CN102156235B - 射频电路中电感的短路测试装置及短路测试方法 - Google Patents

Abstract

一种射频电路中电感的短路测试装置及短路测试方法：第一金属连线区本体包括第一本体、位于第一本体一侧中部的第一接地金属、及分别位于第一本体另一侧两端的两个第一金属测试衬垫；第二金属连线区本体与第一金属连线区本体结构对称，包括第二本体、第二接地金属、及两个第二金属测试衬垫；分别位于第一金属测试衬垫和第二金属测试衬垫之间的两个第三金属测试衬垫；连接结构对称连接第一金属连线区本体和第二金属连线区本体；两个第三金属测试衬垫和连接结构之间分别通过两条引线相连接；连接结构的长度和宽度使得连接结构的短路寄生电阻和短路寄生电感小于影响测试电感准确性的电特性参数值。本发明精确的测量测试装置的短路寄生电阻值和短路寄生电感值。

Description

射频电路中电感的短路测试装置及短路测试方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的测试装置和方法，特别涉及一种射频电路中电感的短路测试装置及短路测试方法。

背景技术

目前，电感已经成为诸如压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)、低噪声放大器(Low-Noise Amplifier，LAN)和混频器(Mixer)等射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)中的重要组成器件，电感越来越受到人们的重视。电感包括螺旋电感和差分电感。当采用半导体器件制程技术制作完电感后，就需要对电感进行测试，方式为采用引线和测试衬垫构建测试装置，通过测试装置中的引线将所制成的电感电连接到测试衬垫上，测量得到电感的电特性参数。由于测试装置中的测试衬垫及电连接电感的引线会产生寄生电阻、寄生电容和寄生电感，会影响测试电感性能的准确性，所以需要再对测试装置进行开路和短路测试，得到引起误差的电特性参数后，采用得到的电感的电特性参数去除引起误差的电特性参数，得到准确的电感的电特性参数。

以下采用螺旋电感举例说明如何得到准确的电感的电特性参数，差分电感只是在形状上和螺旋电感不同，但是测试得到准确的电感的电特性参数过程相似。

图1为现有的测试装置示意图，该测试装置一般在所制作电感的同一金属层上，称为顶部金属层，为了描述方便，在图中画出了螺旋电感。

螺旋电感113由金属线在顶部金属层从外向内缠绕而成。螺旋电感113的外端接测试装置的第一引线111，内端连接测试装置的第二引线112。由于在同一金属层上内端和测试装置的第二引线112之间存在螺旋电感113的金属线，所以在连接时可以先将内端通过通孔引入到其他金属层，比如比顶部金属层次低一层的金属层后，延伸跨过螺旋电感113的金属线后，再通过通孔连接回到顶部金属层，与测试装置的第二引线112连接。

在图1中，测试装置包括：

第一金属连线区本体101，包括：带状且两端分别向一侧延伸的第一本体、位于第一本体中部的第一接地金属103、及分别位于第一本体的两端延伸部的两个第一金属测试衬垫105、106；

第二金属连线区本体102，与第一金属连线区本体101结构对称，包括：第二本体、第二接地金属104、及两个第二金属测试衬垫107、108；

分别位于在第一金属测试衬垫105、106和第二金属测试衬垫107、108之间的两个对称的第三金属测试衬垫109、110；

两个对称的第三金属测试衬垫109、110分别通过第一引线111和第二引线112与螺旋电感113相连接。

在图1中，为了避免电流流过第一金属连线区本体101或第二金属连线区本体102的直角时的损耗，在第一、第二本体和两端延伸部连接处形成直角倒角，第一接地金属103的宽度与第一金属连线区本体101的宽度相同或略小于，第二接地金属104的宽度与第二金属连线区本体102的宽度相同或略小于。

第一金属测试衬垫105、106，及第二金属测试衬垫107、108的宽度与第一金属连线区本体101及第二金属连线区本体102的延伸部的宽度相同，且一侧与第一金属连线区本体101及第二金属连线区本体102的延伸部的一侧平齐。

第一接地金属103和第二接地金属104分别通过通孔与下方的顶部金属层上相同区域的接地金属相连，直到半导体器件最下方的有源区。第一金属测试衬垫，第二金属测试衬垫和第三金属测试衬垫也依次和比顶部金属层次低一层的金属层上相同区域的金属测试衬垫相连，直到半导体器件的第一金属层。

在进行螺旋电感的电特性参数测试时，得到准确的电特性参数的过程的具体步骤为：

步骤101、按照图1的结构，测量螺旋电感的电特性参数，该电特性参数为器件散射参数矩阵S_{_total}。

本步骤中，先把图1中第一接地金属103，第二接地金属104，第一金属测试衬垫105、106，第二金属测试衬垫107、108接地，再在第三金属测试衬垫109、110上加载测试信号，测量得到螺旋电感113的器件散射参数矩阵S_{_total}。

本步骤中，S_{_total}是用Cascade半自动探针台(Semi-auto Probe Station)和Agilent微波网络矢量分析仪(PNA)测量得到。

本步骤中，散射参数矩阵S的形式是 $\left(\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right).$

步骤102、对测试装置进行开路测试，得到开路的第三金属测试衬垫、第一引线和第二引线的寄生电容参数，即开路引线的散射参数矩阵S_{_open}。

本步骤中，采用如图2所示的开路测试装置进行测量，该开路测试装置去除了螺旋电感113，其余的与图1相同。测量时，先把第一接地金属103、第二接地金属104，第一金属测试衬垫105、106，第二金属测试衬垫107、108，再在第三金属测试衬垫109、110上加载测试信号，测量得到开路引线时第三金属测试衬垫109、110，第一引线111和第二引线112的寄生电容参数和寄生电阻参数。

本步骤中，S_{_open}是用SPS和PNA测量得到。

步骤103、根据步骤101和步骤102分别得到的电特性参数，去除第三金属测试衬垫、第一引线和第二引线产生的寄生电容参数。

本步骤中，先把步骤101和步骤102得到的S_{_total}和S_{_open}分别转换成对应的导纳矩阵Y_{_total}和Y_{_open}(转换过程为现有技术，这里不再赘述)。再用Y_{_total}减去Y_{_open}，得到的Y_{_od}就是去除了第三金属测试衬垫和第一、第二引线产生的寄生电容参数的导纳矩阵：

Y_{_od}＝Y_{_total}-Y_{_open}       (0.1)

导纳矩阵Y的形式是 $\left(\begin{array}{cc}{Y}_{11}& Y_{12}\\ Y_{21}& Y_{22}\end{array}\right).$

本步骤中，S_{_total}和S_{_open}分别转换成对应的导纳矩阵Y_{_total}和Y_{_open}是用软件ICCAP进行的。

步骤104、对测试装置进行短路测试，得到短路的第三金属测试衬垫、第一引线和第二引线产生的短路寄生电感和寄生电阻参数，即测量短路引线的散射参数矩阵S_{_short}。

本步骤中，采用如图3所示的短路测试装置进行测量，该短路测试装置去除了螺旋电感113，将第一引线111和第二引线112之间通过宽度8微米的第一金属连线114相连，使第一引线111和第二引线112短路但不改变左、右引线的距离；第一接地金属103和第一接地金属104之间通过宽度8微米的第二金属连线相连，且两条金属连线以十字交叉结构相连接，其余的部分和图1相同。

测量时，第一金属测试衬垫105、107，第一金属测试衬垫、108都接地。在第三金属测试衬垫109、110上加载测试信号。测量所得短路引线时第三金属测试衬垫109、110和第一引线111和第二引线112的S_{_short}散射参数矩阵。

本步骤中，散射参数矩阵S_{_short}是用SPS和PNA测量得到。

本步骤中，现有的测试装置短路等效电路示意图如图4所示，第三金属测试衬垫109、第一引线111存在相串联的寄生电感L₁和寄生电阻R₁；第三金属测试衬垫110、第二引线112存在相串联的寄生电感L₂和寄生电阻R₂；第二金属连线区本体102、第二接地金属104、第二金属测试衬垫107、108及第二金属连线115的下端到交叉点存在相串联的寄生电感L₄和寄生电阻R₄；第一金属连线区本体101、第一接地金属103、第一金属测试衬垫105、106及第二金属连线115的上端到交叉点存在相串联的寄生电感L₃和寄生电阻R₃。这四组相互串联的寄生电感和寄生电阻之间互相连接。

在散射参数矩阵S_{_short}的测量中，由于连接第一、第二接地金属的第二金属连线115的长度设计为300微米，宽度为80微米，此金属连线的寄生电感较大，且第一、第二金属连线区、金属测试衬垫之间的距离在最大处也达到300微米。因此寄生电阻R₃、R₄和寄生电感L₃、L₄对寄生电阻R₁、R₂和寄生电感L₁、L₂的影响使散射参数矩阵S_{_short}的值不仅仅由第一、第二引线和与之相连的第三金属测试衬垫产生的寄生电阻R₁、R₂和寄生电感L₁、L₂决定，而且由第二金属线115的寄生电阻R₃、R₄和寄生电感L₃、L₄决定。此外，第一引线111、第二引线112之间的第一金属连线114的宽度设计为80微米，长度为202.5微米，其产生的寄生电阻也不可忽略。因此，本步骤中测量的散射参数矩阵S_{_short}不能反映第三金属测试衬垫和第一引线111、第二引线112产生的寄生电阻和寄生电感的准确值，而是反应了包括第三金属测试衬垫109、110和第一引线111、第二引线112、第二金属线115及第一金属线114的寄生电感和寄生电阻值。

步骤105、根据步骤103和步骤104分别得到的电特性参数，去除第三金属测试衬垫和第一、第二引线产生的寄生电阻和寄生电感，计算得到准确的螺旋电感的电特性参数，包括电阻值、电感值及品质因数。

本步骤中，先把步骤103中得到的Y_{_od}和步骤104中得到的散射参数矩阵S_{_short}分别转换为阻抗矩阵Z_{_od}和Z_{_short}，再用Z_{_od}减去Z_{_short}，得到的Z_{_osd}为去除了左、右第一金属测试衬垫和第一引线111、第二引线112产生的寄生电阻和寄生电感的阻抗矩阵：

Z_{_osd}＝Z_{_od}-Z_{_short}   (0.2)

最后通过Z_{_osd}转换的散射参数矩阵或导纳矩阵的计算得到单纯的电感器件的电感值、电阻值和品质因数。

本步骤中，对于螺旋电感，其电感值、电阻值和品质因数的计算公式如下：

电感L＝Imag(1/Y₁₁)/(2π*freq)；

电阻R＝Real(1/Y₁₁)；

品质因数Q＝-Imag(Y₁₁)/Real(Y₁₁)；其中，Y₁₁是导纳矩阵第一行第一列的元素，freq是测试信号的频率。

对于差分电感，令S_d＝(S₁₁-S₁₂-S₂₁+S₂₂)/2，Z_d＝2*Z₀*(1+S_d)/(1-S_d)，其中Z₀＝50欧姆，电感、电阻和品质因数的计算公式如下：

电感：L_d＝Imag(Z_d)/(2π*freq)；

电阻：R_d＝real(Z_d)；

品质因数Qd＝Imag(Z_d)/real(Z_d)，其中，freq是测试信号的频率。

从上述测试电感的方案可以看出，在采用测试装置的短路测试时，由于需要采用两条用于短路测试装置的金属连线，使得测试得到的寄生电感和寄生电阻值还包括了这两条金属连线的寄生电感和寄生电阻值，从而使得测试得到的寄生电感和寄生电阻值不够准确，从而在测试电感的电特性参数时去除的寄生电感和寄生电阻值不够准确，无法得到更准确的电感的电特性参数。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种射频电路中电感的短路测试装置及短路测试方法，能够精确的测量测试装置的短路寄生电阻值和短路寄生电感值，从而在测试电感的电特性参数时去除，得到更准确的电感的电特性参数。

为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种射频电路中电感的短路测试装置，包括：第一金属连线区本体，包括第一本体、位于第一本体一侧中部的第一接地金属、及分别位于第一本体另一侧两端的两个第一金属测试衬垫；

第二金属连线区本体，与第一金属连线区本体结构对称，包括第二本体、第二接地金属、及两个第二金属测试衬垫；

分别位于第一金属测试衬垫和第二金属测试衬垫之间的两个第三金属测试衬垫；

连接结构，对称连接第一金属连线区本体和第二金属连线区本体；

两个第三金属测试衬垫和连接结构之间分别通过两条引线相连接；

所述连接结构的长度和宽度使得连接结构的短路寄生电阻和短路寄生电感小于影响测试电感准确性的电特性参数值。

所述第一金属连线区本体或第二金属连线区本体的长度范围分别为267.5微米到297.5微米。

所述连接结构的中间宽度为引线之间的宽度，且逐渐扩展朝向第一本体及第二本体的宽度。

所述扩展朝向第一本体及第二本体的宽度为60微米到100微米。

所述逐渐扩展朝向第一本体及第二本体的宽度为：

采用斜边扩展，从中间的宽度逐渐扩展到朝向第一本体及第二本体的宽度，斜边的夹角范围为30度到45度。

一种射频电路中电感的短路测试方法，该方法包括：

将第一接地金属、第二接地金属、第一金属测试衬垫和第二金属衬垫接地；

在第三金属测试衬垫上加载测试信号，测量测试装置的短路电特性参数。

所述短路特性参数为短路寄生电阻值和短路寄生电感值。

由上述的技术方案可见，本发明通过改变射频电路中电感的短路测试装置中用于短路的连接结构的形状并减小第一、第二引线的距离，使得短路测试所需的连接结构所产生的寄生电阻和寄生电感减小，甚至可以忽略，精确的测量测试装置的短路寄生电阻值和短路寄生电感值，从而在测试电感的电特性参数时去除，得到更准确的电感的电特性参数。

附图说明

图1为现有的测试装置示意图；

图2为现有的测试装置开路示意图；

图3为现有的测试装置短路示意图；

图4为现有的测试装置短路等效电路示意图；

图5为本发明提供的短路测试装置示意图；

图6为现有的测试装置短路等效电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

从现有技术可以看出，为了测量得到更准确的电感的电特性参数，就需要对测试装置的寄生电阻、电感和电容进行测试后，测得电感的电特性参数去除测试装置的寄生电阻、电感和电容。而测试装置的寄生电阻和电感是通过对短路测试装置的测量得到的。在进行时，由于测试装置短路的需要，要在短路测试装置中设置两条金属互连线，而这两条金属互连线又会产生寄生电阻和寄生电感，从而影响所测试得到的测试装置短路寄生电阻值和短路寄生电感值的准确性，最终影响无法测量得到更准确的电感的电特性参数。

因此，本发明重新设置了电感的短路测试装置，通过其中的用于短路的连接结构的形状并减小第一、第二引线的距离，使得短路测试所需的连接结构所产生的寄生电阻和寄生电感减小，甚至可以忽略，精确的测量测试装置的短路寄生电阻值和短路寄生电感值，从而在测试电感的电特性参数时去除，得到更准确的电感的电特性参数。

由于螺旋电感和差分电感采用的测试装置相同，所以以螺旋电感为例进行详细说明。

图5为本发明提供的短路测试装置示意图，该结构包括：

第一金属连线区本体201，包括第一本体、位于第一本体一侧中部的第一接地金属103、及分别位于第一本体另一侧两端的两个第一金属测试衬垫105、106；

第二金属连线区本体202，与第一金属连线区本体201结构对称，包括第二本体、第二接地金属104、及两个第二金属测试衬垫107、108；

分别位于第一金属测试衬垫105、106和第二金属测试衬垫107、108之间的两个第三金属测试衬垫109、110；

连接结构215，对称连接第一金属连线区本体201和第二金属连线区本体202；

两个第三金属测试衬垫109、110和连接结构215之间分别通过两条引线111、112相连接；

所述连接结构的长度和宽度使得连接结构的短路寄生电阻和短路寄生电感小于影响测试电感准确性的电特性参数值。

在该实施例中，第一本体或第二本体的长度范围分别为267.5微米到297.5微米。

所述连接结构的中间宽度为引线之间的宽度，且逐渐扩展朝向第一本体及第二本体的宽度，扩展朝向第一本体及第二本体的宽度为60微米到100微米，逐渐扩展朝向第一本体及第二本体的宽度为：采用斜边扩展，从中间的宽度逐渐扩展到朝向第一本体及第二本体的宽度，斜边的夹角范围为30度到45度。

较佳地，第一金属连线区本体201和第二金属连线区本体202的长度小于现有相应长度，且第一金属连线区本体201朝向第二金属连线区本体202的一边向第二金属连线区本体202方向，扩展至与第一金属测试衬垫105、106平齐，第二金属连线区本体202朝向第一金属连线区本体201的一边向第一金属连线区本体201方向扩展至与第二金属测试衬垫107、108平齐。

在图5中，第一接地金属103和第一接地金属104的形状和大小以及相对位置和图2相同。第一金属测试衬垫105、106和左、右第二金属测试衬垫107、108各自的大小和形状以及相对位置也不发生改变。

由于上述结构中金属连线区本体宽度的扩展，连接结构215的长度也随之变小。考虑到要尽量减小连接结构215的短路寄生电阻值和短路寄生电感值，使其忽略不计，就要尽可能增大连接结构215的宽度。因此，较佳地，连接结构215采用上、下两个梯形加一个长方形的组合结构。梯形的形状是：长底边的长度为150微米左右，长底边和斜边的内夹角为45度，短底边的长度为70微米；长方形的横边长度为梯形的短底边长度，纵边宽度为上、下梯形的短底边之间的距离。

在图5中，两条引线111、112之间的距离比现有技术设置的小，第三金属测试衬垫109的大小和形状以及其相对第一引线111的位置不发生改变，第三金属测试衬垫110的大小和形状以及其相对第二引线112的位置也不发生改变。

在对本发明的短路测试装置进行测量时，方法和现有技术的相同，这里不再赘述，从而得到短路的第三金属测试衬垫和第一、第二引线的短路寄生电感值和短路寄生电阻值参数，即测量短路引线的散射参数矩阵S_{_short}。

本步骤中，本发明提供的测试装置短路等效电路示意图如图6所示，第三金属测试衬垫109和第一引线111存在相串联的寄生电感L₁和寄生电阻R₁；第三金属测试衬垫110和第二引线112存在相串联的寄生电感L₂和寄生电阻R₂；而第二金属连线区本体202、第二接地金属104、第二金属测试衬垫107、第二金属测试衬垫108以及连接结构215的下端到第一、第二引线与连接结构215的接触点存在相串联的寄生电感L₄和寄生电阻R₄可以忽略不计。

第一金属连线区本体201、第一接地金属103、第一金属测试衬垫105、第一金属测试衬垫106及连接结构215的上端到第一、第二引线与连接结构215的接触点存在相串联的寄生电感L₃和寄生电阻R₃也可以忽略不计。

这四组相互串联的短路寄生电感和短路寄生电阻之间互相连接。一段金属线的长度越短，宽度越宽，那么它的寄生电阻值和寄生电感值就越小。在散射参数矩阵S_{_short}的测量中，由于连接结构215采用上、下两个梯形加一个长方形的组合结构，使连接结构215的横向宽度为70微米(长方形宽度)到150微米(梯形的长底边)，且其长度也由于第一、第二金属连线区本体宽度的增加而减小为150微米(第一、第二金属连线区本体到引线的距离分别为75微米)，因此寄生电阻R₃、R₄和寄生电感L₃、L₄对寄生电阻R₁、R₂和寄生电感L₁、L₂的影响大大减小，从而可以忽略不计。

此外，第一、第二引线之间的距离缩短为70微米，与之相连的连接结构215产生的电阻相比现有技术的长202.5微米宽8微米的金属连线产生的电阻也会减小，其对寄生电阻R₁、R₂的影响也相应减小。

因此，本步骤中测量的散射参数矩阵S_{_short}能够真实反映寄生电阻R₁、R₂和寄生电感L₁、L₂的准确值，也就是说，反应了测试装置的准确的寄生电阻和寄生电感值，就是短路的第三金属测试衬垫分别和第一、第二引线的寄生电感和电阻参数。

用该短路测试装置按照现有的方法进行电感的测试装置的短路测试，得到的寄生电阻和寄生电感值准确，从而最终计算得到的电感的电特性值也准确，至于如何进行测试及计算得到寄生电阻和寄生电感值都是现有技术，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种射频电路中电感的短路测试装置，包括：

第一金属连线区本体，包括第一本体、位于第一本体一侧中部的第一接地金属、及分别位于第一本体另一侧两端的两个第一金属测试衬垫；

第二金属连线区本体，与第一金属连线区本体结构对称，包括第二本体、第二接地金属、及两个第二金属测试衬垫；

分别位于第一金属测试衬垫和第二金属测试衬垫之间的两个第三金属测试衬垫；

连接结构，对称连接第一金属连线区本体和第二金属连线区本体；

两个第三金属测试衬垫和连接结构之间分别通过两条引线相连接；

所述连接结构的长度和宽度使得连接结构的短路寄生电阻和短路寄生电感小于影响测试电感准确性的电特性参数值;

所述连接结构的中间宽度为引线之间的宽度，且逐渐扩展朝向第一本体及第二本体的宽度,所述逐渐扩展朝向第一本体及第二本体的宽度为：

采用斜边扩展，从中间的宽度逐渐扩展到朝向第一本体及第二本体的宽度，斜边的夹角范围为30度到45度，所述扩展朝向第一本体及第二本体的宽度为60微米到100微米。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一金属连线区本体或第二金属连线区本体的长度范围分别为267.5微米到297.5微米。

3.一种利用权利要求1的测试装置的射频电路中电感的短路测试方法，该方法包括：

将第一接地金属、第二接地金属、第一金属测试衬垫和第二金属衬垫接地；

在第三金属测试衬垫上加载测试信号，测量测试装置的短路电特性参数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述短路特性参数为短路寄生电阻值和短路寄生电感值。

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