Ein umfassender Weg zur Verwendung von Bonding für die Verbesserung der HF-Leistung von rauscharmen Verstärkern
Mahsa Kia, Ingenieurin für Testentwicklung in der Luft- und Raumfahrt bei ADI
Ist Hoch-Frequenz-Technik eine Form von schwarzer Magie?
Dieser Artikel analysiert die Herausforderungen bei der Entwicklung des ADH519S, eines rauscharmen Verstärkers (LNA – Low Noise Amplifier) für den Bereich 18 GHz bis 31 GHz, für den Luft- und Raumfahrtmarkt. Der in der Produktentwicklung für die Raumfahrt verwendete Chip wurde ursprünglich für die kommerzielle Industrie im LC4-Gehäuse freigegeben. Um dieses Produkt für den Raumfahrt- und Hochzuverlässigkeitsmarkt freizugeben und den MIL-PRF-38535-Standards zu entsprechen, wurde dieses Bauteil mit dem am besten geeigneten und verfügbaren hermetisch versiegelten Keramikgehäuse bestückt. In diesem Artikel wird eine einzigartige Lösung und Prozeßausbildung zur Verbesserung der HF-Leistung durch Bonden vorgestellt. Dieser Produktentwicklungsprozeß stellte die folgenden Herausforderungen dar:
- Das am besten geeignete und verfügbare hermetisch versiegelte Keramikgehäuse hatte einen großen Hohlraum im Verhältnis zum Chip im ursprünglich freigegebenen Gehäuse. Der größere Hohlraum führte dazu, daß die Länge der Bonddrähte verdoppelt werden mußte, was in Verbindung mit den parasitären Eigenschaften des neuen Gehäuses zu einer Instabilität des Geräts führen konnte.
- Selbst wenn keine Instabilität auftrat, konnten die Parasitika der langen Bonddrähte die S-Parameter verschlechtern.
In diesem Artikel werden die verschiedenen Methoden zur Bewältigung dieser beiden Herausforderungen und zur Erzielung der besten Stabilität und Rauschzahlleistung des neuen hermetisch versiegelten Keramikgehäuses vorgestellt.
Projektbeschreibung und Design
Um eine verbesserte Stabilität und Rauschzahl über den spezifizierten Frequenzbereich von 18 GHz bis 31 GHz zu erreichen, wurde ein passives 0-dB-Dämpfungsglied in das Gehäuse integriert, um die HF-Eingangs-/Ausgangs-Bonddrahtlänge zu verkürzen.
Während der Entwicklungsphase wurden 4 verschiedene Arten von Schaltungskonfigurationen aufgebaut und hinsichtlich der kritischen Parameter eines LNAs verglichen, zu denen Stabilität, S-Parameter und Rauschzahl gehören. Der Stabilitätsfaktor Mu (µ) wurde zur Messung und zum Vergleich der Stabilität verwendet, wie in Gleichung 1 dargestellt. Die Größe von µ ist ein Maß für die Stabilität. Je größer der µ-Faktor ist, desto stabiler ist das Gerät.
Die vier LNA-Engineering-Typen sind:
Eng1
Der LNA-Die wurde einfach in der Mitte des Gehäuses positioniert und mit doppelten Rundbonddrähten verdrahtet. Wie erwartet, war der µ-Stabilitätsfaktor über den spezifizierten Betriebsfrequenzbereich aufgrund von Gehäuseparasiten und Bonddrähten kleiner als 1 und bei einigen Frequenzen sogar nahe bei 1. Um die Stabilität über den Frequenzbereich zu erreichen, war eine Verbesserung der Eingangsrückflussdämpfung (S11) erforderlich. Dies würde eine Reduzierung der Parasitika am Eingang des LNA erfordern. Dies führte zur Entwicklung von Eng2.
Eng2
Um die Stabilität zu verbessern, wurde ein 0-dB-Dämpfungsglied am Eingang des LNAs hinzugefügt. Durch das Hinzufügen des Dämpfungsglieds am LNA-Eingang wird die Eingangsanpassung verbessert, was zu einer verbesserten Eingangsrückflussdämpfung (S11) führt. Infolgedessen wurden auch die Bonddrähte verkürzt, was zu einer Verringerung der Störeinflüsse beitrug.
Die Eingangsrückflussdämpfung wurde verbessert, aber aufgrund des Stroms und des thermischen Rauschens der passiven Komponenten des Dämpfungsglieds entsprach die Rauschzahl nicht den Spezifikationen für dieses Gerät. Um die Rauschzahl zu verbessern, wurden die Konfigurationen Eng3 und Eng4 entworfen und bewertet.
Eng3 und Eng4
In beiden Schaltungstypen wurde das Dämpfungsglied am Ausgang des LNA-Die platziert, um die Rauschzahl zu verbessern. Basierend auf der Friis-Gleichung für die kaskadierte Rauschzahl trägt die erste Stufe am meisten zum Gesamtrauschen bei, und das in die folgenden Stufen eingeführte Rauschen wird durch die Verstärkung der vorherigen Stufen geteilt. Infolgedessen wird das Eingangsrauschen weniger bedeutend. In dieser Konfiguration ist die Gesamtrauschzahl definiert als:
Dabei ist FT die Gesamtrauschzahl, FLNA ist die LNA-Rauschzahl, FATTN ist die Rauschzahl des Dämpfungsglieds und GLNA ist die Verstärkung des LNA. Es gibt auch einen möglichen Kompromiß der Verstärkungsreduzierung aufgrund des Verlusts in der passiven Komponente Dämpfungsglied nach der Verstärkerstufe.
Im Entwicklungsbeispiel Eng3 wurden Ribbon-Bonds für das Die-to-Die-Bonding sowie für die HF-In/Out-Bonds verwendet. Im Gegensatz dazu wurden im Muster Eng4 LNA- und Dämpfungs-Die mit doppelten Rundbonddrähten gebondet. Simulationen (mit ADS) der beiden Bond-Optionen (Ribbon vs. Double Round) ergaben, daß die Eingangsrückflussdämpfung und die Verstärkung beim Die-to-Die-Bonden mit Ribbon-Bonds nur geringfügig verbessert wurden. Um die Simulationen zu bestätigen, wurden daher beide Typen bestückt und ausgewertet.
Vergleich der Ergebnisse von verschiedenen LNA-Bonding-Konfigurationen
Eng3 und Eng4 vs. Eng2
Der Einsatz des Dämpfungsglieds am Ausgang verbessert die Ausgangsrückflussdämpfung (S22), da die Signalreflexionen aufgrund der Impedanzanpassung minimiert werden. Dies wiederum verbessert die Anpassung am Ausgang und führt folglich zu einer besseren Ausgangsrückflussdämpfung. Der erwartete Kompromiß einer geringeren Verstärkung war bei niedrigeren Frequenzen offensichtlich, aber bei Frequenzen über 22 GHz war die Verstärkungsreaktion (S21) fast gleich und bei einer Eng2-Probe sogar besser, was durch Abweichungen von Einheit zu Einheit begründet werden kann.
Eng3 vs. Eng4
Beim Vergleich von Bändchenbonds mit Doppelrundbond-Drahtproben zeigte Eng3 eine bessere Leistung über den gesamten Frequenzbereich, was auf den geringeren Skin-Effekt und das Übersprechen bei Bändchenbonds zurückzuführen ist. Da Bändchenbonds eine größere Oberfläche im Vergleich zu ihrem Querschnitt haben, weisen sie einen geringeren Widerstand und damit eine höhere Leistungseffizienz auf. Die Testergebnisse zeigten, daß die Bändchenbond-Proben eine etwas bessere Verstärkungsleistung und eine fast gleiche oder vernachlässigbar verbesserte Eingangsrückflussdämpfung aufwiesen und eine deutlich bessere Ausgangsrückflussdämpfung als Doppelrundbond hatten.
LNA-Leistungsdiagramme
Abbildung 1 bis Abbildung 4 zeigen die S-Parameter für zwei Konfigurationseinheiten für Eng2, Eng3 und Eng4. Diese Daten wurden durch Abtasten der verpackten Bauteile gewonnen. Zu Beginn der Evaluierung der Bonding-Optionen für dieses Bauteil wurde festgelegt, daß Eng1 nicht in Betracht gezogen wird, da Simulationen ergaben, daß sich diese Konfiguration als die instabilste erweisen würde.
Die in Abbildung 5 gezeigten Rauschzahl-Testdaten wurden auf einem Evaluation Board gemessen.
Abbildung 1. Eingangsrückflussdämpfung – Testdaten.
Abbildung 2. Ausgangsrückflussdämpfung – Testdaten.
Abbildung 3. Verstärkung – Messfühlerdaten.
Abbildung 4. Stabilitätsvergleich.
Abbildung 5. Rauschzahl.
Fazit
Die HF-Technik, die sogenannte schwarze Magie, ist nur eine Reihe von vorhersehbaren physikalischen Regeln.
Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der Entschlüsselung dieser Magie für den in diesem Artikel beschriebenen LNA:
- Für LNAs, bei denen Anpassung und Rückflussdämpfung aufgrund von Parasiten ein Problem darstellen, ist die Integration eines Dämpfungsglieds in den Gehäusehohlraum eine hervorragende Methode zur Reduzierung von Parasiten und zur Verbesserung der Rückflussdämpfung. Dabei sollten jedoch die folgenden Kompromisse berücksichtigt werden:
- Dämpfungsglied am Eingang: erhöht die Rauschzahl
- Dämpfungsglied am Ausgang: senkt die Verstärkung
- Die Verringerung von Störgrößen durch die strategische Platzierung des Dämpfungsglieds innerhalb des Gehäuses verbessert auch die S-Parameter, die als Maß für die Stabilität unter Verwendung des µ-Faktors verwendet werden können und insgesamt dazu beitragen, eine nicht bedingte Stabilität über den Frequenzbereich zu erreichen.
- Im Superhochfrequenzbereich (3 GHz < SHF < 30 GHz) haben Bändchenbonds im Vergleich zu Runddrähten eine bessere Performance. Der Kompromiß wäre die Komplexität der Montage, bei der die Herstellbarkeit berücksichtigt werden muss.
Es ist wichtig anzumerken, daß diese Ergebnisse auf der Grundlage grundlegender HF-Regeln und -Formeln hätten vorhergesagt werden können. Bevor jedoch die verschiedenen Gerätetypen zusammengebaut wurden, wurden Simulationen für die beiden Die-Platzierungen und unterschiedliche Bondings in ADS und Genesys durchgeführt. Die empirischen Ergebnisse der Auswertungen bestätigten die Simulationen.
Über den Autor
Mahsa Kia schloß ihr Studium der Elektrotechnik an der North Carolina State University ab und besitzt außerdem ein IC-Design-Zertifikat der UC Berkeley. Sie kam 2017 als neue Hochschulabsolventin zu ADI. Derzeit ist sie als Testentwicklungsingenieurin in der Space and High Reliability Group tätig und arbeitet an verschiedenen Arten von Geräten. Sie kann unter mahsa.kia@analog.com erreicht werden.