CN103278701A - 一种测量键合金丝散射参数的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量键合金丝散射参数的装置及其使用方法，首先测量出与测试结构具有相同复传播常数的有耗均匀传输线的S参数矩阵，然后列出方程计算得到输入测试接头和输出测试接头的T参数矩阵以及有耗均匀传输线复传播常数。在测试结构的串联T参数矩阵等式中，即可利用计算得到的输入输出接头的T参数矩阵和有耗均匀传输线的复传播常数，消去输入测试接头、输出测试接头和有耗均匀传输线的T矩阵，算出准确的键合金丝T参数矩阵，再转换成S参数矩阵。因此消除测试输入输出测试接头以及连接键合金丝与输入输出测试接头的有耗均匀传输线的影响。

Description

一种测量键合金丝散射参数的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种测量键合金丝散射参数的装置及其使用方法，属于微波测试领域。 

背景技术

键合金丝具有优异的导电性能、长期使用稳定性和高可靠性等优点，在多种特殊电路中具有显著的优越性和不可替代性：它适用于功率器件的大电流传输，有效地提高大功率信号的负载传输能力；适用于传输高频信号的电路连接，有效地降低高频电路中的寄生参数、并使电感更小、可靠性更高，从而提高高频信号的传输能力；适用于大规模混合电路间的模块连接，有效地提高电路的可靠性。 

但是，由于键合金丝结构一般集成于微波电路中，结构微小，键合金丝的测量结果中掺杂有输入测试接头和输出测试接头的地-信号-地结构（Ground-Signal-Ground,GSG）以及均匀传输线等因素的影响，不能直接测试出键合金丝的实际散射参数，普通的测量方法存在较大误差。 

发明内容

发明目的：本发明提出一种测量键合金丝散射参数的装置及其使用方法，该装置可以消除测试输入输出测试接头以及连接键合金丝与输入输出测试接头的传输线的影响。 

技术方案：本发明采用的技术方案为一种测量键合金丝散射参数的装置，包括介质基板、以及至少三对位于介质基板上表面的具有相同T参数矩阵的输入测试接头和输出测试接头，其中一对输入测试接头和输出测试接头之间连接有金丝测试结构，其余每一对输入测试接头和输出测试接头之间连接有长度不同的油耗均匀传输线。所述测试金丝结构包括与输入测试接头连接的有耗均匀输入传输线、以及与输出测试接头连接的有耗均匀输出传输线，两者的自由端之间存在一个适宜焊接键合金丝的缺口。所述有耗均匀传输线、输入有耗均匀传输线和输出有耗均匀传输线具有相同的特征阻抗和传播常数。 

作为本发明的进一步改进，所述有耗均匀传输线、输入有耗均匀传输线和输出有耗均匀传输线均为微带传输线。所述有耗均匀传输线、输入有耗均匀传输线 和输出有耗均匀传输线均为共面波导传输线。所述介质基板上表面设有三对具有相同T参数矩阵的输入测试接头和输出测试接头。 

一种用于所述的测量键合金丝散射参数的装置的使用方法，包括以下步骤： 

1）测量连接在输入测试接头和输出测试接头之间的长度不同的两个微波传输线的S参数，并将S参数矩阵转换为T参数矩阵； 

2）根据步骤1）得到的两个T参数矩阵解出复传播常数和输入输出测试接头的T参数矩阵； 

3）根据步骤2）得到的复传播常数和输入输出测试接头的T参数矩阵，由级联网络传输矩阵的性质计算出测试结构中键合金丝的T参数矩阵，再转换为键合金丝的S参数矩阵。 

其优选方案为输入均匀有耗传输线、输出均匀有耗传输线和短均匀有耗传输线的长度都一样。长均匀有耗传输线的长度比短均匀有耗传输线的长度大约长二分之一传输线中的波长。 

有益效果：本发明一种测量键合金丝散射参数的装置及其使用方法，首先测量出与金丝测试结构具有相同复传播常数的有耗均匀传输线的S参数矩阵，然后列出方程计算得到输入测试接头和输出测试接头的T参数矩阵以及有耗均匀传输线复传播常数。在金丝测试结构的串联T参数矩阵等式中，即可利用计算得到的输入输出测试接头T参数矩阵和复传播常数，消去输入测试接头、输出测试接头和有耗均匀传输线的T矩阵，算出准确的键合金丝T参数矩阵，再转换成S参数矩阵。因此消除测试输入输出测试接头以及连接键合金丝与输入输出测试接头的有耗均匀传输线的影响。 

附图说明

图1为本发明一种测量键合金丝散射参数的装置实施例一的结构示意图； 

图2为本发明一种测量键合金丝散射参数的装置实施例二的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

实施例一 

如图1所示，介质基板1的一面是金属接地面，另一面蚀刻或者溅射三对具有相同T参数矩阵的输入测试接头2和输出测试接头3，以及分别连接在其中一对输入测试接头2和输出测试接头3之间第一微带线9、第二微带线8和测试结构。第一微带线9的长度为l₁，第二微带线8的长度为l₂，三对输入测试接头2和输出测试接头3的T参数矩阵均为T_G。其中测试结构包括与输入测试接头2连接的输入微带线4和与输出测试接头3连接的输出微带线5。输入微带线4和输出微带线5的长度均为l₀，两者之间存在一个缺口6。键合金丝7跨越该缺口6，焊接在输入微带线4和输出微带线5的相邻端之间。所述第一微带线9、第二微带线8、输入微带线4和输出微带线5均具有相同的特征阻抗，即具有相同的复传播常数γ。这样在介质基板1的上表面就形成了分别由第一微带线9、第二微带线8、测试结构及其相应的输入测试接头2和输出测试接头3所构成的三条微波信号通路。 

本发明装置的使用方法是依据微波网络理论中散射参数S(Z₀，γ，l)是传输线长度l、特性阻抗Z₀和复传输常数γ的函数，所以控制参数Z_O，γ严不变的情况下，改变长度l，得到S(Z_O，γ，l)关于l的关系，即可得到所需长度传输线的散射参数。同时，依据级联网络的T矩阵的关系，反推出键合金丝的S参数。 

首先使用测试仪器，分别测量第一微带线9、第二微带线8和测试结构所在的三条微波信号通路的S参数，得到相应的S参数矩阵S_t0、S_t1和S_t2。由传输线理论可得，一段长度为l的均匀传输线的S参数矩阵为： 

$S_L=\left[\begin{array}{cc}0& e^{\mathrm{\γl}}\\ e^{\mathrm{\γl}}& 0\end{array}\right]$

其中γ为复传播常数。 

再由T矩阵和S矩阵的转换关系： 

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{11}=\frac{1}{S_{21}}& T_{12}=-\frac{S_{22}}{S_{21}}\\ T_{21}=\frac{S_{11}}{S_{21}}& T_{22}=-\frac{S_{11}{S}_{22}-S_{12}{S}_{21}}{S_{21}}\end{array}\right.$

可得其传输矩阵为： $T_L=\left[\begin{array}{cc}{e^{-\mathrm{\γ}}}^l& 0\\ 0& {e^{\mathrm{\γ}}}^l\end{array}\right].$

因此可将S参数矩阵S_t0、S_t1和S_t2分别转换为T_t0、T_t1和T_t2。根据级联网络T矩阵的关系可得： 

$\left[\begin{array}{c}{T}_{t1}=T_G{T}_{l1}{T}_G\\ T_{t2}=T_G{T}_{l2}{T}_G\end{array}\right.$

其中T_l1、T_l2是第一微带线9和第二微带线8的T参数矩阵。根据以下方程组计算未知的参数T_G和γ： 

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]=T_{t1}^{-1}\·T_{t1}=T_{t1}^{-1}\·T_G\·T_{l1}\·T_G=T_{t1}^{-1}\left[\begin{array}{cc}{T}_{G11}& T_{G12}\\ T_{G21}& T_{G22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{\γ}{l}_1}& 0\\ 0& e^{\mathrm{\γ}{l}_1}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}{T}_{G11}& T_{G12}\\ T_{G21}& T_{G22}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]=T_{t2}^{-1}\·T_{t2}=T_{t2}^{-1}\·T_G\·T_{l2}\·T_G=T_{t2}^{-1}\left[\begin{array}{cc}{T}_{G11}& T_{G12}\\ T_{G21}& T_{G22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{\γ}{l}_2}& 0\\ 0& e^{\mathrm{\γ}{l}_2}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}{T}_{G11}& T_{G12}\\ T_{G21}& T_{G22}\end{array}\right]\end{array}\right.$

方程组中有γ,T_G11,T_G12,T_G21,T_G225个未知数，T_t1,T_t2为测试得到的数据，l₁和l₂为已知数据，而将矩阵展开可得到8个方程，然后通过数值方法即可从方程组中可解得未知的参数T_G和γ。 

对于键合金丝7所在的微波通路，有以下等式： 

T_t0＝T_GT_l0T_WT_l0T_G

其中T_l0为输入微带线4和输出微带线5的T参数矩阵，T_W为键合金丝的T参数矩阵。解得： 

T_W＝T_l0 ^-1T_G ^-1T_t0T_G ^-1T_l0 ^-1

再将T_W转换为S参数矩阵S_W即可。 

在工艺上，既可以采用普通的介质基板工艺，也可以采用低温共烧陶瓷技术（LTCC）工艺或者集成电路工艺等。 

一种用于所述的测量键合金丝散射参数的装置的使用方法，包括以下步骤： 

1）测量连接在输入测试接头和输出测试接头之间的长度不同的两个微波传输线的S参数，并将S参数矩阵转换为T参数矩阵； 

2）根据步骤1）得到的两个T参数矩阵解出复传播常数和输入输出测试接头的T参数矩阵； 

3）根据步骤2）得到的复传播常数和输入输出测试接头的T参数矩阵，由级联网络传输矩阵的性质计算出测试结构中键合金丝的T参数矩阵，再转换为键合金丝的S参数矩阵。 

实施例二 

如图2所示，介质基板10的一面是金属接地面，另一面蚀刻或者溅射三对具有相同T参数矩阵的输入测试接头11和输出测试接头12，以及分别连接在其中一对输入测试接头11和输出测试接头12之间第一共面波导18、第二共面波导17和测试结构。第一共面波导18的长度为l₁，第二共面波导17的长度为l₂，三对输入测试接头11和输出测试接头12的T参数矩阵均为T_G。其中测试结构包括与输入测试接头11连接的输入共面波导13和与输出测试接头12连接的输出共面波导14。输入共面波导13和输出共面波导14的长度均为l₀，两者之间存在一个缺口。键合金丝16跨越该缺口，焊接在输入共面波导13和输出共面波导14的相邻端之间。所述第一共面波导18、第二共面波导17、输入共面波导13和输出共面波导14均具有相同的特征阻抗，即具有相同的复传播常数γ。这样在介质基板10的上表面就形成了分别由第一共面波导18、第二共面波导17、测试结构及其相应的输入测试接头11和输出测试接头12所构成的三条微波信号通路。 

本实施例中键合金丝16的S参数矩阵S_W的计算方法，以及一种用于所述的测量键合金丝散射参数的装置的使用方法与实施例一相同。 

Claims (7)

1.一种测量键合金丝散射参数的装置，包括介质基板、以及至少三对位于介质基板上表面的具有相同T参数矩阵的输入测试接头和输出测试接头，其特征在于，其中一对输入测试接头和输出测试接头之间连接有金丝测试结构，其余每一对输入测试接头和输出测试接头之间连接有长度不同的有耗均匀传输线；

所述金丝测试结构包括与输入测试接头连接的输入有耗均匀传输线、以及与输出测试接头连接的输出有耗均匀传输线，两者的自由端之间存在一个适宜焊接键合金丝的缺口；

所述有耗均匀传输线、输入有耗均匀传输线和输出有耗均匀传输线具有相同的特征阻抗及传播常数。

2.根据权利要求1所述的测量键合金丝散射参数的装置，其特征在于，所述有耗均匀传输线、输入有耗均匀传输线和输出有耗均匀传输线均为微带传输线。

3.根据权利要求1所述的测量键合金丝散射参数的装置，其特征在于，所述有耗均匀传输线、输入有耗均匀传输线和输出有耗均匀传输线均为共面波导传输线。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的测量键合金丝散射参数的装置，其特征在于，所述介质基板上表面设有三对具有相同T参数矩阵的输入测试接头和输出测试接头。

5.一种用于权利要求1所述的测量键合金丝散射参数的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）测量连接在输入测试接头和输出测试接头之间的长度不同的两个微波传输线的S参数，并将S参数矩阵转换为T参数矩阵；

2）根据步骤1）得到的两个T参数矩阵解出复传播常数和输入输出测试接头的T参数矩阵；

3）根据步骤2）得到的复传播常数和输入输出测试接头的T参数矩阵，由级联网络传输矩阵的性质计算出测试结构中键合金丝的T参数矩阵，再转换为键合金丝的S参数矩阵。

6.根据权利要求5所述的测量键合金丝散射参数的装置的使用方法，其特征在于，输入有耗均匀传输线、输出有耗均匀传输线和短有耗均匀传输线的长度都一样。

7.根据权利要求5所述的测量键合金丝散射参数的装置的使用方法，其特征在于，长有耗均匀传输线的长度比短有耗均匀传输线的长度大约长二分之一个传输线中的波长。

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