CN109959861B

CN109959861B - 一种微波键合线寄生效应自适应消除系统

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Publication number: CN109959861B
Application number: CN201910124618.1A
Authority: CN
Inventors: 张钰英; 王魁松
Original assignee: Kunshan Microelectronics Technology Research Institute
Current assignee: Kunshan Microelectronics Technology Research Institute
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: CN109959861A

Abstract

本发明涉及一种微波键合线寄生效应自适应消除系统，包括：测试基板、压控调谐电容、调谐信号控制模块；其中，所述调谐信号控制模块分别连接所述压控调谐电容和测试基板；被测芯片通过键合线与所述测试基板连接；所述调谐信号控制模块根据寄生感抗拟合模型产生调谐控制信号，以消除键合线寄生效应。该系统可广泛应用于微波芯片测试，尤其是亚毫米波、毫米波及更高频段芯片测试。

Description

一种微波键合线寄生效应自适应消除系统

技术领域

本发明属于芯片测试领域，它可广泛应用于各类微波芯片测试，具体涉及一种微波键合线寄生效应自适应消除系统。

背景技术

微波芯片的测试大都使用外部测试仪器，如：矢量网络分析仪、信号源、频谱仪等，配合探针台来进行测试。然而随着微波集成芯片(MMIC)朝着多通道、数模混合和的方向发展，芯片的集成度越来越高，涉及到的信号端口、电压种类、电压位也越来越多；相对于芯片的体积，探针台的探针体积较大，难以实现多信号端口、多种多位电压同时接入芯片；此外，在微波频段，直流探针附带的高频效应将影响微波芯片的测试结果，尤其是在毫米波及以上频段，常需采用外部搭载电路避免高频效应。因此常将微波芯片通过键合线与外部测试板连接进行测试。

现今业界大都采用金丝键合线，其电学性能相较于其他金属较好，然而依然会产生寄生效应。在低频段，寄生效应带来的影响不明显，但是到高频段，例如亚毫米波、毫米波、W波段等，寄生效应对芯片性能的影响不容忽视，尤其是对微波信号输入输出口。键合线以空气桥方式进行连接，寄生效应受其自身长度、角度、垂直度、接入点芯片和测试电路位置等因素影响较大，通常在芯片设计时加入键合线进行仿真评估；然而在实际测试时，键合线的寄生效应还受环境中湿度、温度等影响，这些因素随季节、地域、气候不同而不同，难以准确把控误差范围，因此仅仅采用电学仿真方式评估或消除芯片测试过程中键合线寄生效应的适用性不强。键合线的寄生效应虽然可通过单次调测进行寄生抵消，但在多通道输入输出情况下，不同频率和不同环境对应的寄生效应不同，测试过程中将花费较多的时间来调测消除，将导致测试效率难以保证；为了能尽可能高效的进行测试，自适应的寄生抵消系统在该领域将有较大的实用价值。

发明内容

本发明旨在设计一套通用性强、制备简单、操作容易的微波芯片测试系统，尽可能的消除测试过程中键合线对芯片性能的影响，使之可以广泛适用于各种微波芯片的测试需要。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

根据本发明的一个方面，提供了一种微波键合线寄生效应自适应消除系统，包括：

测试基板、压控调谐电容、调谐信号控制模块；其中，所述调谐信号控制模块分别连接所述压控调谐电容和测试基板；

被测芯片通过键合线与所述测试基板连接；

所述调谐信号控制模块根据寄生感抗拟合模型产生调谐控制信号，以消除键合线寄生效应。

优选的，所述寄生感抗拟合模型能够根据实际测试数据进行学习修正。

优选的，所述寄生感抗拟合模型采用最小二乘法聚类分析拟合，拟合出键合线寄生效应曲线。

优选的，结合实测数据，通过牛顿迭代方式学习修正所述寄生感抗拟合模型。

优选的，所述寄生感抗拟合模型中包括环境湿度影响因子和环境温度影响因子。

优选的，所述系统抽取寄生感抗拟合模型中的寄生特性，计算产生控制信号。

优选的，所述调谐信号控制模块采用单片机、FPGA或PLC。

优选的，所述调谐信号控制模块根据寄生感抗拟合模型产生调谐控制信号，具体包括：所述调谐信号控制模块根据键合线寄生感抗学习库，产生寄生感抗拟合模型，结合读取的微波输入信号信息计算匹配容抗，并对比压控调谐电容范围、精度，产生最终的调谐控制信号。

优选的，所述聚类分析采用闵可夫斯基距离计算。

本发明的优点在于，通过可调谐电容消除键合线寄生效应；电容调谐信号通过控制模块中的键合线寄生效应拟合模型自动抽取模拟数据，计算出调谐电容值，在调谐电容的精度和范围内，产生控制信号，从而实现系统自适应消除键合线寄生效应功能。该系统可广泛应用于微波芯片测试，尤其是亚毫米波、毫米波及更高频段芯片测试。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明微波键合线寄生效应自适应消除系统示意图。

图2是本发明寄生感抗拟合模型建立示意图。

图3是本发明键合线结构示意图。

图4是本发明键合线等效电路示意图。

图5是本发明键合线阻抗测试示意图。

图6是本发明键合线阻抗测试S参数示意图。

图7是本发明键合线寄生效应消除电路结构示意图。

图8是本发明利用模型计算给出的调谐电容值对键合线寄生效应进行抵消效果图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以一个具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

为实现上述目的，如图1所示，一种微波键合线寄生效应自适应消除系统，包括测试基板、压控调谐电容、调谐信号控制模块。被测芯片通过键合线与基板测试电路连接，键合线产生的寄生效应可通过基板上的调谐电容进行消除；调谐信号控制模块中包含了寄生感抗拟合模型；模型可以比对实际测试数据进行学习修正模型；根据键合线拟合的模型，系统能产生调控信号进行自适应消除寄生效应。所述调谐信号控制模块硬件上采用单片机、FPGA或PLC实现。

如图1所示，所述被测芯片需通过键合线与测试基板连接。所述寄生效应消除电容采用压控调谐电容。所述寄生效应模型采用最小二乘法聚类分析拟合。根据键合线寄生感抗学习库，产生寄生感抗拟合模型，结合读取的微波输入信号信息计算匹配容抗，并对比压控调谐电容范围、精度，从而产生最终的调谐控制信号。

如图2所示，所述寄生效应模型可通过迭代方式学习修正模型。所述寄生效应模型中加入了环境湿度和温度影响因子。所述系统能抽取键合线模型中的寄生特性，自动计算产生控制信号，消除键合线的寄生效应。

从工作原理上说明，本发明微波键合线寄生效应自适应消除系统通过引入压控调谐电容，消除键合线在不同频率下的寄生效应。键合线的等效电路如图4所示，其中：

L＝(μ₀l/2π).[ln(4l/d)+μ_r tan(4l/d)/4-1]

C＝ε_rε_o(A/h_o)

其中，μ₀和ε_o为自由空间的磁导率和电导率，μ_r、ε_r和p分别表示键合线的相对磁导率、相对电导率和电阻率，l为键合线长度，A表示金丝焊盘的面积，h₀为介质基板的厚度，d是键合线的直径。

当键合线的直径d和趋肤深度d_s的比值满足d/d_s较小时，电阻R表示为：

R＝(4pl/πd²).cos[0.041(d/d_s)²]

由于趋肤深度与频率的平方根呈反比，L、C受频率的影响较小，R则随着频率的平方根而变化。但从金丝键合互连线的等效电路模型分析可知，随着工作频率的增大，从亚毫米波波段，键合线的寄生电感效应会显著增加，并会对互连传输特性产生较大影响，因此需要对其进行消除减小影响。

在高频段寄生电感的阻抗为Z_l＝jωl；因此要想消除键合线的感抗效应，对其进行虚部共轭匹配即可，引入电容的阻抗量为

当Z_c＝-Z_l，即

时，可将电感的寄生效应抵消。

如图2所示，是寄生感抗拟合模型建立示意图。由于键合线采用空气桥的方式连接，影响寄生效应的因素除了键合线本身的电学特性(如金属种类、横截面种类)之外，还包括键合倾斜角度、垂直度、接入点位置、长度、横截面尺寸等因素；这些因素对寄生效应的影响可以通过对键合线等效模型的仿真进行评估。所述寄生感抗拟合模型能够根据实际测试数据进行学习修正。优选的，所述寄生感抗拟合模型通过牛顿迭代方式学习修正。

然而，由于在芯片测试时，裸露在外界空气环境中，空气的湿度和温度对寄生效应也存在一定影响。键合线的导电率随温度的升高电阻率升高，存在以下关系：

ρ＝ρ(T)+ρ_残

低温时，残余电阻率ρ_残起主导作用，金属缺陷类型和数量决定键合线电阻率；当温度升高后电子的热运动主导键合线的导电率，即ρ(T)起主导作用，且ρ(T)∝αT²。

湿度是衡量空气中水分的多少的一个量度。键合线表层通常带有绝缘层，当其裸露在空气中时，空气中的水分将附着在绝缘材料的表面，使键合线的绝缘电阻降低，导致其泄漏电流大大增加，造成绝缘击穿，对其电气性能造成影响；在芯片和基板的电气连接点处存在无绝缘层保护的情况，空气中的水分也将直接附着在金属表层，同样会影响键合线的电阻率。此外，由于温度会影响空气中水分的导电离子数量，且空气中的其他气体少量溶解在水气中都会影响键合线的电阻率，各个因素之间既有独立性又有关联性；因此，本发明将湿度作为一个环境牵引标量，来衡量空气中湿度对键合线电阻率变化的影响。

综上，因此本发明将采用最小二乘聚类分析法模拟各个因素的相关性和独立性，拟合出键合线寄生效应曲线；通过对比大量实际测试数据，采用牛顿迭代法进行学习，从而提高模型的准确度。

本自适应消除系统中对控制信号的产生也是以该计算方式求得。

模型中所用到的最小二乘法基底函数为：

误差为：

误差和为：

聚类分析采用闵可夫斯基距离(Minkowski Distance)计算：

牛顿迭代法：

其中，x_i为影响因素，θ_i为数据拟合系数，y_i为实测数据；

λ是一个参变量，当λ＝1时，代表曼哈顿距离；

当λ＝2时，代表欧氏距离；

当λ→∞时，代表切比雪夫距离；

根据λ的不同，闵可夫斯基距离可以表示一类距离，即能包含多种距离计算；在本系统中影响键合线模型的因素大于2，属于切比雪夫距离聚类，λ的值即为各类影响因素之和。

通过对比实际寄生数据，不断迭代减小误差值，最终拟合出键合线电学特性模型函数f(X；θ)，即为本系统控制信号的参考模型。

实施例1

本实施例中提供一种微波键合线寄生效应自适应消除系统，抵消圆形截面直径12.5um，导电率1.3e7S键合线寄生效应，键合线形状如图3所示；采用图4所示测试电路结构测得该键合线阻抗如图5所示，随着频率的增加，键合线寄生感抗效应越来越大，本实施案例以频率20GHz处的寄生感抗作为目标消除对象计算电容量；如图6所示，在20GHz处，寄生感抗为j91.682欧姆。图7是键合线寄生效应消除电路结构示意图。根据模型计算出电容量为0.086pF，从仿真结果来看，寄生感抗得到了较好的抵消，如图8所示，最终感抗为j0.003欧姆。

综上，本发明提供一种微波键合线寄生效应自适应消除系统，通过可调谐电容消除键合线寄生效应；电容调谐信号通过控制模块中的键合线寄生效应拟合模型自动抽取模拟数据，计算出调谐电容值，在调谐电容的精度和范围内，产生控制信号。从而实现系统自适应消除键合线寄生效应功能。该系统可广泛应用于微波芯片测试，尤其是亚毫米波、毫米波及更高频段芯片测试。

需要说明的是：

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的虚拟机的创建装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，包括：

被测芯片通过键合线与所述测试基板连接；

所述调谐信号控制模块根据寄生感抗拟合模型产生调谐控制信号，以消除键合线寄生效应，包括：所述调谐信号控制模块根据键合线寄生感抗学习库，产生寄生感抗拟合模型，结合读取的微波输入信号信息计算匹配容抗，并对比压控调谐电容范围、精度，产生最终的调谐控制信号。

2.根据权利要求1所述微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，所述寄生感抗拟合模型能够根据实际测试数据进行学习修正。

3.根据权利要求1所述微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，所述寄生感抗拟合模型采用最小二乘法聚类分析拟合，拟合出键合线寄生效应曲线。

4.根据权利要求3所述微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，结合实测数据，通过牛顿迭代方式学习修正所述寄生感抗拟合模型。

5.根据权利要求1所述微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，所述寄生感抗拟合模型中包括环境湿度影响因子和环境温度影响因子。

6.根据权利要求1所述微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，所述系统抽取寄生感抗拟合模型中的寄生特性，计算产生所述调谐控制信号。

7.根据权利要求1所述微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，所述调谐信号控制模块采用单片机、FPGA或PLC。

8.根据权利要求3所述微波键合线寄生效应自适应消除系统，其特征在于，所述聚类分析采用闵可夫斯基距离计算。