八边形设计的优势:高速芯片的秘密
PAD,也就是焊盘,是芯片的重要组成部分。最终封装好的芯片,通过绑线把PAD与封装的PIN脚连接起来(举例是Wire Bond形式的芯片)。PAD的大小,和使用的绑线有很大关系。由于金线通过球焊的方式健合到PAD上,在压焊过程中,金线的末端的球会压变形为圆形薄饼形状,如下图。为了能够正常的打线,PAD的大小一般为绑线的2~3倍,比如绑线用1mil(25.4um,约为25um),PAD的大小为50um ~ 75um。
从电路设计及Layout角度看,PAD的尺寸越小越好,可以减少PAD对衬底的寄生电容,同时可以减小芯片的面积。在常见的芯片中,PAD一般设计成正方形或者长方形。为了打线时防止PAD剥落,PAD通常会用最上层金属、及次顶层金属通过VIA连接构成。对寄生没太大要求的PAD,除了最上面两层金属,还会把下面几层金属通过VIA也连上,或者只用上面两层金属,然后下面垫上几层和PAD一样大的浮空金属,可以在打线时起到缓冲作用。然而,在高速芯片设计中,多层金属结构的PAD,对衬底的寄生比较大,会影响高速性能。为此,通常只采用最顶层金属构成PAD。从可靠性角度考虑,最多采用最上面两层金属及VIA构成。在高速芯片中,经常会用到以下两种PAD,左边是正方形PAD,右边是八边形PAD。通常电源、地,低速电路用正方形PAD;高速相关的电路用八边形的PAD。
为什么连接高速电路用八边形PAD呢?根据上面PAD结构提到的,在高速芯片设计中,PAD对衬底的寄生电容,会影响高速性能。为了减少寄生,通常采用顶层金属做PAD。再根据上面PAD打线可以了解到,金线健合时会形成圆形薄饼形状。所以,为了进一步降低PAD对衬底的寄生电容,同时不影响打线,我们可以把PAD做成八边形。上面两个PAD开窗都是60um,正方形PAD的金属是66um x 66um;八边形(近似正八边形)的金属也是66um x 66um,每边大约27.3um。我们以下图寄生参数粗略计算正方形PAD、八边形PAD的寄生电容有多大。
C正方形 = 66um x 66um x 6 aF/um2 + 66um x 4 x 15 aF/um = 30.096 fFC八边形 = (27.3um x 66um/2 )/2 x 8 x 6 aF/um2 + 27.3um x 8 x 15 aF/um = 24.8976 fF从粗略计算得到的寄生电容值可知,八边形PAD的寄生电容会比正方形PAD的小17.27%。所以,高速芯片中,高速电路采用八边形的PAD,有益于高速性能。
参考资料:模拟电路版图的艺术(第二版)
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