專利名稱：一種光電集成封裝結(jié)構(gòu)的電性能優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子、電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光電集成封裝結(jié)構(gòu)的電性能優(yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
近些年來，隨著集成電路的特征尺寸進入納米尺度，封裝結(jié)構(gòu)的電性能對光電集成模塊和RF集成電路性能的影響也越來越大，封裝設(shè)計極大影響信號完整性，并可能使得電路在運行時失效。封裝結(jié)構(gòu)電性能主要包括焊盤、引線電阻，引線間絕緣電阻，焊盤、引線間電容及負載電容，焊盤、弓I線電感等等，必須加以檢測與控制，準(zhǔn)確和快速地估計封裝結(jié)構(gòu)中的串?dāng)_效應(yīng)影響。通過仿真手段對設(shè)計進行優(yōu)化可減少封裝結(jié)構(gòu)的雜散電感、電容和電阻以及由其產(chǎn)生的噪聲，降低成本。封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計必須精確地找到并分析潛在的串?dāng)_噪聲源，并進行比較分析。值得一提的是，相比于傳輸環(huán)節(jié)，端口環(huán)節(jié)(如焊盤與過孔)對封裝結(jié)構(gòu)電性能具有尤其重要的作用，這是由于除傳輸環(huán)節(jié)的串?dāng)_和損耗衰減外，焊盤與過孔是占絕大多數(shù)比重的噪聲源和反射源。因此焊盤通道串?dāng)_、信號串?dāng)_是信號完整性的關(guān)鍵。需要找到深入的研究方法對封裝結(jié)構(gòu)中的焊盤、過孔電性能等關(guān)鍵參數(shù)進行等效模擬與優(yōu)化設(shè)計。盡管光電集成發(fā)展了有一段時間了，但是隨著封裝技術(shù)的進步，光電封裝正朝著小型化，多模塊集成，亦就是系統(tǒng)集成(S0P)，甚至是系統(tǒng)與集成電路模塊直接集成(SIP)發(fā)展，迫切需要采用計算機輔助軟件設(shè)計封裝結(jié)構(gòu)。盡管Cadence和POWERPCB軟件也開發(fā)了相應(yīng)的封裝設(shè)計功能，但基本都是面對規(guī)?；臉I(yè)界，對于處于研發(fā)階段光電集成或者RF集成，還遠遠不能跟上。只能完成引腳布局、布線和元器件參數(shù)定置，做些電路功能仿真，不能系統(tǒng)和準(zhǔn)確地完成各頻率下串?dāng)_、噪聲等封裝性能的仿真量化、優(yōu)化設(shè)計。通常研發(fā)人員只能通過公式進行手動計算來彌補這一缺陷。現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是:運用公式公式進行手動計算的優(yōu)化設(shè)計，工作量大，精度差，效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而設(shè)計的一種光電集成封裝結(jié)構(gòu)的電性能優(yōu)化設(shè)計方法，將HFSS軟件應(yīng)用于封裝結(jié)構(gòu)的電性能模擬，通過與EWB或POWERPCB軟件協(xié)同仿真，運算信號輸入端口對其它信號端口以及焊盤與過孔和輸出信號的影響，從而優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)的高頻電源地層情況，使串?dāng)_與信號耦合降至最低，有效減少了封裝結(jié)構(gòu)的雜散電感、電容和電阻以及由其產(chǎn)生的噪聲，較好的解決了端口的通道串?dāng)_和信號串?dāng)_，提高封裝的電性能，有效避免失效，降低成本。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種光電集成封裝結(jié)構(gòu)的電性能優(yōu)化設(shè)計方法，其特點是該方法在進行光電器件和讀出IC模塊封裝電性能設(shè)計時，將HFSS軟件應(yīng)用于封裝結(jié)構(gòu)的電性能模擬，通過與EWB或POWERPCB軟件協(xié)同仿真，進行輸入端口信號焊盤串?dāng)_和干擾進行仿真，從而優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)電特性，具體優(yōu)化設(shè)計步驟如下: (1)建立封裝結(jié)構(gòu)的三維幾何模型
用HFSS軟件庫建立封裝結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，并標(biāo)注焊盤直徑、焊盤間距、襯底厚度、縫隙寬度和信號線寬的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
(2)建立RC等效電路
將上述三維幾何模型參數(shù)輸入HFSS仿真軟件，然后采用HFSS的有限元程序，結(jié)合封裝的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)捕獲該等效電路的電阻R和電容C，將電阻R和電容C與交流信號源S1組成串聯(lián)電路，并將不波器S2并聯(lián)到電容C兩端，由此建立該封裝I旲型的RC等效電路；
(3)三維幾何模型的仿真運算
采用HFSS仿真軟件對上述建立的三維幾何模型進行(T3GHZ掃頻仿真，得到該頻率下的噪聲值和串?dāng)_值；
(4)RC等效電路的仿真運算
采用EWB或POWERPCB電路仿真軟件對上述建立的RC等效電路進行仿真運算，得到瞬態(tài)性能、瞬態(tài)噪聲功率、電流靈敏度、電流相位靈敏度、電壓靈敏度和電壓相位靈敏度；
(5)優(yōu)化設(shè)計
分析上述仿真運算的結(jié)果，然后調(diào)整封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述(I) (4)步驟進行對比驗證和總結(jié)分析，直至封裝結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能指標(biāo)達到最佳。本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有多種軟件的特色與優(yōu)點，進行光電封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有精度高，使用方便，省略了人工運算步驟，通過設(shè)計仿真可以較好的解決信號端口和通道的串?dāng)_，減少封裝結(jié)構(gòu)的雜散電感、電容和電阻及其產(chǎn)生的噪聲，提高封裝結(jié)構(gòu)的電性能，有效避免失效，降低成本。


圖1為封裝結(jié)構(gòu)的RC等效電路圖
具體實施例方式( I)建立封裝結(jié)構(gòu)的三維幾何模型
打開Ansoft HFSS界面(所用版本為HFSS-9)，利用HFSS軟件庫建立封裝相鄰焊盤的三維幾何模型，并標(biāo)注焊盤直徑為100 um、焊盤間距為40um、襯底厚度為300um、縫隙寬度為12um和信號線寬為IOOum的結(jié)構(gòu)參數(shù)。(2)建立RC等效電路
參閱附圖1，將上述三維幾何模型參數(shù)輸入HFSS仿真軟件，然后采用HFSS的有限元程序，結(jié)合封裝的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)捕獲到該等效電路的電阻R為46.52 Ω，電容C為0.0125pF,將電阻R和電容C與交流信號源S1組成串聯(lián)電路，并將示波器S2并聯(lián)到電容C兩端，由此建立該封裝模型的RC等效電路。(3)三維幾何模型的仿真運算
使用“Analyze”命令在HFSS仿真軟件中對三維幾何模型進行(T3GHZ掃頻仿真，仿真成功后，右擊HFSS模型樹->Results->Create Report命令，先選中其中的S11進行參數(shù)讀取，得到3GHZ下S11值即為該頻率下的噪聲值；再選中S21進行讀取，得到3GHZ下S11值即即為該頻率下的串?dāng)_值，三維幾何模型在3GHZ下的噪聲值為-0.000319dB ;串?dāng)_值為_54.16dB。
(4) RC等效電路的仿真運算
打開EWB電路仿真軟件界面，輸入上述RC等效電路中交流信號源S1的幅度和頻率值以及電阻R和電容C的數(shù)值，把HFSS仿真軟件生成的等效電路移植入EWB界面，選擇“瞬態(tài)分析”進行模擬運算，運算結(jié)束后自動彈出瞬態(tài)曲線，在3GHZ頻率下讀出對應(yīng)瞬態(tài)噪聲功率數(shù)值為9e-19Watt ;用同樣方法選擇靈敏度分析，讀出3GHZ頻率下讀出對應(yīng)電流靈敏度為1E+10 A/unit ;瞬態(tài)性能:R=46.52 Ω, C=L 25e_llF ;電流相位靈敏度為-90度。電壓靈敏度為lE+12V/unit ;電壓相位靈敏度為-90度。(5)優(yōu)化設(shè)計
對上述運算結(jié)果記錄在仿真結(jié)果匯總表，然后調(diào)整封裝焊盤的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述(I) (4)步驟進行第一次優(yōu)化設(shè)計的對比驗證。A、第一次優(yōu)化設(shè)計
將焊盤直徑調(diào)整為50um ;間距調(diào)整為SOum ;其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。重復(fù)上述(I) (4)步驟，其仿真結(jié)果在3GHZ下的噪聲值為-0.010711dB ;串?dāng)_值為-26.81dB ;瞬態(tài)性能:R=65 Ω，C=5.98e-13F，瞬態(tài)噪聲功率8.5e-19ffatt ；電流靈敏度為1E+10 A/unit ；電流相位靈敏度為-150度；電壓靈敏度為lE+12V/unit ；電壓相位靈敏度為-150度，將仿真結(jié)果記錄在仿真結(jié)果匯總表進行分析，然后調(diào)整封裝焊盤的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述(I) (4)步驟進行第二次優(yōu)化設(shè)計的對比驗證。B、第二次優(yōu)化設(shè)計
將焊盤直徑調(diào)整為50um ;間距調(diào)整為40um ;其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。重復(fù)上述(I) (4)步驟，其仿真結(jié)果在3GHZ下的噪聲值為-0.065dB ;串?dāng)_值為_18dB ;瞬態(tài)性能:R=44.46 Ω，C=5E-12F，瞬態(tài)噪聲功率5e-19Watt ;電流靈敏度為5E+19A/unit ;電流相位靈敏度為-240度；電壓靈敏度為5E+llV/unit，電壓相位靈敏度為-240度，將仿真結(jié)果記錄在仿真結(jié)果匯總表進行分析，然后調(diào)整封裝焊盤的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述(I) (4)步驟進行第三次優(yōu)化設(shè)計的對比驗證。C、第三次優(yōu)化設(shè)計
將焊盤直徑調(diào)整為IOOum;間距調(diào)整為SOum ;其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。重復(fù)上述(I)
(4)步驟，其仿真結(jié)果在3GHZ下的噪聲值為-0.000062dB ;串?dāng)_值為_85dB ;瞬態(tài)性能:R=33.06 Ω，C=5.13e_12F，瞬態(tài)噪聲功率2e_20Watt ；電流靈敏度為5E+9A/unit ；電流相位靈敏度為-230度；電壓靈敏度為5E+llV/unit，電壓相位靈敏度為-230度，將仿真結(jié)果記錄在仿真結(jié)果匯總表進行分析，經(jīng)過3次循環(huán)的優(yōu)化設(shè)計，上述四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的仿真結(jié)果匯總?cè)缦卤硪唬?br> 表一:不同結(jié)構(gòu)封裝電性能仿真結(jié)果匯總
權(quán)利要求
1.一種光電集成封裝結(jié)構(gòu)的電性能優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于該方法在進行光電器件和讀出IC模塊封裝電性能設(shè)計時，將HFSS軟件應(yīng)用于封裝結(jié)構(gòu)的電性能模擬，通過與EWB或POWERPCB軟件協(xié)同仿真，進行輸入端口信號焊盤串?dāng)_和干擾進行仿真，從而優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)電特性，具體優(yōu)化設(shè)計步驟如下: (1)建立封裝結(jié)構(gòu)的三維幾何模型 用HFSS軟件庫建立封裝結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，并標(biāo)注焊盤直徑、焊盤間距、襯底厚度、縫隙寬度和信號線寬的結(jié)構(gòu)參數(shù)； (2)建立RC等效電路 將上述三維幾何模型參數(shù)輸入HFSS仿真軟件，然后采用HFSS的有限元程序，結(jié)合封裝的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)捕獲該等效電路的電阻R和電容C，將電阻R和電容C與交流信號源S1組成串聯(lián)電路，并將不波器S2并聯(lián)到電容C兩端，由此建立該封裝I旲型的RC等效電路； (3)三維幾何模型的仿真運算 采用HFSS仿真軟件對上述建立的三維幾何模型進行(T3GHZ掃頻仿真，得到該頻率下的噪聲值和串?dāng)_值； (4)RC等效電路的仿真運算 采用EWB或POWERPCB電路仿真軟件對上述建立的RC等效電路進行仿真運算，得到瞬態(tài)性能、瞬態(tài)噪聲功率、電流靈敏度、電流相位靈敏度、電壓靈敏度和電壓相位靈敏度； (5)優(yōu)化設(shè)計 分析上述仿真運算的結(jié)果，然后調(diào)整封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述(I) (4)步驟進行對比驗證和總結(jié)分析，直至封裝結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能指標(biāo)達到最佳。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光電集成封裝結(jié)構(gòu)的電性能優(yōu)化設(shè)計方法，其特點是該方法在進行光電器件和讀出IC模塊封裝電性能設(shè)計時，將HFSS軟件應(yīng)用于封裝結(jié)構(gòu)的電性能模擬,通過與EWB或POWERPCB軟件協(xié)同仿真，進行輸入端口信號焊盤串?dāng)_和干擾進行仿真，從而優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)電特性。本發(fā)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有精度高、使用方便，省略了人工運算步驟，通過設(shè)計仿真可以較好的解決了信號端口和通道的串?dāng)_，減少封裝結(jié)構(gòu)的雜散電感、電容和電阻及其產(chǎn)生的噪聲，提高封裝結(jié)構(gòu)的電性能，有效避免失效，降低成本。
文檔編號G06F17/50GK103106310SQ20131005292
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月19日
發(fā)明者葛羽屏, 郭方敏, 鄭正奇 申請人:華東師范大學(xué)