率和优良的尺寸控制精度。 陶瓷多层基板包括 元器件安装层( 顶层) 、 信号层、电 源层、接地层和对外连接层( 底层) 等几部分。陶瓷 介质位于各导体之间， 起着电绝缘的作用。 顶层含各种焊盘， 用以安装相应的电子元 器件。 为了提高组装密度， 采用双面安装多层基板， 即 在基板的顶面和底面都安装电 子元器件。 多层基板的信号层设置在顶层下方， 主要布置元器件之间的互连线;电 源 层和接地层独立设置， 可按组件电性能的要求进行设计; 陶瓷基板的以 上各层之间由 垂直通导孔进行互连。在本设计中我们采用共晶技术安装 mm ic 芯片，采用金丝互 连结构实现 m mic 芯片和微带传输线之间的连接。共晶焊技术具有焊区导电、导热 性好，成品率高、机械强度高、热阻小等优点。 硕士论文 x波段1 讯 组件的mc m技术研究 3 tir组件互连线噪声优化设计 1 1 t ir组件互连线噪声优化设计的必要性 在此毛 叹组件的m c m设计中， 不同层间、 同一层不同信号之间互连密度将大大 增加; 同 时由于t 瓜组件的特殊工作要求( 高速工作于收/ 发状态) ， 信号的 转换速度将 大大加快。 随着互连密度和速度的增加， 散射、 传输延迟、 祸合、串扰等传输线效应 变得越来越显著。 在微波m c m中， 芯片集成度不断增加， 特征尺寸不断减小 ， 互连线 间的串扰己 成为限制芯片集成度和系统速度的关键性问题之一。 在设计中， 有的互连 线的布线密度大于线宽， 相邻互连线间距小于临近金属层间距。 这导致了同层相邻互 连线间祸合电容比 接地电容值大， 因此会引起信号延时和串 扰。 另外， 互连线间存在 互连电 感，而此1 l r组件工作频率达已到c h z 的范围，由于互连电感所导致的信号 延迟、 过冲、 振荡以及由于电感祸合所导致的串扰噪声使互连问题更趋严重， 因此互 连电感是串扰产生的重要因素之一， 其作用不能忽略。 如果忽略这些效应， 信号会失 真，从而导致电子系统性能的恶化。 目 前， 存在的大部分有关互连线的噪声模型和可以利用的技术只是考虑了电容的 祸合作用111-141 。 但是，此t 瓜 m c m工作在g h z 以上，此时，由 于电 感祸合而产生 的噪声实 质上存在的，在完整的噪声分析中我们必须加以考虑。在图3 1 . 1 中，给出 了 在此t /r组件互连线中分别考虑电容祸合、 电感祸合和二者都考虑情况下的噪声波 形。 从图中可以看出， 在所设计的t ir组件中电感祸合的作用与电容祸合作用在幅度 上是可以比拟，忽略电感祸合的噪声模型是不准确的。 _一，丫 俘 双 一 护 ， ， i ， 沙 ， 口 并 丫;、 /， 一、卜 、，一火. 一 ， 曰 日 卜-. 飞 左 一火 工一 一 一_ _ 。 p a c i t i 妞+in duc /c 印a c i t i ， 1 如 duc t i ve 干 尸一 ! 5 1 气 n 泛 一 ! l _ 一_ 一 、 、口 ， 1! 1 1 11 111 1 1 1 1 !j l 1 !. 1 . 11 . !. 1 1 . 1 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 t l ， 岛p s e c 图3 . 1 . 1互连线不同 祸合 情况的噪声曲 线 硕士论文 x波段t ir组件的mc m技术研究 近来，已 有许多 学者 将电 容祸合影响 考虑到噪声 模型中 来. 在文献口 4 中， 提出 了一个适合祸合r l c互连线的噪声模型，但是，此模型只是适合祸合电感和祸合电 容比各自 感电感和对地电 容小的情况; 当祸合电容与对地电 容的比率超过1 时， 此模 型将不再准确， 当互感与自 感的比率在0. 7 一 0. 8 范围内 也是如此。 在文献11 61中， 提出 了一种将祸合线映射为两条分离线， 然后将每条分离线看作为一段r 工 c 二 网络， 此模 型的不足之处在于其只适用于两个相同的互连线: 此外， 模型只是用一段分离的二 来 逼近传输线，在信号快速变换时将不再适用。d avis 和m ei ndl 提出了一个基于r l c 互 连线严 格解析的 模型1201， 但是 此模型引 人了 大量额外的 节点 和元件， 增加了 总的 模 拟运算量，对噪声设计的优化并未给出很好的建议。 本文针对所设计的t /rm c m互连密度大、 工作频段高、 转换速度快等特殊要求， 在充分考虑了互连线电容祸合和电 感祸合的前提下，对组件中均匀互连线的r l c集 总模型进行分析， 通过对互连线传输矩阵的变换研究， 提出一个基于去祸分析的噪声 模型， 该方法将祸合线元模型在复频域内 进行去祸， 使复杂的 祸合互连线元模型转化 为独立互连线元模型进行分析， 从而简化了之后的线元模型合并过程。 此时串扰噪声 的时域表达式可由 这两条独立互连线的瞬时响应关系式表示。 此模型克服了 文献 14 中所提模型的局限性， 由于模型的简单， 从中我们可以很容易的观察由于电感祸合和 电容祸合造成的噪声影响。 下面， 在简单介绍基本理论的 基础上， 我们将给出 此噪声 模型， 我们利用m a t l ab对去祸进行了模拟， 并与a d s 的结果进行了比较， 实验结果 表明本方法在t i r组件互连线串扰分析中具有很高的有效性; 然后， 我们可以利用此 模型研究了影响1 7 r mc m串扰噪声的因素，为噪声优化设计提供了依据。 1 2 t 刀 r 组件互连线噪声优化设计去祸分析 3. 2. i t 刀 医 组件互连线噪声优化设计基础一一长线理论 正如我们所知，当电压和电流波的波长缩小到大致为电路元件尺寸的10倍时， 必须从以基尔霍夫电压和电流为基础的集总电路分析转变到基于波动原理的波动理 论。此时，我们可以引入分布参量(r、 l 、c)描述，用等效电 路的方法对电 路加以分 析，在微观尺寸上其又符合基尔霍夫定律。 本文中所说的长线只限于均匀长线，其分布参数一般有以 下四种: ro， go，l 0和 c o ，它们的物理含义及量纲如下: 分布电阻ro: 单位为q / m， 指单位长度线上的电 阻总 值， 取决于传输线材料的 电 导率及导线横截面尺寸。 若传输线为理想导体，则ro= 。 ; 分布电导c o :单位为5 / m， 指单位长度线间的并联电导值，又称漏电导， 取决 于导线横截面尺寸、线间距离、以及传输线周围介质材料的绝缘性，若为理想介质， 则00 =。 ; 9 硕士论文 x波段刃 r组件的mc m技术研究 分布电感功:单位为h/ m， 指单位长度线上的串连电感，取决于导线横截面尺 寸、线间 距离及周围 介 质的磁导率产 ; 分布电容c o : 单位为f / m， 指单位长度线间的并联电容， 取决于导线横截面尺 寸、线间距离以及周围的介电常数 。 在微波频段， 两根传输线的电 报方程( 传输方程) 复频域表达式可写为如式 (3.2 1 1) 形式: 一 釜 降!; 联 匀 ( 3 . 2 1 . 1 ) 其 中 ， f = 比(x ) ， 叽 (x ) r ， 1 二 il(x ) ， 几 ( x) 了 ， 2 = r 。 + 巩， y 二 go+ sco ， 如 上 所 述， r 。 为 单位 长 度电 阻 矩阵，几为 单 位长 度电 感 矩阵，co为 单 位长 度电 容 矩阵， go为单位长度电 导矩阵.为了分析的 方便， 通常假设单位长度电 导矩阵为。 ，即 y = s co，同 时实践 表明 这种假设是成立的。 由 于传输线间祸合的缘故， 使得对传输线的分析变得十分复杂。 如果可以 将其分 解成没有祸合作用的独立传输线模型进行分析， 这将会给互连线的分析计算带来极大 的 便利。 通过分 析5 域电 报方程可知y ， 2 不是对角矩阵 119， 究其原因是 互连线的 祸 合作用引起的。 如果能将y， 2变换成对角矩阵则祸合效果可由独立的互连线响应表 示，其计算将变得比较方便， 此过程即称为去祸，去祸的思想也即如此。从中我们还 可以看出去祸分析的显著优点，即计算方便. 1 2. 2 t 刀 r 组件互连线去祸后的r l c模型 为了 分析此t i rmc m互连线串扰噪声特性， 我们假设两个互连线中的一根为攻 击线，记为线1 ，另一根为受害线，记为线2 。由长线理论可以得出微波长线的等效 r l c电路如图3 .2.2 . 1 所示: rd l 1 dz rd l l d l rd l 1 血 攻击线1 1 ，dl1 ，d l 1 . d l 场山 受害线2 份血 1 咙 “ “ 士 味 “ “ 图3. 2. 2 . i mc m互连线r l c模型 硕士论文x波段1 很 组件的mc m技术研究 由 微波的基本理论可知， 在整个传输线上基尔霍夫定律将不再适用， 为了 便于分 析， 我们在图3 2 2 . 1 中， 任取一段传输线元dx进行分析， 得出其等效电路如图3 .2.2. 2 所示， rd l ldt 攻击线1 几1 1 皿dt 受害线2 砚 几d x ld l 图3. 2. 2. 2微波mc m互连线线元模型 易知， 线元模型此时可以 应用基尔霍夫定律进行分析， 并可得该线元系统5 域的 系 统方程如 下式(3 .2. 2 . 1 )， 中1 =e 中。( 3 .2 2 . 1 ) 其中 0(r+ 5 今 么 一 5 毛 么 (r+ 5 1 卜 么 : 召 气+ co 冲 一 5 马 么 一 5 马 六 减 几 + co 冲 (3. 2. 2 . 2 ) 电= 民 。 ， 珠 ， 几 ， 几 r ， 电= 气 ， ， 嵘， 几 . ， 爪了( 3 2 2 3 ) 1 代表单 位矩阵，k 。 ， 几 . ， vo ， ， 几 : 分别为 攻击线的 输入端电 压， 输入端电 流 和输出 端 的 输出 电 压， 输出 端电 流， 蛛 ， 爪 ， 暇， 10 2 为 受 害 线的 输 入 端电 压， 输 入 端电 流 和 输 出端的输出电压，输出端电流。 正如上文所述， 由于两根互连线的电 压电流之间祸合作用， e矩阵中的a，b 两 个子矩阵将不是对角矩阵。 但显然二者都是对称矩阵， 为了达到去祸的目 的， 下面要 做的事情是将矩阵e 对角化， 在此， 我们利用了 矩阵变换的相关理论， 引入归一化变 换矩阵尸， 硕士论文x波段币 叹组件的mc m技术研究 (3. 2. 2 . 4 ) 001-l .二j谧100 1-l00 1一万 一一 们jqll qo 一一 p 使得， e二p理p 一 1 ( 3 . 2 ， 2 . 5 ) 同时推出， !1= 1左 i j l q 一 刀 9 q 一 ， 滩 q 1 (3. 2 2 一 6 ) ib r.esl，.l 一 牙 在式 (2 .2. 2. 6) 中， + 5 (i 一 几 ) 去 0 0 仓+ 5 ( 1 + 气 5 (c : 十z c 口 ) 改 0 (3. 2. 2. 乃 resl卫.l - 目口 b 在此， 我们重新定 义一个传输线 元， 令其输入端矩阵州， 输出 端矩阵为。 石 ， 并 有: 碱= 尸 一 沛， ， 截= p 一 沛。(3. 2. 2 8 ) 结 合式 ( 3 . 2 .2 . 1 ) 、 (3 .2 .2 . 5 ) 和( 3 .2 .2 r8 ) 可得: 侧= 不 卜 劝 石 由式(3 .2.2. 6) 和(3.2. 2. 7) 可知， (3. 2 . 2 . 9) l 0 5 ( cg+ z co 冲 0 (r+ 5 (i 一 几 ) 冲 0 0 (r+ 5 (i + 几) 击 0 1 (32 1 0) rwel.esl.l 一一 甲 新线元的传输矩阵职中的a和万为对角矩阵， 这意味着新线元中已无祸合作用， 新的线元模型如图3 .2.2. 3 所示， 硕士论文x波段t 瓜组件的mc m技术研究 ( 卜 1 . ) dx rdl 、.才、.j s8 了.、奋.、 ( 味+ 2 肠) 血 yo 1 0 】 it.土 、刀.、口刀 g日 了.龟口f、 玫击线iv i l 1 1 1 s)s) 受害线2 ( 1 + 1 皿 ) d 万 rdl y o z ( 1 0 2 ( 、.jj、.1 ss 图3 . 2. 2. 3去祸后的r l c线元模型 在新的线元模型中， 对于攻击线和受害线来讲， 令其传输矩阵分别为c和d， 则 有: c 二 【 战 马+ 筑冲 (r+ 可一 l lr+ scs击 s(i+l， ) 击 1 ( 3 . 2 . 2 1 1 ) rwe.sel 一一 d 为了 对互连线的整体数值分析，下面我们将c和d矩阵对角化，易知c 和d均 有两个不同的特征值，故存在m和n ，使得， c= 五 夕 c 材一 ， ， 。= 刀 d 万 一 ，( 3 .2 .2 . 1 2 ) ， ，.，卫 卜弓 六 0 0 1 一 风 dr r月月esl 一一 ， c 1 + 么么 0 0 1 一 久击 ( 3 . 2 . 2 . 1 3 ) !. 一一 d 结合丸3. 2 .2.1 0) 、 (3 .2.2 . 1 1 ) 、 (3 2 .2.1 2) 和 (3.2 .2.1 3) ， 可得矩阵甲相 似于对角阵人 ， 1 + 风 云 0 0 0 0 1 + 么击 0 0 0 0 1 一 风 么 0 0 0 0 1 一 氏击 ( 3 2 .2 . 1 4 ) r.1.l 一一 a 风= 寸 ( 吼+ z cc) ( r + 5 (i 一 气 ) ) ， 凡= 沙c : (r + s a 十 气 ) 0. 2 . 2 . 1 5 ) 根据式 (3.2. 2. 5) 和 矩阵相似得传递性可知， 原 传输 矩阵e 可以 对角 化为人 即存 i 3 硕士论文x波段t 爪组件的mc m技术研究 在可逆矩阵f，使得: e=万 仇犷 一 1 ( 3 ， 2 . 21 6 ) 同 理， 对互连线的其余线元进行同 样的去祸分析， 分别将每个线元的攻击线、 受 害线分别级联，此时整个r l c模型集总电路部分去祸为两条独立的传输线形式，将 去 祸后 的 传 输线元 级联后， 即 可 得整 个传输线得abc d矩阵 如式(3 .2. 2 . 1 7) 所示 ， 尸= ( va犷 一 ， ) ” = 犷 a ， v 一 (3.2. 2.17) 又， = 互 ， 月 l i m ( 1 +三 ) ” = e x( 3 . 2 2 . 1 8 ) 推出， ( 3 . 2 ， 2 . 1 9) les月ee.j h 000马 e 0 e 飞h ntjn 哪000 召 -一 丫 至此， 利用本方法对此t 瓜m c m互连线的去祸分析已完成，具体过程如上。正 如我们所知， 在此t /rmc m中， 不可能存在孤立的互连线，因为互连线是在基板的 不同层之间、同一层的不同模块之间提供连接，下面要做的就是考虑互连线在整个 t 瓜m c m中的 边界条 件“ 8 ， 建立 微波t /rm c m互连线串 扰噪声的 测试 模型， 为后 继噪声分析仿真奠定基础。 3 么3 t i r组件互连线去祸后的 侧试模型 考虑到互连线在微波，r 瓜m c m中的位置和作用， 同时也为了下面测试互连线响 应的需要，在图 3. 2. 2 . 1 所示互连线模型的基础上分别加上驱动电阻和负载电容，建 立互连线噪声的测试模型，此时，具体的测试模型如图3 .2.3 ， 1 所示: 硕士论文x波段1 训 r组件的mc m技术研究 rdl ldl rdl l d! r d 二 州 下1去1山 下.土血 攻击线对 沪 受害线刁 士 q “ “ 士 d d 图3 .2 3 . i t /rmc m互连线噪声测试模型 在图3. 2. 3 . 1中，虚线两端部分分别为增加的驱动电阻和负载电容部分， 这两部 分的系统的传输矩阵分别为: ( 3 . 2 3 . 1 ) 0凡01 凡010 0，100 ，且一uun户 r.es.eses七 一一 尽 00 n11 ( 3 . 2 . 3 . 2 ) 110 0q s loqo s r.任，1.weweeses.l 一一 凡 其中r ， ，c，分别为 输入电 阻和负 载电 容。 根据微波网络的基本原理， 分别将上述三部级联，即将式(3.2. 2 . 17 ) 、式(3.2. 3 . 1) 和式(3.2. 3. 2) 代表的 三个 部分 级联， 将得出 去祸 后r l c 集总模型系统， 有: 哟= 式 eneo汽(3. 2 . 1 3 ) 此时， 对于输出端电 压可以 写成式(3.2. 3. 4) 形式， 日 一 装 + 从 拭一 拭 一 城 城十 从 ( 3 . 2 . 3 . 4 ) 其中， 拭 = 石 蕊 不 赢 蕊荟不茄 蔽 石 硕士论文x波段t 瓜组件的mc m技术研究 凡 = 石 蕊 石 赢 丽夺疏赢石 (3. 2 . 3. 5 ) 20， = ; + 5 (l 一 几 ) 5 ( 吼+ z cc) 几二 ， 竺粤卫 丫5 : ( 3 . 2 . 3 . 6 ) 在 上 式 (3.2. 3. 6) 中，20， 即 为奇次 特性阻 抗，202即为偶次 特性阻抗 至此， 整个t 瓜组件的mc m互连线测试模型的建立已结束， 下面要做的就是根 据上述分析应用数学工具 ma t l ab 对上述模型进行数据仿真分析，以验证模型得准确 性和有效性，为后继噪声优化设计奠定基础。 m a t 助 由 于其语法简单， 功能强大， 易学易用等特出 优点， 在数值分析与 仿真方 面得到了 广泛的应用，考虑到仿真的方便与具体的需要，在本文中采用了m atlab 对 上述微波t /rmc m互连线噪声模型进行了图形仿真。 根据上述分析及系统的等效特性， 此微波t 瓜m c m互连线去祸后的5 域测试模 型可以看成图3 .2.3 2所示的系统: h i ( 5 ) 图3 .2.3 2去祸后的等效系统模型 本节 研究的 重点微 波串 扰分析， 考 虑到分析的需 要， 我们取系统的 输入 信号巧 ， (t) 为 阶 跃 ， (t) ， 对 应 的 变 换 为 生 ， 巧 2 (t) 为 。 : k 。 = 隘一 生 ， k ， =0 (3. 2 :37 ) 则系统串扰噪声为 、一 告 (h z 一 h :)、 一 告 (不 一 可 ) (3