CN113391254B - 高低温在片散射系数校准件及其制造方法 - Google Patents

高低温在片散射系数校准件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波毫米波在片散射参数测试及校准装置技术领域，特别涉及一种高低温在片散射系数校准件及其制造方法。本发明的校准件包括衬底，在衬底上表面设有一个直通标准件、一对反射标准件和至少一个传输线标准件，在衬底下表面设有背面金属层。所述衬底材料为近零温度系数的低损耗介质材料。本发明提供的校准件能够在低温‑55℃至高温125℃的温度范围内的任意温度下保证校准后的在片散射参数保持准确。

Description

高低温在片散射系数校准件及其制造方法
技术领域
本发明涉及微波毫米波在片散射参数测试及校准装置技术领域，特别是涉及一种可同时适用于高温、低温及常温三种不同环境条件下的微波毫米波在片散射参数测试校准件及其制造方法。
背景技术
散射参数是在微波毫米波频段用来描述有源和无源器件特性的非常有效的参数，它将与场相关的器件特性转换成网络的方式进行描述，能够让微波器件设计者很容易地计算出各种微波系统或微波电路的增益、回波损耗、稳定性、隔离度、网络的匹配以及其他重要的参数。对于需要使用微波探针台的器件散射参数测试，测试时需要将微波探针扎入器件的焊盘，实现从矢量网络分析仪的同轴或波导端口到器件焊盘的微波信号连接；为了保证散射参数特性测量的准确性，需要将测试参考面从矢量网络分析仪的同轴或波导端口拓展到探针尖端，此时，就在测试前需要用适当的在片校准件对探针台测试系统进行在片散射参数的校准，从而实现测试参考面向探针尖端拓展的目的。
目前在片校准件主要由两大类，一类是制作在陶瓷衬底上的off-wafer校准件，主要用于一般工业测量；另一类是采用与被测件相同衬底材料和相同传输线结构的on-wafer校准件，其准确度更高，属于专用校准件。这两类校准件只有在室温下使用时，才能达到预期的技术指标。
目前现有的技术中，有以下几种方法：
(1)使用现有的在片校准件，校准过程与常温在片散射参数校准的方法相同，即在室温下校准，在高低温下进行测量。
但此方法忽略了温度变化对于校准和测量过程的影响。而实际上，温度变化会使微波探针及周围电缆发生物理形变，造成微波探针及电缆等的微波特性发生改变，使原有的室温校准状态发生偏离，最终影响在片高低温散射参数的准确测量。Cascade公司曾在其技术文章中给出一组实验研究结果：在25℃下频率范围为1GHz～26.5GHz时进行校准，校准后在片S参数在26.5GHz频点上测量稳定性为-60dB(0.1％)，而当卡盘温度升至200℃时，如果仍使用室温校准数据进行散射参数测量，其测量结果的稳定性则变为了-15dB(17.8％)，并且随着频率的升高，这种偏差会越来越明显。如此大的偏差在很多在片高低温散射参数的测量应用中是不可接受的。
(2)使用现有的在片校准件，校准过程中将校准件放置在高低温卡盘上，保持校准温度与实际的测试温度一致，这样可以解决温度变化造成的微波探针头的微波特性改变未计入校准的问题。
但该方法虽然在具体校准过程中已经使用没有负载的标准的TRL校准件进行校准，能够避免在片负载中薄膜电阻的阻值对温度较为敏感的不利影响。但是，由于在片校准件衬底的介电特性也容易受到温度的影响，导致所用TRL校准件中的传输线标准特性阻抗Z0偏离其室温下的定义值，造成校准结果出现较大偏差，影响在片散射参数的准确测量，因此这种校准过程虽然比现有技术一有改进但并不完善。
(3)由Cascade公司基于大量的实验研究的基础上提出的，该方法实现起来相对简单并且测量准确度在一定程度上能满足一般器件的测试需求，其具体校准过程如图1所示。首先，将主卡盘的温度设置为与测量温度相同，将探针移动至主卡盘上稳定15min，此过程称为“烤探针”；然后，利用半自动探针台的自动校准功能，将探针迅速移动至放有在片校准件的辅助卡盘上，在探针温度恢复前迅速地完成校准。必须强调的是，在片高低温散射参数测试过程中要不断地监测测量结果的稳定性，一旦系统的稳定性不满足要求，必须重新进行系统校准。
虽然这种方法在一定程度上减小了探针温度的变化对测量结果的影响，但由于并不能完全消除探针温度变化的影响，在对测量准确度要求比较高的微波器件的建模或者计量等领域，上述校准过程就无法满足高测量准确度的要求，因此，需要根据实际的测量温度与测量频率来设计制作在片高低温散射参数校准件。
(4)Rumiantsev A.等人提出应该在不同的温度下分别研制且定义校准件，以此来提高在片高低温散射参数测试系统的准确度。美国Cascade公司认可上述观点。并发明了一个主卡盘和两个辅助卡盘回，在校准的过程中，将DUT放在主卡盘上，校准件放在辅助卡盘上。当主卡盘的温度发生变化时(-55℃～125℃)，辅助卡盘的温度变化较小(-5℃～55℃)，这样便可消除温度对校准件的影响。
但该设备价格昂贵，不易推广。
(5)中电13所在高低温及室温三种条件下，基于TRL校准件分别在GaAs衬底上进行仿真制作并定值，获得比较满意的校准效果。
但是该方案属于on-wafer校准件，需要分别将高温、室温、低温三种条件下的衬底材料的介电特性分别作为仿真输入参数，进行仿真设计。同一功能的校准件，需要分别设计三种，对应三种温度条件下使用。如果在此三种温度以外的其他温度下进行校准，同样有可能存在较大的偏差。并且，成倍增加的校准件数量使设计更复杂度、制作成本也更高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高低温在片散射系数校准件及其制造方法，其基本原理是通过选用近零温度系数的低损耗的衬底材料来消除由温度变化导致的校准件散射参数的偏离，从而实现低温至高温整个温度区间内，任意温度下的在片散射参数校准都能达到良好的校准效果。
为实现上述目的，本发明具体方案如下：
一种高低温在片散射系数校准件，包括衬底，在衬底上表面设有一个直通标准件、一对反射标准件和至少一个传输线标准件，在衬底下表面设有背面金属层。
其中，所述衬底材料为近零温度系数的低损耗介质材料。
其中，所述衬底材料为频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料。
其中，所述衬底材料为Al2O3—TiO2复合材料、ZnAl2O4—TiO2复合材料、Zn2SiO4—TiO2复合材料或Mg2SiO4—TiO2复合材料。
其中，所述背面金属层的材质为金。
其中，采用共面波导结构或微带线结构。
进一步的，所述直通标准件、反射标准件和传输线标准件中均包括地线和中心导带；地线的金属层和中心导带的金属层的材质均为金；所述的直通标准件、反射标准件和传输线标准件均采用共面波导结构。
或者，所述直通标准件、反射标准件和传输线标准件中均包括地压点和中心导带；地压点通过贯穿衬底的接地柱与所述背面金属层连接，所述的衬底中设有与接地柱相适配的接地通孔；所述的直通标准件、反射标准件和传输线标准件均采用微带线结构。其中，地压点的金属层、接地柱的金属层和中心导带的金属层的材质均为金。
本发明所述的高低温在片散射系数校准件的制造方法，包括如下步骤：
1)选择频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料做校准件的衬底；
2)在衬底上表面，采用磁控溅射、图形化光刻、干法湿法蚀刻或电镀加厚工艺，并按照50Ω阻抗匹配的设计要求，制作出一个直通标准件、一对反射标准件和至少一个传输线标准件，校准件可采用共面波导结构、微带线结构；
3)在衬底下表面采用与衬底上表面相同的电路制作工艺制作出背面金属层，从而完成校准件的制作。
与传统的氧化铝衬底的在片校准件相比，本发明的有益效果包括：
(1)传统的氧化铝衬底的在片校准件只能在室温下保证校准后的在片散射参数保持准确，而本发明提供的校准件能够在低温-55℃至高温125℃的温度范围内的任意温度下保证校准后的在片散射参数保持准确。如，在低温-55℃、室温23℃及高温125℃下，典型的驻波比测得值与标准值最大偏差分别为0.02、0.01和0.02；典型的直通件的衰减量测得值与标准值最大偏差分别为0.02dB、0.04dB和0.03dB。
(2)与现有的高低温校准件需要对同一功能的校准件分别设计三种，对应在三种温度条件下分别进行校准使用相比，本发明提供的校准件无需针对不同温度条件设计同一功能的校准件，校准件的总数量与传统的氧化铝衬底校准件相同。
(3)与现有的由普通氧化铝基板或其他高温度系数介质基板作为衬底的校准件相比，本发明提出的校准件使用近零温度系数的介质基板作为衬底，单套校准件可以实现很大温度区间的校准需求，免去了在高温或低温温度区间需要更换校准件进行重新校准的繁琐工序，从而能够缩减在片测试的总时间。
下面结合附图对本发明的高低温在片散射系数校准件及其制造方法作进一步说明。
附图说明
图1为Cascade公司推荐的在片高低温散射参数校准及测试过程；
图2为实施例1的高低温在片散射参数校准件(共面波导结构)的结构示意图；
图3为图2中“A-A”向的剖视结构示意图；
其中：1、衬底；2、直通标准件；3、反射标准件；4、传输线标准件；4-1、地线；4-1、中心导带；5、背面金属层。
图4为实施例2的高低温在片散射参数校准件(微带线结构)的结构示意图；
图5为图4中“B-B”向的剖视结构示意图。
其中：1、衬底；2、直通标准件；3、反射标准件；4、传输线标准件；4-1、地压点；4-2、中心导带；5、背面金属层；6、接地柱。
具体实施方式
实施例1
如图2-3所示，一种高低温在片散射参数校准件，包括衬底1，衬底1上表面制作有一个直通标准件2、一对反射标准件3和3个传输线标准件4。在衬底1下表面设有背面金属层5。
在其他有益实施例的变形中，传输线标准件也可以根据校准频率范围需求，设计制作不同的线长和数量。
衬底1的材料为频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料，如Al2O3—TiO2复合材料、ZnAl2O4—TiO2复合材料、Zn2SiO4—TiO2复合材料、Mg2SiO4—TiO2复合材料等。在其他有益实施例的变形中，衬底材料并不限于上述材料体系，本领域技术人员可以根据实际所述技术需要进行适当选择。
直通标准件2、反射标准件3和传输线标准件4均采用共面波导结构。
直通标准件2、反射标准件3和传输线标准件4中均包括地线4-1和中心导带4-2；地线4-1金属层、中心导带4-2金属层和背面金属层5优选为金。
该高低温在片散射系数校准件的制造方法，包括如下步骤：
1)选择频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料做校准件的衬底1；
2)在衬底1上表面，采用磁控溅射工艺，并按照50Ω阻抗匹配的设计要求，制作出直通标准件2、反射标准件3和传输线标准件4的各个地线4-1和金属导带4-2的金属层；
3)在衬底1下表面，采用与衬底1上表面相同的电路制作工艺制作出背面金属层(5)，从而完成校准件的制作。
在其他有益变形实施例中，步骤(2)还可采用图形化光刻、干法湿法蚀刻或电镀加厚工艺。
该高低温在片散射系数校准件在低温-55℃、室温23℃及高温125℃下，驻波比测得值与标准值最大偏差分别为0.02、0.01和0.02；直通件的衰减量测得值与标准值最大偏差分别为0.02dB、0.04dB和0.03dB。
实施例2
如图4-5所示，一种高低温在片散射参数校准件，包括衬底1，衬底1上表面制作有一个直通标准件2、一对反射标准件3和2个传输线标准件4。在衬底1下表面设有背面金属层5。
在其他有益实施例的变形中，传输线标准件也可以根据校准频率范围需求，设计制作不同的线长和数量。
衬底1的材料为频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料，如Al2O3—TiO2复合材料、ZnAl2O4—TiO2复合材料、Zn2SiO4—TiO2复合材料、Mg2SiO4—TiO2复合材料等。在其他有益实施例的变形中，衬底材料并不限于上述材料体系，本领域技术人员可以根据实际所述技术需要进行适当选择。
直通标准件2、反射标准件3和传输线标准件4均采用微带线结构。
直通标准件2、反射标准件3和传输线标准件4中均包括地压点4-1和中心导带4-2；地压点4-1通过贯穿衬底1的接地柱6与所述背面金属层5连接，所述的衬底1中设有与接地柱6相适配的接地通孔。其中，地压点4-1的金属层、接地柱6的金属层、中心导带4-2的金属层和背面金属层5的材质均为金。
该高低温在片散射系数校准件的制造方法，包括如下步骤：
1)选择频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料做校准件的衬底1；
2)在衬底1上根据所用GSG探针的间距尺寸，如150μm，间隔300μm钻孔；
3)采用“PTH制程”(即主要工作程序包含了去胶渣、化学金和电镀金三个程序)进行通孔的金属化，形成接地柱6，所用金属优选为金；
4)采用图形化光刻工艺，并按照50Ω阻抗匹配的设计要求，制作出直通标准件2、反射标准件3和传输线标准件4中的各个地压点4-1和金属导带4-2的金属层；
5)在衬底1下表面，采用与衬底1上表面相同的电路制作工艺制作出背面金属层5，需要确保各接地柱6能够将各压地点4-1与所述背面金属层5相连接，完成校准件的制作。
在其他有益变形实施例中，步骤(4)还可采用磁控溅射、干法湿法蚀刻或电镀加厚工艺。
该高低温在片散射系数校准件在低温-55℃、室温23℃及高温125℃下，驻波比测得值与标准值最大偏差分别为0.02、0.01和0.02；直通件的衰减量测得值与标准值最大偏差分别为0.02dB、0.04dB和0.03dB。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高低温在片散射系数校准件，其特征在于：包括衬底，在衬底上表面设有一个直通标准件、一对反射标准件和至少一个传输线标准件，在衬底下表面设有背面金属层；
所述衬底材料为频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料；具体为Al2O3—TiO2复合材料、ZnAl2O4—TiO2复合材料、Zn2SiO4—TiO2复合材料或Mg2SiO4—TiO2复合材料。
2.根据权利要求1所述的高低温在片散射系数校准件，其特征在于：所述背面金属层的材质为金。
3.根据权利要求1所述的高低温在片散射系数校准件，其特征在于：采用共面波导结构或微带线结构。
4.根据权利要求1所述的高低温在片散射系数校准件，其特征在于：所述直通标准件、反射标准件和传输线标准件中均包括地线和中心导带；地线的金属层和中心导带的金属层的材质均为金；
所述的直通标准件、反射标准件和传输线标准件均采用共面波导结构。
5.根据权利要求1所述的高低温在片散射系数校准件，其特征在于：所述直通标准件、反射标准件和传输线标准件中均包括地压点和中心导带；地压点通过贯穿衬底的接地柱与所述背面金属层连接，所述的衬底中设有与接地柱相适配的接地通孔；
所述的直通标准件、反射标准件和传输线标准件均采用微带线结构。
6.根据权利要求5所述的高低温在片散射系数校准件，其特征在于：地压点的金属层、接地柱的金属层和中心导带的金属层的材质均为金。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的高低温在片散射系数校准件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选择频率温度系数在±2ppm/K以内的低损耗介质陶瓷材料做校准件的衬底；
2）在衬底上表面，制作出一个直通标准件、一对反射标准件和至少一个传输线标准件，校准件采用共面波导结构或微带线结构；
3）在衬底下表面制作出背面金属层，从而完成校准件的制作。
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