CN104502878B - 微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件，涉及微波/毫米波S参数测试技术领域。包括GaAs衬底层，所述GaAs衬底层下表面连接有金属层，其上表面设有直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的图形结构，所述直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的地压点分别通过贯穿GaAs衬底层的接地柱与所述金属层连接，所述GaAs衬底层设有与接地柱相适配的接地通孔。本发明采用与被测件相同的GaAs流片工艺制作。在微波单片电路管芯模型参数提取时使用该校准件，可使校准后的参考平面位于管芯根部，提高模型提取的准确度。

Description

微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件

技术领域

本发明涉及微波/毫米波S参数测试技术领域。

背景技术

在片测试（直接对集成器件的裸芯片进行电气特性测试）技术是一种广泛应用于MMIC和高速集成电路研究与生产的新型测试技术。常见的芯片测试参数包括直流参数（电压、电流、电容等）和微波参数（S参数、功率、噪声等）。以微波S参数为例，所需测试仪器通常为矢量网络分析仪，其仪器输入/输出端口形式通常为同轴和波导，无法直接与芯片进行连接。在微波探针头发明之前，芯片的S参数测试都是封装后在测试夹具上进行，显然其测量结果包含了封装的探针尖和探针头的说法，实现了对裸芯片的直接测量，为了进一步提高成品率，降低芯片生产成本，特别是芯片表征和质量控制成本，必须实现对在片级S参数的精确测量，而在片S参数的精确测量是建立在测量之前对矢量网络分析仪进行在片精确校准基础上，因此业内对在片S参数校准件的研究给予了极大的关注。

由幅值和相位信息组成的S参数代表了特定阻抗和指定参考面下的微波网络中入射波与反射波之间的关系。因此在片S参数校准件的作用就是在指定参考面（一般是被测件直接连接测量系统的测量平面）和固定阻抗（一般是50Ω）下修正测量装置的系统误差，达到提高测量精度的目的。

由于off wafer校准件针对的被测件种类相对较多，基本满足工业级测量精度要求，所以当前商用的在片校准件都是选择off wafer校准件（如Cascade公司生产的101-190C校准件）。其特点是：校准阻抗50Ω，校准参考平面为探针头处，在工程测量中存在的问题如下：

对于晶体管模型的建立，晶体管管芯模型的准确与否，直接决定了微波单片电路设计仿真值与实际测试值的吻合程度。因此对于微波单片电路设计者来说，更加关心微波单片电路中管芯模型参数的准确程度。有了准确无误的管芯模型，微波单片电路的设计者就可以利用微波仿真软件对单片电路进行准确仿真，减少反复流片次数，节约成本。

为了实现在片S参数准确测量，在DUT两侧设计了探针压点和微带线，用于微波探针到被测器件的连接过渡，探针压点的结构尺寸相对比较固定，但是微带线的长度则根据产品性能、封装以及版图设计规则要求经常在一定范围内变化。为了获得DUT精确的S参数测量结果，要求在片矢网校准参考面位于DUT的根部。但是通常off wafer校准件的参考平面位于探针头部位，如果直接测量DUT，测量结果将是DUT和输入/输出两端探针压点和微带线级联的微波网络S参数。解决的办法有两个途径：一个是去除微带线及探针压点的S参数，另一个是移动测量参考平面到DUT的根部，具体的做法包括端口延伸（Port Extension）、去嵌入（De-embedding）与零直通TRL校准。

端口延伸法假设微带线无损耗、具有与系统阻抗相同的特征阻抗（一般为50Ω）、并且其相位是线性的。如此一来，探针头部至DUT根部就只剩下电气长度特性，需要输入到矢量网络分析仪中，以便将原先的参考平面加以延伸。但是实际的微带线都具有损耗，并且特征阻抗与系统阻抗也不会是理想的50Ω，因此，此方法成立的条件不宜满足。

去嵌入法是通过逆矩阵的运算，将多余微带线部分的特性加以去除。但是运用此方法要保证微带线部分的网络参数精确已知，因此必须首先测试或者通过仿真得到探针头至DUT的根部之间微带线的S参数，这是非常困难的。

零直通TRL校准方法可以将校准端面直接校准到直通线中央，具有操作简单、精度高的优点。但是该方法要求校准件的衬底材料与被测件相同，具有相同的探针压点与传输线结构形式，并且直通线的长度与探针压点至被测件根部的传输线长度相等，以保证校准时与测试时探针压点与微带过渡时网络参数一致。

对于实验室级别的精密测量和计量而言，要求考虑校准件与被测件之间的差异（如衬底材料，空间几何尺寸，探针尖与传输线的过渡等）对最终测量结果的影响。特别是关注当前微波毫米波频段GaAs衬底微波单片电路的精密测量。

目前Cascade公司和NIST的使用共面波导结构制作的标准样片，由于衬底和传输线结构不同，使用目前现有的校准件校准后无法实现对微带线结构被测件的精确测量。其现有的校准件为通用校准件，可以将参考平面校准至探针头，校准后测量得到的数据为输入输出两探针头之间部分的S参数，目前绝大多数微波单片产品测试都是采用测量这样的S参数；但是，对于微波晶体管管芯模型参数提取时，不希望校准后测量得到的S参数中包含探针压点及其附近微带传输线的影响，只希望得到晶体管纯管芯的S参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件的校准方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件，包括GaAs衬底层，所述GaAs衬底层下表面连接有金属层，其上表面设有直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的图形结构，所述直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的地压点分别通过贯穿GaAs衬底层的接地柱与所述金属层连接，所述GaAs衬底层设有与接地柱相适配的接地通孔。

进一步地，所述直通标准件Thru和传输线标准件Line的特征阻抗为50Ω，校准时的校准频率范围为2GHz～26.5GHz。

进一步地，所述GaAs衬底层的相对介电常数为12.9，厚度为100μm，所述金属层的厚度为15μm，其材质为金。

进一步地，所述直通标准件Thru的长度为196μm，校准时直通标准件Thru的长度值定义为0μm；所述反射标准件Reflect采用开路实现，校准时延迟补偿定义值为0ps；所述传输线标准件Line至少有一条。

进一步地，所述传输线标准件Line有5条，分别为415μm、576μm、1173μm、3129μm和4596μm，校准时相对直通标准件Thru对各传输线标准件Line的长度进行定义，定义值分别为219μm、380μm、977μm、2933μm和4400μm。

进一步地，所述地压点的大小为120μm×120μm，并设有45°倒角，所述接地柱直径为40μm。

进一步地，所述直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line相对探针压点的位置设有二维压点对标线，所述二维压点对标线的对标线宽度为2μm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用与被测件相同的传输线结构形式设计制作了微带线TRL校准件，针对被测件，该校准件可使在片S参数校准后测量更加精确。通过微带线TRL校准件，并在校准时合理的设置校准件的参数，可以使校准后的参考平面位于管芯的根部，实现纯粹对产品S参数的提取。校准时对校准件参数设置与参考平面平移原理如下：(1)首先保证被测件与校准件探针压点附近的结构一致，并且将探针压点及附近的部分看作为校准与测试时连接仪器与被测件之间的电缆，在校准时矢量网络分析仪会通过计算加以去除；(2)TRL校准时，需要预先在矢量网络测试仪或者WinCal软件中定义传输线长度等参数。在校准时通过测量值与定义值相比较，从而计算连接电缆的影响并加以去除。因此在对我们制作的在片TRL校准件中的传输线长度进行设置时，其传输线的长度不能设置为两探针尖之间的距离，而是设置成为根据测试需要自行定义的参考平面之间的距离。

附图说明

图1是本发明测TRL校准件的结构爆炸示意图；

图2是本发明测试系统的示意图；

图3是本发明的二维压点对标线位置示意图；

图4是10dB衰减器传输幅度测量结果对比图；

图5是40ps延迟线传输相位测量结果对比图；

其中，1、金属层，2、GaAs衬底层，3、直通标准件Thru，4、反射标准件Reflect，5、传输线标准件Line，6、地压点，7、接地柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明为一种基于微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件，包括GaAs衬底层2，所述GaAs衬底层2下表面连接有金属层1，其上表面设有直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的图形结构，所述直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的地压点6分别通过贯穿GaAs衬底层2的接地柱7与所述金属层1连接，所述GaAs衬底层2设有与接地柱7相适配的接地通孔；所述直通标准件Thru和传输线标准件Line的特征阻抗为50Ω，校准时的校准频率范围为2GHz～26.5GHz；所述GaAs衬底层2的相对介电常数为12.9，厚度为100μm，所述金属层1的厚度为15μm，其材质为金；所述直通标准件Thru的长度为196μm，校准时直通标准件Thru的长度值定义为0μm；所述反射标准件Reflect采用开路实现，校准时延迟补偿定义值为0ps；所述传输线标准件Line至少有一条；所述传输线标准件Line有5条，分别为415μm、576μm、1173μm、3129μm和4596μm，校准时相对直通标准件Thru对各传输线标准件Line的长度进行定义，定义值分别为219μm、380μm、977μm、2933μm和4400μm；所述地压点6的大小为120μm×120μm，并设有45°倒角，所述接地柱7直径为40μm；所述直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line相对探针压点的位置设有二维压点对标线，所述二维压点对标线的对标线宽度为2μm。

本发明的微带线TRL校准件应用在微带线结构上，与被测件为相同的GaAs衬底，且相对应的探针压点的几何结构与被测件一致。

本发明的直通标准件Thru的长度为0μm ；TRL校准件Open的延迟补偿为0ps；5个Line的数据参数其长度分别为219μm、380μm、977μm、2933μm和4400μm，频率范围覆盖2~26.5GHz，并且保证各频率点上插入相位在30°~150°以内。其原则上插入相位越接近90°，校准结果越精确，在实际测试过程中需要2组就够了，为了使不同频率下的插入相位更加接近90°，设计了5组，分别在不同频率下使用，当然，设计的越多越好。

如图3所示，本发明的探针压点下方设有二维压点对标线，保证了探针每次压在同一位置和校准时有效电长度与定义值一致。由于压探针时在μm量级，每次都是在显微镜下手动压探针，校准与测试时不同的压点位置必然会影响微带传输线的有效电长度。为了保证每次压探针时都能压到正确位置，所以在校准件上设计了探针压点对标线，手动压探针时有了对标线，就可以参照对标线，每次压在同一位置，保证校准时有效电长度与定义值一致。

实施例:

以典型的微波功率器件为例，通常对DUT进行测量时，为了使DUT与矢网连接，需要在管芯的根部设计制作探针压点，并且在探针压点与管芯之间存在100μm左右长度的微带线，因此我们需制作TRL校准件，在探针压点的设计上与被测保持一致，使校准与测试时探针压点附近的分布参数相同，在TRL校准时利用零直通的办法将参考平面校准至DUT根部。

如图2所示，我们制作的TRL校准件中，直通校准件在校准参考平面处左右直接相连，保证在校准参考平面上；反射校准件在校准参考平面处为开路，使其反射系数尽可能的大；传输线校准件在校准参考平面处相对于直通校准件插入了一段特性阻抗为50Ω的微带线。

传输线校准件的制作要保证微带线特征阻抗值等于系统的阻抗值50Ω。根据制作工艺参数，砷化镓衬底的介电常数为12.9，厚度50μm~200μm，金属导体的厚度为3μm~10μm，利用ADS中的LineCalc计算软件，可以确定特征阻抗为50Ω下传输线的宽度为70μm。

已知延迟线的等效介电常数与光在真空中的速度，可知电磁波在微带线中的传播速度：

式中为等效介电常数，它考虑了电磁波一部分在介质中传播，一部分在空气中传播的这一事实，可以用ADS提供的LineCalc软件计算得到。那么长度为的传输线相对延迟时间为：

频率为的微波信号在该传输线中传输，那么经过传输线以后，微波信号相对相位变化可用以下公式计算：

为了保证传输线相对于直通的插入相位在整个频段内能得到30°~150°的覆盖，需要分频段制作不同长度的传输线，在每个频段内传输线的长度可利用以上公式计算得到。下表为所制作的5组不同长度的传输线长度在插入相位为30°~150°所能够使用的频段。

微带线TRL校准件制作需要经过带线制作、氮化硅沉积、衬底减薄、通孔制作、背面电镀、分片等工艺。不同于CPW结构，探针头与地相连是通过衬底背面的金属层，因此需要在探针的地压点上制作通孔与金属层相连。

设计并制作好微带传输线后通过矢量网络测试仪测量直通与各传输线的相位来验证实际测量值是否与设计值相符合。

TRL校准件的定义与使用

在WinCal软件中定义零直通TRL校准件，将传输线的长度与频率范围输入至软件中，多条传输线频率最好有重叠，这样能够保证传输线覆盖我们要求的频率范围。

严格的说，探针压点的位置与传输线的有效微波长度存在着紧密联系，探针压得过深或过浅，将导致传输线的微波长度较定义值偏小或偏大，给校准时带来误差。因此，为了保证每次探针压完后传输线的长度更加接近校准件的定义值，我们设计了二维探针压点对标线，如图3所示，按照对标线压探针，既能保证每次探针放在压点的中心位置，减小了由于重复性所带来的误差，又能保证探针压完后传输线的绝对电气长度接近定义值。

TRL校准件的验证

为了对零直通TRL校准效果进行评估，我们在制作校准件的同时，制作了10dB衰减器与40ps延迟线作为无源验证件。其中衰减器用来验证传输幅度的校准效果，延迟线用来验证传输相位的校准效果。采用ADS电磁场仿真结果作为无源验证件的标准值，测试结果若能和仿真结果吻合，说明达到了预期的校准效果。

图4、图5分别为使用本专利制作的on wafer 零直通TRL校准件与Cascade公司制作的off wafer校准件分别进行校准后对10dB衰减器进行传输幅度测试和对40ps延迟线进行传输相位测试得到的结果。从图中可以看出，在10GHz以上，使用零直通TRL校准件与offwafer校准件校准后测试数据差异较大，因为探针压点附近的接地过孔呈现出电感特性，随着频率的升高，对测试结果影响越大。而零直通TRL校准件可以在校准时将探针压点附近的分布参数并入系统误差中，因此与仿真值吻合程度较好。

Claims (3)

1.一种基于微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件，其特征在于：包括GaAs衬底层(2)，所述GaAs衬底层(2)下表面连接有金属层(1)，其上表面设有直通标准件Thru(3)、反射标准件Reflect(4)和传输线标准件Line(5)的图形结构，所述直通标准件Thru(3)、反射标准件Reflect(4)和传输线标准件Line(5)的地压点(6)分别通过贯穿GaAs衬底层(2)的接地柱(7)与所述金属层(1)连接，所述GaAs衬底层(2)设有与接地柱(7)相适配的接地通孔；所述直通标准件Thru(3)和传输线标准件Line(5)的特征阻抗为50Ω，校准时的校准频率范围为2GHz～26.5GHz；所述GaAs衬底层与被测件的衬底层相同；探针压点附近的结构与被测件上相对应的结构相同；

其中，所述直通标准件Thru(3)的长度为196μm，校准时直通标准件Thru的长度值定义为0μm；所述反射标准件Reflect(4)采用开路实现，校准时延迟补偿定义值为0ps；

所述传输线标准件Line(5)有5条，分别为415μm、576μm、1173μm、3129μm和4596μm，校准时相对直通标准件Thru对各传输线标准件Line的长度进行定义，定义值分别为219μm、380μm、977μm、2933μm和4400μm；

所述直通标准件Thru(3)、反射标准件Reflect(4)和传输线标准件Line(5)相对探针压点的位置设有二维压点对标线，所述二维压点对标线的对标线宽度为2μm。

2.根据权利要求1所述的微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件，其特征在于：所述GaAs衬底层(2)的相对介电常数为12.9，厚度为100μm，所述金属层(1)的厚度为15μm，其材质为金。

3.根据权利要求1所述的微波GaAs衬底在片S参数微带线TRL校准件，其特征在于：所述地压点(6)的大小为120μm×120μm，并设有45°倒角，所述接地柱(7)直径为40μm。