CN113219216A - 一种氮化镓微波晶体管测试夹具及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓微波晶体管测试夹具及其工作方法，其中夹具包括：PCB板，设有用于安放待测晶体管的切槽，PCB板上还设有微带电路，所述微带电路包括射频主线电路和偏置电路；所述射频主线电路用于为待测晶体管通入射频信号，以及将待测晶体管端的阻抗转换到测试仪器端口的50欧姆；所述偏置电路为所述待测晶体管进行直流偏置，偏置电路上设有防自激电路。本发明通过射频主线电路进行阻抗匹配，根据待测器件自身的阻抗，将50欧姆转换到对应的欧姆，避免阻抗失配，导致晶体管产生自激振荡；另外，在偏置电路上设有防自激电路，抑制晶体管自激振荡，防止对测试仪器造成损伤，可广泛应用于半导体器件测试技术领域。

Description

一种氮化镓微波晶体管测试夹具及其工作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件测试技术领域，尤其涉及一种氮化镓微波晶体管测试夹具及其工作方法。

背景技术

第三代半导体氮化镓具有禁带宽度大、电子饱和速度大、击穿电压高、工作频率高、输出功率高等优点，是制作微波器件的良好材料。氮化镓基的微波晶体管是功率放大器的核心器件，微波晶体管的测试分析是保证器件质量的关键手段，夹具制作技术对测试结果影响巨大。

有的测试仪器如矢量网络分析仪的测试端口是同轴端口，大功率氮化镓基微波器件往往采用金属陶瓷封装，是非同轴结构，进行测试时需要将器件的非同轴端口转为测试仪器处的同轴端口，一部分氮化镓微波器件使用内匹配封装，即内部有匹配电路，匹配到外部引脚为50欧姆，一部分氮化镓微波器件没有做内匹配，测试时需要在外部电路进行匹配到50欧姆。

测试夹具作为被测件和测试仪器之间的桥梁，需要具备：固定器件，对器件馈电，同轴转微带，散热等功能。现有的测试仪器端口是50欧姆，而氮化镓基的大功率晶体管的阻抗往往只有十几欧姆甚至几欧姆，使用50欧姆的夹具会造成测试时阻抗失配，导致反射大，测量不准确。

对于氮化镓基微波晶体管，由于器件本身的增益比较高，当电路中存在正反馈的时候，很容易自激，导致晶体管性能恶化甚至烧毁，自激时，会将射频信号放大到很大倍数，会导致网络分析仪开启自保护，也不便于测试晶体管的s参数。自激振荡根据起振原因的不同，分为低频振荡、参数振荡、负阻振荡，其中微波器件中主要的振荡是低频振荡，低频振荡产生的原因分为：1：热反馈效应，指微波晶体管在较高温度下本征激发增加，使其偏离工作状态，引起自激振荡；2：电源馈电网络，顾名思义，当电源馈电不良，也即存在耦合、纹波时，外界的微小干扰、电源纹波过大就可能引起微波晶体管自激振荡；3：耦合场的外回馈，指微波晶体管输出端泄漏的微波信号通常通过极间电容耦合到输入端，当晶体管增益较高时，输出的耦合信号与输入信号幅度接近，一旦两者相位接近，就会构成正反馈，导致自激振荡。

现有的氮化镓微波晶体管测试夹具至少存在以下技术问题：需要使用额外的隔离器或者衰减器来避免晶体管自激造成对测试仪器的损坏，没有直流偏置电路，需要额外购买偏置器；额外制作了晶体管压紧装置，增加了成本；对于晶体管的自激没能很好的消除。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种氮化镓微波晶体管测试夹具及其工作方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种氮化镓微波晶体管测试夹具，包括：

PCB板，设有用于安放待测晶体管的切槽，PCB板上还设有微带电路，所述微带电路包括射频主线电路和偏置电路；

所述射频主线电路用于为待测晶体管通入射频信号，以及将待测晶体管端的阻抗转换到测试仪器端口的50欧姆；

所述偏置电路为所述待测晶体管进行直流偏置，偏置电路上设有防自激电路。

进一步，所述射频主线电路包括栅极微带线和漏极微带线；

所述栅极微带线的第一端连接至所述切槽，所述栅极微带线的第二端连接至第一同轴接头，所述栅极微带线的宽度从第一端到第二端逐渐变小；

所述漏极微带线的第一端连接至所述切槽，所述漏极微带线的第二端连接至第二同轴接头，所述漏极微带的宽度从第一端到第二端逐渐变小。

进一步，所述栅极微带线包括多段线宽不同且依次连接的线段，在线段的连接之间设有至少一个隔直电容。

进一步，所述偏置电路包括栅极偏置电路和漏极偏置电路，

栅极偏置电路包括第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线之间连接有稳定电阻；

漏极偏置电路的微带线上并联有RC回路，所述RC回路由电阻和电容串联组成；

所述稳定电阻和RC回路组成防自激电路。

进一步，所述第一微带线与地之间连接有用于低频滤波和去耦的电容，所述漏极偏置电路的微带线与地之间连接有用于低频滤波和去耦的电容。

进一步，所述栅极偏置电路和漏极偏置电路上设有扇形电容。

进一步，所述氮化镓微波晶体管测试夹具还包括散热件；

所述散热件上设有用于安放待测晶体管的凹槽。

进一步，所述PCB板上还设有接地区域和通孔，所述通孔包括接地孔、电磁屏蔽通孔以及用于与散热件固定的螺丝孔，所述接地孔设置在接地区域内。

进一步，所述接地区域上敷有金属铜，所述散热件由铝合金构成。

本发明所采用的另一技术方案是：

基于上述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具的工作方法，包括以下步骤：

将待测晶体管放置于PCB板的切槽处，将待测晶体管的引脚连接上射频主线电路和偏置电路；

接通直流电源，由偏置电路为待测晶体管进行偏置；

连接信号源，由射频主线电路为待测晶体管提供射频信号。

本发明的有益效果是：本发明通过射频主线电路进行阻抗匹配，根据待测器件自身的阻抗，将50欧姆转换到对应的欧姆，避免阻抗失配，导致晶体管产生自激振荡；另外，在偏置电路上设有防自激电路，抑制晶体管自激振荡，防止对测试仪器造成损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发发明实施例中一种氮化镓微波晶体管测试夹具的俯视图；

图2是本发发明实施例中一种氮化镓微波晶体管测试夹具的主视图。

附图标记：1、PCB板；2：螺丝通孔；3：同轴接头；4：微带线；5：扇形电容；6：隔直电容；7：稳定电阻；8：增强电磁屏蔽通孔；9：敷铜接地区域；10：直流偏置微带线；11：直流电源线；12：接地通孔；13：滤波电容；14：电解电容；15：RC回路；16：晶体管切槽；17：散热件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种氮化镓微波晶体管测试夹具，包括：

PCB板，设有用于安放待测晶体管的切槽，PCB板上还设有微带电路，所述微带电路包括射频主线电路和偏置电路；

所述射频主线电路用于为待测晶体管通入射频信号，以及将待测晶体管端的阻抗转换到测试仪器端口的50欧姆；切槽安置在射频主线电路的所述偏置电路为所述待测晶体管进行直流偏置，偏置电路上设有防自激电路。

进一步作为可选的实施方式，射频主线电路(主要由微带线组成)用于给晶体管通入射频信号，将晶体管端的阻抗转换到测试仪器端口的50欧姆，主线微带线不限于渐变线、阶梯线，左边是50欧姆，从左到右的宽度依次增加，因为微带线宽度越大，阻抗越小。射频主线电路上有隔直电容，用于阻止偏置电路处的直流进入射频端损坏器件，该隔直电容是高Q值的电容，Q值越高，损耗越小。

进一步作为可选的实施方式，在PCB板上有防自激电路，一般的防自激电路包括在栅源端加入RC反馈电路、引入栅极串联电阻、增大源极接地电感。本实施例出于去嵌入考虑，将防自激电路设计在栅极漏极偏置端，具体的做法是在栅极偏置处串联一个100欧姆的电阻起稳定作用，因为栅极是肖特基结，电阻不会分流，以及在栅极漏极偏置电路上放置一些电容进行滤波，同时在漏极偏置电路并联电阻和电容串联的RC网络用于稳定电路。

进一步作为可选的实施方式，直流偏置电路分为栅极直流偏置电路和漏极直流偏置电路，栅极和漏极偏置电路一般选择4个电容用于低频滤波和去耦，滤除电源纹波，提供稳定的电源。因为栅极和漏极的电压不一样，因此偏置电路的电容选择不一样，对于漏极，电压电流比较大，需要选择100uf的电容滤除电源杂波，且大电容要放置在靠近电源端，直流偏置还需要具有良好的隔离度，阻止射频信号进入直流电源，损害仪器，本实施例的电容电阻取值对于夹具的稳定测试、消除自激有极佳的效果。

进一步作为可选的实施方式，为了扩展测试带宽，在栅极和漏极偏置电路上设置有扇形电容。

进一步作为可选的实施方式，氮化镓微波晶体管测试夹具还包括散热件，散热件上设有用于安放待测晶体管的凹槽。PCB板上还设有接地区域和通孔，所述通孔包括接地孔、电磁屏蔽通孔以及用于与散热件固定的螺丝孔，所述接地孔设置在接地区域内。所述PCB板与同轴转微带的同轴接头一起固定在散热件上，射频主线电路中间切槽，用于晶体管栅极和漏极与射频主线电路相连。

进一步作为可选的实施方式，散热件由铝合金构成，铝合金价格便宜，散热性好，是电子零件散热件常用材料。散热件上有凹槽和螺丝孔，凹槽用于放置晶体管，螺丝孔用于螺丝将晶体管源极与散热件进行固定。

进一步作为可选的实施方式，在PCB板上进行敷铜，敷铜区域在接地通孔附近，无孤立的铜，因为在高频率的电路板上，每毫米的铜都有1nh的电感，避免出现电感效应，PCB板背面全部敷铜。

进一步作为可选的实施方式，用于与散热件固定的通孔直径是3mm，电容接地处有通孔，直径为1mm，用于更好的接地，夹具上其他通孔用于增强电磁屏蔽，减少电磁干扰。

进一步作为可选的实施方式，根据测试频率的不同，不限于SMA、N型、2.92mm、2.4mm、APC型等，本夹具针对的器件最大工作到6GHz，使用SMA同轴接头。

下面结合附图1、附图2和具体实施方式对本发明做进一步说明：

测试器件(即待测晶体管)以CREE公司生产的商用器件CGH40010F为例，使用本实施例的夹具能稳定的进行直流性能测试、小信号测试，以及进行负载牵引测试。

本实施例提供一种氮化镓微波晶体管测试夹具，夹具主体包括PCB板1、散热件17，其中：

所述PCB板1上包括射频通道的微带线4(即射频主线电路的微带线，切槽的左侧为栅极微带线，切槽的右侧为漏极微带线)、直流偏置微带线10、直流电源线11(左侧为栅极电源线和右侧为漏极电源线)、敷铜接地区域9、螺丝通孔2、增强电磁屏蔽通孔8、接地通孔12、同轴接头3、晶体管切槽16，射频主线电路的微带电路4不限于渐变线、阶梯线，直流偏置微带电路10分为栅极直流偏置电路和漏极直流偏置电路，根据晶体管本身的阻抗，射频主线电路通过微带线4将测试仪器端口50欧姆转为晶体管端10欧姆，主线上有高Q值的隔直电容6，能避免直流信号进入测试仪器射频端口。

栅极偏置处有4个滤波电容13，电容的容值组合依次是10uf、33nf、470pf、39pf，选择的是贴片电容，便于安装。同时使用100欧姆的稳定电阻7用于稳定电路，漏极偏置处滤波电容14选择，依次是100uf、33nf、470pf、39pf，靠近电源处的电容容值大，小电容旁边并联电阻和电容串联的RC回路15，电阻选50欧姆，电容选择1nf，用以稳定电路，这种电容电阻组合对于晶体管滤波、稳定起着十分关键的作用。直流偏置必须与射频主线成短路状态，一般使用四分之一波长线，将短路变成开路，对直流偏置进行仿真时要求s11和s22低于-15dB，不过由于四分之一波长线只能对单独的频点短路变开路，导致测试带宽很小，因此在偏置电路上添加扇形电容5，可以拓展测试带宽，扇形电容的半径决定谐振频率，角度决定带宽，角度越大，带宽越大，最大不超过90°。

射频主线微带线4与晶体管栅极、漏极引脚接触，晶体管放置在晶体管切槽16中，使用螺丝将晶体管的源极与散热件固定，不需要使用压紧件，晶体管的栅极和漏极能与射频主线进行良好的接触。

根据测试频率的变化，同轴接头3可以选择N型、SMA型、2.4mm、2.94mm连接器，同轴接头下端通过螺丝与散热件固定，中心通过焊锡与射频主线进行连接。

防自激电路一般是栅源RC反馈网络、在源极接地处增大电感，但是本夹具为了方便去嵌，在偏置电路上设置了滤波电容13、稳定电阻7、RC回路15进行防自激设计。

PCB板1板材采用罗杰斯4350B，板厚0.76mm，敷铜厚度35um，微带线4、10采用先敷铜后沉金的工艺，相比于OSP、化银工艺，沉金有多种优势：可电测性好、导热性好，散热性良好、PCB温度低，晶体管工作更稳定，焊接强度好，沉金板三次高温之后焊点饱满、光亮，并对锡膏、阻焊剂活性没有影响。

PCB板1上有接地通孔12，放置于电容接地处，直径1mm，增强电磁屏蔽通孔8放置于微带线4上下侧，本专利只设计了6个，但数量不限，根据夹具的大小可以调整数量，螺丝通孔3用于与散热件17连接，直径3mm，通过四个角上的3mm直径的螺丝与散热件17相连接。

散热件17使用铝合金，因为晶体管工作时会产生大量的热，如果不做散热件进行散热，会导致晶体管烧毁，铝合金作为散热材料成本较低，散热效果好。

综上所述，本实施例夹具，针对晶体管易发生自激，对射频主线进行阻抗预匹配，制作了散热件，同时在偏置电路处进行了滤波电路设计和防自激设计，针对测试频段小的问题，添加了扇形电容扩展带宽。本实施例的夹具因为具有阻抗转换功能，所以能用于进行负载牵引测试，同时能对晶体管进行直流特性测试和小信号参数测试。通过对滤波电容和稳定电阻选取特定的值，能够有效避免测试时晶体管发生自激振荡，防止对测试仪器造成损伤，便于对晶体管进行S参数测试。使用螺丝固定器件，能使晶体管栅极漏极与主线接触良好，源极与热沉接触良好，达到良好的散热效果，同时拆装灵活，不需要额外设计压紧装置。本发明装置结构简单，灵活，易于制作。

本实施例的测试夹具工作方式为：以带引脚的微波晶体管为例，首先将晶体管固定在切槽16处，左右引脚分别与夹具上微带线4进行接触，然后将电源线11接通电源，同轴接头3与网络分析仪连接，用于接通射频信号，至此，本夹具与器件的安装已经完成，该步骤简洁，不需要额外的压紧件或者螺丝，操作简单。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，包括：

PCB板，设有用于安放待测晶体管的切槽，PCB板上还设有微带电路，所述微带电路包括射频主线电路和偏置电路；

所述射频主线电路用于为待测晶体管通入射频信号，以及将待测晶体管端的阻抗转换到测试仪器端口的50欧姆；

所述偏置电路为所述待测晶体管进行直流偏置，偏置电路上设有防自激电路。

2.根据权利要求1所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述射频主线电路包括栅极微带线和漏极微带线；

所述栅极微带线的第一端连接至所述切槽，所述栅极微带线的第二端连接至第一同轴接头，所述栅极微带线的宽度从第一端到第二端逐渐变小；

所述漏极微带线的第一端连接至所述切槽，所述漏极微带线的第二端连接至第二同轴接头，所述漏极微带的宽度从第一端到第二端逐渐变小。

3.根据权利要求2所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述栅极微带线包括多段线宽不同且依次连接的线段，在线段的连接之间设有至少一个隔直电容。

4.根据权利要求1所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述偏置电路包括栅极偏置电路和漏极偏置电路，

栅极偏置电路包括第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线之间连接有稳定电阻；

漏极偏置电路的微带线上并联有RC回路，所述RC回路由电阻和电容串联组成；

所述稳定电阻和RC回路组成防自激电路。

5.根据权利要求4所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述第一微带线与地之间连接有用于低频滤波和去耦的电容，所述漏极偏置电路的微带线与地之间连接有用于低频滤波和去耦的电容。

6.根据权利要求4所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述栅极偏置电路和漏极偏置电路上设有扇形电容。

7.根据权利要求1所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述氮化镓微波晶体管测试夹具还包括散热件；

所述散热件上设有用于安放待测晶体管的凹槽。

8.根据权利要求7所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述PCB板上还设有接地区域和通孔，所述通孔包括接地孔、电磁屏蔽通孔以及用于与散热件固定的螺丝孔，所述接地孔设置在接地区域内。

9.根据权利要求8所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具，其特征在于，所述接地区域上敷有金属铜，所述散热件由铝合金构成。

10.权利要求1-9任一项所述的一种氮化镓微波晶体管测试夹具的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待测晶体管放置于PCB板的切槽处，将待测晶体管的引脚连接上射频主线电路和偏置电路；

接通直流电源，由偏置电路为待测晶体管进行偏置；

连接信号源，由射频主线电路为待测晶体管提供射频信号。

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