利用鍵合提高低噪聲放大器射頻性能的綜合方法

本文分析了為航空航天市場開發(fā)18 GHz至31 GHz低噪聲放大器（LNA）ADH519S時面臨的挑戰(zhàn)。用于太空產(chǎn)品開發(fā)的芯片最初以LC4封裝發(fā)布到商業(yè)行業(yè)。為了向空間和高可靠性市場發(fā)布該產(chǎn)品，并符合MIL-PRF-38535標準，該部件使用最合適和可用的密封陶瓷封裝進行組裝。本文介紹了一種獨特的解決方案和工藝教育，以通過鍵合提高RF性能。該產(chǎn)品開發(fā)過程帶來了以下挑戰(zhàn)：

最合適和可用的空間合格的氣密密封陶瓷封裝相對于最初發(fā)布的封裝中的芯片具有較大的空腔。較大的空腔推動了將鍵合線長度增加一倍的需求，當與新封裝的寄生效應相結合時，可能會導致器件不穩(wěn)定。

即使沒有發(fā)生不穩(wěn)定，長鍵合線的寄生效應也會降低S參數(shù)。

本文回顧了用于克服這些挑戰(zhàn)的不同方法，以及如何從新型密封陶瓷封裝中實現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)性能。

項目描述和設計

為了在指定的18 GHz至31 GHz頻率范圍內(nèi)提高穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)，封裝中集成了一個0 dB無源衰減器，以縮短RF輸入/輸出鍵合線長度。

在工程階段構建了四種不同類型的電路配置，并根據(jù)LNA的關鍵參數(shù)進行了比較，包括穩(wěn)定性、S參數(shù)和噪聲系數(shù)。Mu（μ）穩(wěn)定性因子用于測量和比較穩(wěn)定性，如公式1所示。μ的大小是穩(wěn)定性的衡量標準。μ系數(shù)越大，設備就越穩(wěn)定。

四種LNA工程類型是：

英文1

LNA芯片簡單地放置在封裝的中心，并用雙圓形鍵合線進行引線鍵合。正如預期的那樣，由于封裝寄生效應和鍵合線，在指定的工作頻率范圍內(nèi)，μ穩(wěn)定系數(shù)小于1，在某些頻率下甚至接近1。為了實現(xiàn)整個頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，需要改進輸入回波損耗（S11）。這將需要減少對LNA輸入的寄生效應。這導致了Eng2的開發(fā)。

英文2

為了提高穩(wěn)定性，在LNA的輸入端增加了一個0 dB衰減器。在LNA輸入端增加衰減器可改善輸入匹配，從而改善輸入回波損耗（S11）。結果，鍵合線也縮短了，這有助于減少寄生效應。

英語3和英語4

在這兩種電路類型中，衰減器都放置在LNA芯片的輸出端，以改善噪聲系數(shù)?；贔riis級聯(lián)噪聲系數(shù)方程，第一級對總噪聲的貢獻最大，隨后級的引入噪聲除以前幾級的增益。因此，輸入噪聲變得不那么重要。在此配置中，總噪聲系數(shù)定義為：

其中 FT是總噪聲系數(shù)，F(xiàn)液化天然氣是LNA噪聲系數(shù)，F(xiàn)收件人是衰減器的噪聲系數(shù)，G液化天然氣是LNA的增益。由于放大器級之后無源元件衰減器的損耗，增益降低也可能存在權衡。

在工程樣品Eng3中，帶狀鍵合用于芯片間鍵合以及RF輸入/輸出鍵合。相比之下，樣品 Eng4 LNA 和衰減器芯片使用雙圓形鍵合線進行引線鍵合。使用帶狀鍵合與雙圓的兩種鍵合選項的仿真（使用ADS）顯示，使用帶狀鍵合進行芯片間鍵合僅略微改善了輸入回波損耗和增益。因此，為了確認模擬，對兩種類型進行了組裝和評估。

比較不同LNA鍵合配置的結果

英語3 和 Eng4 與英語 2

在輸出端使用衰減器可改善輸出回波損耗（S22），因為阻抗匹配使信號反射最小化。這反過來又改善了輸出端的匹配，從而產(chǎn)生了更好的輸出回波損耗。對于較低頻率，具有較低增益的預期權衡是顯而易見的，但在大于22 GHz的頻率下，增益響應（S21）幾乎相等，在一個Eng2樣本中甚至更好，這可以通過單位間的變化來證明。

英語3 vs. 英語4

在比較帶狀焊絲與雙圓形鍵合線樣品時，由于帶狀鍵合中的趨膚效應和串擾較小，Eng3在整個頻率范圍內(nèi)具有更好的性能。由于帶狀粘結的表面積與其橫截面相比更大，因此它們的電阻更低，因此功率效率更高。測試結果表明，帶狀鍵合樣品的增益性能略好，輸入回波損耗幾乎相等或可忽略不計，輸出回波損耗明顯優(yōu)于雙輪鍵合。

LNA 性能圖

圖 1 到圖 4 說明了 Eng2、Eng3 和 Eng4 的兩個配置單元的 S 參數(shù)。此數(shù)據(jù)是通過探測封裝設備獲得的。在評估該部件的粘合選項開始時確定不會考慮Eng1，因為模擬顯示該配置將被證明是最不穩(wěn)定的。

圖5所示的噪聲系數(shù)測試數(shù)據(jù)是在評估板上測量的。

圖1.輸入回波損耗 - 探頭數(shù)據(jù)。

圖2.輸出回波損耗 - 探頭數(shù)據(jù)。

圖3.增益 - 探測數(shù)據(jù)。

圖4.穩(wěn)定性比較。

圖5.噪音系數(shù)。

結論

射頻工程，即所謂的黑魔法，只是一系列可預測的物理規(guī)則。

以下是本文中描述的LNA解鎖此魔法的摘要：

對于因寄生效應而關注匹配和回波損耗的LNA，在封裝腔體中加入衰減器是減少寄生效應和改善回波損耗的絕佳方法。但是，應考慮以下權衡：

輸入端衰減器：增加噪聲系數(shù)

輸出衰減器：降低增益

通過在封裝內(nèi)戰(zhàn)略性地放置衰減器來減少寄生效應，還可以改善S參數(shù)，S參數(shù)可用作使用μ因子測量穩(wěn)定性，并且總體上有助于在整個頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)非條件穩(wěn)定性。

在超高頻（3 GHz < SHF < 30 GHz）操作中，與圓線相比，帶狀鍵合具有更好的性能。權衡將是裝配的復雜性，需要考慮可制造性。

需要注意的是，這些結果可以根據(jù)基本的RF規(guī)則和公式進行預測。然而，在組裝不同的器件類型之前，對ADS和Genesys中的兩種芯片放置和不同的鍵合進行了仿真。評估的經(jīng)驗結果證實了模擬。

審核編輯：郭婷