CN106646193A - 键合线寄生参数测试提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种键合线寄生参数测试提取方法,其特征在于：包括如下步骤：第一、制作PCB板一和PCB板二；所述PCB板一上设置有50Ω传输线一；所述PCB板二上设置有50Ω传输线二和地线，在50Ω传输线二的右端附近放置被测器件；采用键合工艺用键合线将被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的右端连接，分别用键合线二、三将射频输出端两旁的接地端与PCB板二的地线连接；第二、校准微波探针测试系统：利用校准基片和矢量网络分析仪对微波探针测试台进行校准；第三、测试S参数；第四、将测试点转换为面单元结构：第五、得到键合线的S参数，第六、测试验证；本发明测试结果真实可靠，消除了键合线寄生参数影响，可应用到RFIC性能测试中。

Description

键合线寄生参数测试提取方法

技术领域

本发明涉及寄生参数测试提取方法，具体涉及键合线寄生参数测试提取方法。

背景技术

随着RFIC设计技术、工艺技术的不断发展，其功能从单一单元功能模块电路逐步向单片接收机、发射机方面发展，从单一频点到宽带、超宽带应用。对于RFIC的测试，在国内实验室环境条件下，工作频率为6GHz以内频段有较成熟的封装和测试方案，但在6GHz以上频率，封装及CoB键合线对电路的射频参数的影响越来越大。通过对器件射频输入的仿真分析及测试积累，发现如果这些关键端口的寄生电感达到nH级或者寄生电容达到pF级，将会使端口的回波损耗恶化，严重影响模拟输入信号质量。而键合线不可避免的引入较大的寄生电感以及寄生电容，对准确测试评估造成较大影响。因此，在6GHz以上频段，必须考虑将键合线的寄生参数尽量精确测试出来，并将寄生参数补偿到测试中。在测试中采用何种方法来提取消除键合线寄生参数在目前仍是需要重点研究的课题。

通常情况下分析消除键合线寄生参数的方法是利用3D电磁场仿真软件对键合线与芯片进行联合仿真，提前验证键合线对芯片测试结果的影响，仿真过程中需要设置键合线的参数，其中有半径，导电率，起点位置与终点位置以及键合线的弧度。3D电磁场仿真能够快速地计算各种射频、微波部件的电磁特性，得到S参数、传导特性、高功率击穿特性。

现有技术对寄生参数的测试普遍采用仿真方式，将需要进行仿真设计的键合线及PCB文件导入ADS环境中，进行层次定义，并根据射频传输线阻抗和板层材料进行板层参数设置及键合线参数设置，完成参考地及PORT定义后，直接进行键合线及PCB联合仿真，再将仿真结果带入PCB进行优化设计，形成CoB测试评估板，再作测试验证。但在现有的技术方案中，由于键合线的特性参数的计算基础都是建立在理论模型基础上的，只能在理想环境下优化部件的性能特征，并进行容差分析。以此形成的仿真数据不能真实准确地体现芯片测试外部环境影响，在进行6GHz以内频段的射频芯片CoB评估板性能测试时影响不大，但针对6GHz以上频段RFIC性能测试时，理想环境下仿真得到的寄生参数会造成测试与设计仿真的误差很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种使用微波探针台为测试验证平台的键合线寄生参数测试提取方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种键合线寄生参数测试提取方法,其特征在于：包括如下步骤：

第一、制作PCB板一和PCB板二；所述PCB板一上设置有50Ω传输线一；所述PCB板二上设置有50Ω传输线二和地线，在50Ω传输线二的右端附近放置被测器件；采用键合工艺用键合线将被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的右端连接，分别用键合线二、三将射频输出端两旁的接地端与PCB板二的地线连接；

第二、校准微波探针测试系统：利用校准基片和矢量网络分析仪对微波探针测试台进行校准；

第三、测试S参数：

将PCB板二以抽真空方式吸附在微波探针台上，用微波探针测试台测试已连接键合线的射频输出端的S参数；

分别测试50Ω传输线一的左、右两端的S参数；

第四、将测试点转换为面单元结构：

在50Ω传输线二的左端取端口测试点三，在50Ω传输线一的左端取端口测试点一，将端口测试点一和端口测试点三设置为同一垂直平面上的参考点，其所在的平面为测试参考平面；

在50Ω传输线二的右端取端口测试点四，该端口测试点四为被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的键合点，在50Ω传输线一的右端取端口测试点二，端口测试点二和端口测试点四为同一垂直平面上的点，其所在的平面为测试平面一；

再在被测器件上取测试点五，该测试点五为被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的键合点，测试点五所在的平面为测试平面二，测试平面二与测试平面一平行；

将测试参考平面、测试平面一和测试平面二对应表示即为面单元结构；

第五、得到键合线的S参数

其中，S_11Δ为端口测试点四的反射系数，S_22Δ为测试点五的反射系数，S_12Δ为测试点五到端口测试点四的反向传输系数，S_21Δ为端口测试点四到测试点五的正向传输系数；S_11A为端口测试点一的反射系数，S_22A为端口测试点二的反射系数，S_12A为端口测试点二到端口测试点一的反向传输系数，S_21A为端口测试点一到端口测试点二的正向传输系数；S_11B为端口测试点三的反射系数，S_22B为测试点五的反射系数，S_12B为测试点五到端口测试点三的反向传输系数，S_21B为端口测试点三到测试点五的正向传输系数；

第六、测试验证

将PCB板二连接到矢量网络分析仪进行测试，在整理测试数据时：

如果PCB板二上的被测器件为接收机，将端口测试点四到测试点五的正向传输系数S_21Δ代入到测试数据中，对PCB板二的正向传输系数进行计算补偿，得到PCB板二上被测器件的实际增益或衰减P；计算公式为：

P＝P_T21-(S_21Δ/2)

其中，P_T21为PCB板二用矢量网络分析仪测得的PCB板二的正向传输系数值，S_21Δ为端口测试点四到测试点五的正向传输系数；

如果PCB板二上的被测器件为发射机，将测试点五到端口测试点四的反向传输系数S_12Δ代入到测试数据中，对PCB板二的反向传输系数进行计算补偿，得到PCB板二上被测器件的实际增益或衰减P；计算公式如公式：

P＝P_T12-(S_12Δ/2)

其中，P_T12为PCB板二用矢量网络分析仪测得的PCB板二的反向传输系数值，S_12Δ为测试点五到端口测试点四的反向传输系数。

本发明通过设计加工PCB板一和PCB板二，配合微波探针测试系统进行端口S参数测试。再将实物测试结构转换为面单元结构，把测试得出的S参数带入面单元结构对应的T型参数公式，推导换算得出键合线的端口S参数。通过测试验证键合线在PCB性能测试中的寄生影响，并将键合线的寄生衰减值代入到测试数据中进行计算补偿，经过补偿后的测试结果消除了键合线寄生参数影响，测试结果更接近电路真实性能。

本发明测试提取的键合线及PCB寄生参数是在实际环境下通过精确测量所得，测试结果真实可靠，既有理论依据作为支撑，又将实际环境影响考虑其中，极大地提高了微波器件设计依据及测试精度。微波探针台具备-65℃～200℃的温度环境，在此基础上还可以对键合线在高低温环境下的寄生参数进行提取，应用环境广泛。

本发明所述的键合线寄生参数测试提取方法的有益效果是：本发明提出了一种基于6GHz以上频段RFIC CoB板上连接键合线的高频信号传输线特征参数测试提取方法，测试提取的键合线及PCB寄生参数是在实际环境下通过精确测量所得，测试结果真实可靠，既有理论依据作为支撑，又将实际环境影响考虑其中，极大地提高了微波器件设计依据及测试精度，测试结果消除了键合线寄生参数影响，测试结果更接近电路真实性能，应用环境广泛，可应用到RFIC性能测试中。

附图说明

图1是本发明所述的键合线寄生参数测试提取方法流程框图。

图2a是利用校准基片进行直通校准测试图。

图2b是利用校准基片进行开路校准测试图。

图2c是利用校准基片进行负载校准测试图。

图2d是利用校准基片进行短路校准测试图。

图3是S参数测试结构示意图。

图4是键合线Port面单元结构示意图。

图5是二级级联二端口网络入、出射波示意图。

图6是计算得出键合线的输入阻抗、反射参量等相关参数及绘制键合线寄生效应等效电路图。

图7a是8 6GHz～18GHz RFIC CoB板传统测试方法的增益测试曲线。

图7b是8 6GHz～18GHz RFIC CoB板本发明方法的增益测试曲线。

图8a是8 6GHz～18GHz RFIC CoB板传统测试方法的噪声系数测试曲线。

图8b是8 6GHz～18GHz RFIC CoB板本发明方法的噪声系数测试曲线。

具体实施方式

参见图1至图5，一种键合线寄生参数测试提取方法,其特征在于：包括如下步骤：

第一、制作PCB板一和PCB板二；所述PCB板一上设置有50Ω传输线一；所述PCB板二上设置有50Ω传输线二和地线，在50Ω传输线二的右端附近放置被测器件；采用键合工艺用键合线将被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的右端连接，分别用键合线二、三将射频输出端两旁的接地端与PCB板二的地线连接；

第二、校准微波探针测试系统：利用校准基片和矢量网络分析仪对微波探针测试台进行校准；

微波探针测试台利用微波探针作为同轴电缆和被测器件间微波信号传输的接触介质，提供了微波信号在探针上传输时电磁场的一个收敛途径，避免传输信号因基板的损耗性而失真、衰减。使用专用的校准基片及矢量网络分析仪的运算，将测试系统的参考平面移至高频微波探针的针尖处。以去除系统、电缆及微波探针等不必要的寄生效应，以此来实现对键合线寄生参数的精确测试。测试前，必须对测试系统进行校正以去除测试仪器及测试环境所造成的影响，具体校正方法可采用SOLT(Short、Open、Load、Through)校正法，扎针校准形式如图2a、2b、2c、2d。经校准后的测试系统，可再将微波探针重复扎针在校准件上，以验证校准结果是否理想。

第三、测试S参数：

S参数，也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。针对6GHz以上频段，该频段信号所对应的波长和实际器件的物理尺寸相比较变小很多，因此，在低频时常用来描述器件节点特性的电压和电流观念就不适用了，此时的电路特性用波或能量的观念来表示将更为适当。其中最常使用到的表示方法为S参数，主要是采用入射波、穿透波和反射波的概念来表示，利用入射波打到器件所产生的穿透波和反射波的振幅和相位等参数描述该电路的高频微波特性。

参见图3，将PCB板二以抽真空方式吸附在微波探针台上，用微波探针测试台测试已连接键合线的射频输出端的S参数。

分别测试50Ω传输线一的左、右两端的S参数。

第四、将测试点转换为面单元结构

在50Ω传输线二的左端取端口测试点三C，在50Ω传输线一的左端取端口测试点一A，将端口测试点一A和端口测试点三C设置为同一垂直平面上的参考点，其所在的平面为测试参考平面；

在50Ω传输线二的右端取端口测试点四E，该端口测试点四E为被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的键合点，在50Ω传输线一的右端取端口测试点二B，端口测试点二B和端口测试点四E为同一垂直平面上的点，其所在的平面为测试平面一即Port1平面；

再在被测器件上取测试点五D，该测试点五D为被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的键合点，测试点五D所在的平面为测试平面二即Port2平面，测试平面二与测试平面一平行；

将测试参考平面、测试平面一和测试平面二对应表示即为面单元结构。

参见图4，图4中[T_A]表示50Ω传输线一的T型方程，[T_B]表示50Ω传输线二的T型方程，[T_△]表示键合线的T型方程。

第五、得到键合线的S参数

将图4中键合线和50Ω传输线二定义为二级级联二端口网络，其入、出射波示意图如图5所示。

其中，a_1A，a_2A分别为50Ω传输线二两端的入射波，b_1A，b_2A分别为50Ω传输线二两端的出射波；a_1B，a_2B分别为键合线两端的入射波，b_1B，b_2B分别为键合线两端的出射波；

二级级联二端口网络的T矩阵等于两级单个二端口网络T矩阵的乘积，对于二级级联二端口网络，矩阵表示如公式(1)：

公式中，由T_11A、T_12A、T_21A、T_22A构成50Ω传输线二的T参数矩阵，由T_11B、T_12B、T_21B、T_22B构成键合线的T参数矩阵。

则两级联之间入射波和出射波的关系为公式(2)：

公式中，由T₁₁、T₁₂、T₂₁、T₂₂构成由50Ω传输线二和键合线组成的二级级联二端口网络的T参数矩阵。

即公式(3)：

对应面单元结构图5，用矩阵表示为公式(4)

[T_B]＝[T_A][T_Δ] (4)

需要提取的键合线的T参数矩阵即为矩阵公式(5)

[T_Δ]＝[T_B][T_A]^-1 (5)

将二级级联二端口网络两端的反射系数设为S₁₁，将反向传输系数设为S₁₂，将正向传输系数设为S₂₁，用S矩阵表示T矩阵如公式(6)

在由50Ω传输线二和键合线构成的二级级联二端口网络中，之前已使用相关测试手段将50Ω传输线一以及50Ω传输线二的相关S参数一并测试出。将矩阵公式(5)中的三个T型矩阵全部转换表示为S矩阵可得：

其中，S_11Δ为端口测试点四即E点的反射系数，S_22Δ为测试点五即D点的反射系数，S_12Δ为测试点五到端口测试点四的反向传输系数，S_21Δ为端口测试点四到测试点五的正向传输系数；S_11A为端口测试点一即A点的反射系数，S_22A为端口测试点二即B点的反射系数，S_12A为端口测试点二到端口测试点一的反向传输系数，S_21A为端口测试点一到端口测试点二的正向传输系数；S_11B为端口测试点三即C点的反射系数，S_22B为测试点五的反射系数，S_12B为测试点五到端口测试点三的反向传输系数，S_21B为端口测试点三到测试点五的正向传输系数。

由此可以计算出键合线的S参数，在此基础上，我们还可以将S矩阵转换为ABCD矩阵，由ABCD矩阵可以计算得出键合线的输入阻抗、反射参量等相关参数及绘制键合线寄生效应等效电路图如图6。

第六、测试验证

为了测试结果的准确性，在进行测试时，需针对键合线引入的寄生参数进行补偿，消除寄生引入的测试误差。通过测试验证，运用了如下方法进行计算补偿。

将PCB板二连接到矢量网络分析仪进行测试，在整理测试数据时：

如果PCB板二上的被测器件为接收机，将端口测试点四到测试点五的正向传输系数S_21Δ代入到测试数据中，对PCB板二的正向传输系数进行计算补偿，得到PCB板二上被测器件的实际增益或衰减P；计算公式为：

P＝P_T21-(S_21Δ/2)

其中，P_T21为PCB板二用矢量网络分析仪测得的PCB板二的正向传输系数值，S_21Δ为端口测试点四到测试点五的正向传输系数；

如果PCB板二上的被测器件为发射机，将测试点五到端口测试点四的反向传输系数S_12Δ代入到测试数据中，对PCB板二的反向传输系数进行计算补偿，得到PCB板二上被测器件的实际增益或衰减P；计算公式如公式：

P＝P_T12-(S_12Δ/2)

其中，P_T12为PCB板二用矢量网络分析仪测得的PCB板二的反向传输系数值，S_12Δ为测试点五到端口测试点四的反向传输系数。

经过补偿后的测试结果消除了键合线寄生参数影响，测试结果更接近电路真实性能。

以验证6GHz～18GHz RFIC CoB板的增益和噪声系数的自相关测试结果为例，测试频率6GHz～18GHz，输入功率-40dBm。图7(a)为传统测试方法的增益测试结果，增益最低值为11dB。图7(b)为本发明补偿键合线寄生影响后测试的CoB板的增益测试结果，增益最低值为32dB。图8a为传统测试方法的噪声系数测试结果，噪声系数最大值为10.6dB。图8b为本发明补偿键合线寄生影响后测试的RFIC CoB板的噪声系数测试结果，噪声系数最大值为5.1dB。可以看出，本发明的PCB相关性能更好，达到了准确验证芯片射频性能的目的。

本发明提出了一种基于6GHz以上频段RFIC CoB板上连接键合线的高频信号传输线特征参数测试提取方法，以此方法测试推导得出键合线的寄生参数，完成最终测试验证。

Claims (1)

1.一种键合线寄生参数测试提取方法,其特征在于：包括如下步骤：

第一、制作PCB板一和PCB板二；所述PCB板一上设置有50Ω传输线一；所述PCB板二上设置有50Ω传输线二和地线，在50Ω传输线二的右端附近放置被测器件；采用键合工艺用键合线将被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的右端连接，分别用键合线二、三将射频输出端两旁的接地端与PCB板二的地线连接；

第二、校准微波探针测试系统：利用校准基片和矢量网络分析仪对微波探针测试台进行校准；

第三、测试S参数：

将PCB板二以抽真空方式吸附在微波探针台上，用微波探针测试台测试已连接键合线的射频输出端的S参数；

分别测试50Ω传输线一的左、右两端的S参数；

第四、将测试点转换为面单元结构：

在50Ω传输线二的左端取端口测试点三(C)，在50Ω传输线一的左端取端口测试点一(A)，将端口测试点一(A)和端口测试点三(C)设置为同一垂直平面上的参考点，其所在的平面为测试参考平面；

在50Ω传输线二的右端取端口测试点四(E)，该端口测试点四(E)为被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的键合点，在50Ω传输线一的右端取端口测试点二(B)，端口测试点二(B)和端口测试点四(E)为同一垂直平面上的点，其所在的平面为测试平面一；

再在被测器件上取测试点五(D)，该测试点五(D)为被测器件的射频输出端与50Ω传输线二的键合点，测试点五(D)所在的平面为测试平面二，测试平面二与测试平面一平行；

第五、得到键合线的S参数

$\left[\begin{array}{cc}\left(-S_{11\mathrm{\Δ}}{S}_{22\mathrm{\Δ}}+S_{12\mathrm{\Δ}}{S}_{21\mathrm{\Δ}}\right)/S_{21\mathrm{\Δ}}& S_{11\mathrm{\Δ}}{S}_{21\mathrm{\Δ}}\\ -S_{22\mathrm{\Δ}}{S}_{21\mathrm{\Δ}}& 1/S_{21\mathrm{\Δ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left(-S_{11B}{S}_{22B}+S_{12B}{S}_{21B}\right)/S_{21B}& S_{11B}{S}_{21B}\\ -S_{22B}{S}_{21B}& 1/S_{21B}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}\left(-S_{11A}{S}_{22A}+S_{12A}{S}_{21A}\right)/S_{21A}& S_{11A}{S}_{21A}\\ -S_{22A}{S}_{21A}& 1/S_{21A}\end{array}\right]}^{-1}$

其中，S_11Δ为端口测试点四的反射系数，S_22Δ为测试点五的反射系数，S_12Δ为测试点五到端口测试点四的反向传输系数，S_21Δ为端口测试点四到测试点五的正向传输系数；S_11A为端口测试点一的反射系数，S_22A为端口测试点二的反射系数，S_12A为端口测试点二到端口测试点一的反向传输系数，S_21A为端口测试点一到端口测试点二的正向传输系数；S_11B为端口测试点三的反射系数，S_22B为测试点五的反射系数，S_12B为测试点五到端口测试点三的反向传输系数，S_21B为端口测试点三到测试点五的正向传输系数；

第六、测试验证

将PCB板二连接到矢量网络分析仪进行测试，在整理测试数据时：

如果PCB板二上的被测器件为接收机，将端口测试点四到测试点五的正向传输系数S_21Δ代入到测试数据中，对PCB板二的正向传输系数进行计算补偿，得到PCB板二上被测器件的实际增益或衰减P；计算公式为：

P＝P_T21-(S_21Δ/2)

其中，P_T21为PCB板二用矢量网络分析仪测得的PCB板二的正向传输系数值，S_21Δ为端口测试点四到测试点五的正向传输系数；

如果PCB板二上的被测器件为发射机，将测试点五到端口测试点四的反向传输系数S_12Δ代入到测试数据中，对PCB板二的反向传输系数进行计算补偿，得到PCB板二上被测器件的实际增益或衰减P；计算公式如公式：

P＝P_T12-(S_12Δ/2)

其中，P_T12为PCB板二用矢量网络分析仪测得的PCB板二的反向传输系数值，S_12Δ为测试点五到端口测试点四的反向传输系数。