利用键合提高低噪声放大器射频性能的综合方法

本文分析了为航空航天市场开发18 GHz至31 GHz低噪声放大器（LNA）ADH519S时面临的挑战。用于太空产品开发的芯片最初以LC4封装发布到商业行业。为了向空间和高可靠性市场发布该产品，并符合MIL-PRF-38535标准，该部件使用最合适和可用的密封陶瓷封装进行组装。本文介绍了一种独特的解决方案和工艺教育，以通过键合提高RF性能。该产品开发过程带来了以下挑战：

最合适和可用的空间合格的气密密封陶瓷封装相对于最初发布的封装中的芯片具有较大的空腔。较大的空腔推动了将键合线长度增加一倍的需求，当与新封装的寄生效应相结合时，可能会导致器件不稳定。

即使没有发生不稳定，长键合线的寄生效应也会降低S参数。

本文回顾了用于克服这些挑战的不同方法，以及如何从新型密封陶瓷封装中实现最佳的稳定性和噪声系数性能。

项目描述和设计

为了在指定的18 GHz至31 GHz频率范围内提高稳定性和噪声系数，封装中集成了一个0 dB无源衰减器，以缩短RF输入/输出键合线长度。

在工程阶段构建了四种不同类型的电路配置，并根据LNA的关键参数进行了比较，包括稳定性、S参数和噪声系数。Mu（μ）稳定性因子用于测量和比较稳定性，如公式1所示。μ的大小是稳定性的衡量标准。μ系数越大，设备就越稳定。

四种LNA工程类型是：

英文1

LNA芯片简单地放置在封装的中心，并用双圆形键合线进行引线键合。正如预期的那样，由于封装寄生效应和键合线，在指定的工作频率范围内，μ稳定系数小于1，在某些频率下甚至接近1。为了实现整个频率范围内的稳定性，需要改进输入回波损耗（S11）。这将需要减少对LNA输入的寄生效应。这导致了Eng2的开发。

英文2

为了提高稳定性，在LNA的输入端增加了一个0 dB衰减器。在LNA输入端增加衰减器可改善输入匹配，从而改善输入回波损耗（S11）。结果，键合线也缩短了，这有助于减少寄生效应。

英语3和英语4

在这两种电路类型中，衰减器都放置在LNA芯片的输出端，以改善噪声系数。基于Friis级联噪声系数方程，第一级对总噪声的贡献最大，随后级的引入噪声除以前几级的增益。因此，输入噪声变得不那么重要。在此配置中，总噪声系数定义为：

其中 FT是总噪声系数，F液化天然气是LNA噪声系数，F收件人是衰减器的噪声系数，G液化天然气是LNA的增益。由于放大器级之后无源元件衰减器的损耗，增益降低也可能存在权衡。

在工程样品Eng3中，带状键合用于芯片间键合以及RF输入/输出键合。相比之下，样品 Eng4 LNA 和衰减器芯片使用双圆形键合线进行引线键合。使用带状键合与双圆的两种键合选项的仿真（使用ADS）显示，使用带状键合进行芯片间键合仅略微改善了输入回波损耗和增益。因此，为了确认模拟，对两种类型进行了组装和评估。

比较不同LNA键合配置的结果

英语3 和 Eng4 与英语 2

在输出端使用衰减器可改善输出回波损耗（S22），因为阻抗匹配使信号反射最小化。这反过来又改善了输出端的匹配，从而产生了更好的输出回波损耗。对于较低频率，具有较低增益的预期权衡是显而易见的，但在大于22 GHz的频率下，增益响应（S21）几乎相等，在一个Eng2样本中甚至更好，这可以通过单位间的变化来证明。

英语3 vs. 英语4

在比较带状焊丝与双圆形键合线样品时，由于带状键合中的趋肤效应和串扰较小，Eng3在整个频率范围内具有更好的性能。由于带状粘结的表面积与其横截面相比更大，因此它们的电阻更低，因此功率效率更高。测试结果表明，带状键合样品的增益性能略好，输入回波损耗几乎相等或可忽略不计，输出回波损耗明显优于双轮键合。

LNA 性能图

图 1 到图 4 说明了 Eng2、Eng3 和 Eng4 的两个配置单元的 S 参数。此数据是通过探测封装设备获得的。在评估该部件的粘合选项开始时确定不会考虑Eng1，因为模拟显示该配置将被证明是最不稳定的。

图5所示的噪声系数测试数据是在评估板上测量的。

图1.输入回波损耗 - 探头数据。

图2.输出回波损耗 - 探头数据。

图3.增益 - 探测数据。

图4.稳定性比较。

图5.噪音系数。

结论

射频工程，即所谓的黑魔法，只是一系列可预测的物理规则。

以下是本文中描述的LNA解锁此魔法的摘要：

对于因寄生效应而关注匹配和回波损耗的LNA，在封装腔体中加入衰减器是减少寄生效应和改善回波损耗的绝佳方法。但是，应考虑以下权衡：

输入端衰减器：增加噪声系数

输出衰减器：降低增益

通过在封装内战略性地放置衰减器来减少寄生效应，还可以改善S参数，S参数可用作使用μ因子测量稳定性，并且总体上有助于在整个频率范围内实现非条件稳定性。

在超高频（3 GHz < SHF < 30 GHz）操作中，与圆线相比，带状键合具有更好的性能。权衡将是装配的复杂性，需要考虑可制造性。

需要注意的是，这些结果可以根据基本的RF规则和公式进行预测。然而，在组装不同的器件类型之前，对ADS和Genesys中的两种芯片放置和不同的键合进行了仿真。评估的经验结果证实了模拟。

审核编辑：郭婷