CN114814699A - 一种结构内嵌的在片校准件及其校准测试方法 - Google Patents

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陈俊辉
周杰峰
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Abstract

本发明公开了一种结构内嵌的在片校准件及其校准测试方法。包括七种校准件，均包括衬底和金属层，金属层包括两侧的地导体和中间间隙两端的可换结构，地导体采用金属片，可换结构包括固定区域和可换区域，固定区域紧邻于衬底边沿，可换区域紧邻于固定区域为四种结构之一；测试获得所有校准件的散射参数矩阵和寄生参数并输入16项误差模型校准拟合，将被测件的散射参数矩阵输入到校准拟合后的16项误差模型输出散射参数测量值。本发明通过将开路、短路和负载结构进行内嵌化设计避免因探针与不同结构的校准件接触导致寄生参数的变化，有效降低测试误差，提高在片校准的准确度，且简化校准件结构，无过孔化设计，降低了校准件加工制作的难度。

Description

一种结构内嵌的在片校准件及其校准测试方法
技术领域
本发明涉及微波器件在片测试校准技术领域的在片校准件，具体涉及一种结构内嵌的在片校准件及其测试方法。
背景技术
微波器件的在片测试是指使用矢量网络分析仪和微波探针直接测量晶圆或裸芯片的散射参数的过程。由于微波探针本身会对测试结果造成影响，测试前需要使用在片校准件对微波探针引入的误差进行校准，目的是将校准参考平面从矢量网络分析仪的同轴端面移动到探针针尖。在片校准件与传统同轴型校准件的区别在于在片校准件是设计在衬底材料上的平面型器件。在片校准件可以根据衬底材料的不同分为两类，一类采用陶瓷衬底，适用于制作在不同衬底上的被测件，适用范围更广。另一类采用与被测件相同的衬底材料，通常是制作在硅或砷化镓等半导体材料上的专用型校准件，准确度相对更高。
目前常用的校准方法有SOLT、TRL等，其对应使用的校准件也有所不同。SOLT方法仅使用四种校准件：短路（Short）、开路（Open）、负载（Load）和直通（Thru）。TRL方法仅使用三种校准件：直通（Thru）、反射（Reflect）、线（Line）。这两种方法都存在一个缺点，即未对探针之间的串扰进行误差修正，因此在受串扰误差影响较明显的微波毫米波频段下的校准准确度有所下降。
在现有技术的一基于自校准算法的多端口射频微波校准方法中，设计了一组用于LRRM和SOLR方法的校准件，包括短路、开路、负载和直通。但该方案无法校准串扰误差，并且校准过程中当探针与不同结构的校准件直接接触时会产生不同的寄生参数，而校准误差模型中不含该误差的描述，因此而带来的误差无法在校准中被去除。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构内嵌的16项误差模型在片校准件，实现一种16项误差模型在片校准件的设计，降低校准件设计和制作的复杂性，并提高16项误差模型校准方法的准确度。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一、一种结构内嵌的在片校准件：
所述的在片校准件包括直通校准件、开路-开路校准件、短路-短路校准件、负载-负载校准件、开路-短路校准件、开路-负载校准件和短路-负载校准件的七种校准件，在片校准件是由多种校准件共同组合构成；
校准件均包括以下组成：
衬底；
金属层，布置在衬底上；
所述的金属层包括：
两个地导体，分别布置在衬底沿测试信号传输方向的两侧上；
两个可换结构，分别布置在两个地导体之间的间隙两端；
每个所述的可换结构包括：
紧邻于衬底边沿的固定区域，布置一段较短片状金属作为端部结构；
紧邻于固定区域的可换区域，选择设置为直通结构、开路结构、短路结构和负载结构其中之一。
本发明通过设置一个固定区域位于可换区域和衬底边沿之间，将开路结构、短路结构、负载结构设置在和衬底边沿间隔一定距离的位置，这样能够使探针与不同校准件的接触区域保持相同的结构，避免该接触区域寄生参数发生变化，实现了将寄生参数作为误差项去除的效果，达到了更高的校准精度。
本发明无过孔结构和设计，解决了通常位于地导体表面上的过孔结构设置带来的微小尺寸的过孔难以加工制作的问题，并抑制信号的多模传输。
而且本发明通过固定区域相对可换区域的布置结合16项误差模型，能够结合16项误差模型可校准串扰误差的优点，通过改进校准件设计结构避免校准过程中误差项发生变化，实现了进一步提升在片校准精度的效果。
所述的地导体采用金属片，两个地导体的金属片之间存在条形间隙。位于条形间隙以外的地导体金属片的三个边沿均和衬底的边沿分别对应平齐。
所述直通校准件中，两个可换区域均设置为直通结构，且两个直通结构之间直接相连接，使得两个固定区域的端部结构经两个可换区域的直通结构连接成一体的金属片作为信号导体；
所述的直通结构和端部结构横截面的设置相同。
所述开路-开路校准件中，两个可换区域均设置为开路结构，且两个开路结构之间间隔不连接；
所述短路-短路校准件中，两个可换区域均设置为短路结构，且两个短路结构之间间隔不连接；
所述负载-负载校准件中，两个可换区域均设置为负载结构，且两个负载结构之间间隔不连接；
所述开路-短路校准件中，一个可换区域设置为开路结构，另一个可换区域设置为短路结构，且开路结构和短路结构之间间隔不连接；
所述开路-负载校准件中，一个可换区域设置为开路结构，另一个可换区域设置为负载结构，且开路结构和负载结构之间间隔不连接；
所述短路-负载校准件中，一个可换区域设置为短路结构，另一个可换区域设置为负载结构，且短路结构和负载结构之间间隔不连接。
所述的开路结构是不设置任何金属片，实质是由空气等其他非导体介质填充构成，使得端部结构和两侧的地导体之间不连接。
所述的短路结构是由一段金属片构成，该金属片和端部结构连接，且和两侧的地导体连接，该金属片将端部结构和两侧的地导体之间进行连接。
所述的负载结构是由中间的一段金属片和位于金属片两侧的负载构成，该金属片和端部结构之间连接，且分别和两侧的地导体经一个负载连接，将端部结构经金属片连接两个负载后再分别和两侧的地导体之间连接。
所述负载为多个的电阻并联。
所述固定区域沿两个地导体之间间隙方向上的长度为0.1mm-0.5mm范围，沿两个地导体之间间隙方向即沿测试信号传输方向。
所有校准件在沿测试信号传输方向的两端边沿处截面的结构均相同。
所述开路-开路校准件、开路-短路校准件和开路-负载校准件中的开路结构相同；所述短路-短路校准件、开路-短路校准件和短路-负载校准件中的短路结构相同；所述负载-负载校准件、开路-负载校准件和短路-负载校准件中的负载结构相同。
不同校准件的总长度保持不变，且校准件长度与被测件长度接近或相同。
所述衬底的材料为高相对介电常数、低介质损耗的介质陶瓷材料。
所述金属层中的地导体和可换结构中的金属材料均为金。
通过调整所述校准件的衬底的相对介电常数εr、信号导体的宽度w、信号导体和地导体的间距g、衬底的厚度h和金属层的厚度t的这些参数控制直通校准件的特征阻抗。
二、一种在片校准件的被测件校准测试方法，方法包括以下步骤：
对在片校准件进行在片测试获得各个校准件的散射参数矩阵，在片校准件中的各个不同校准件的测试顺序无要求，散射参数向量是由所有散射参数构成。用在片校准件的各个校准件标定处理获得寄生参数，
将在片校准件所有校准件的散射参数矩阵和寄生参数均输入16项误差模型中进行校准拟合，具体采用校准算法处理，获得校准拟合后的16项误差模型；本发明中是通过所述校准件的组合实现对16项误差模型的表征，通过校准算法移除误差项。
完成校准后测试被测件，对被测件进行在片测试获得被测件的散射参数矩阵，将被测件的散射参数矩阵输入到校准拟合后的16项误差模型中输出被测件校准后的散射参数矩阵作为被测件的散射参数真实值。
所述校准件的寄生参数通过进行等效电路建模或三维电磁仿真等方式获得。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明特殊设计了结构内嵌的16项误差模型在片校准件，结合16项误差模型进行校准。
本发明对现有在片校准件的结构设计作出改进，通过将开路、短路和负载结构进行内嵌化设计避免因探针与不同结构的校准件接触导致寄生参数的变化，从而有效降低16项误差模型校准件的测试误差，提高在片校准的准确度；通过简化校准件结构，实现无过孔化设计，降低了校准件加工制作的难度。
相比于传统的TRL和SOLT校准件，本发明技术方案能进行串扰修正，提高高频串扰下的校准准确度，能降低校准件设计与制作难度，同时通过开路、短路和负载结构的内嵌避免因探针针尖与不同结构的校准件接触而产生变化的寄生参数导致校准误差增大的问题。
附图说明
图1是实施例中的直通校准件的横截面示意图；
图2是实施例中的直通校准件的立体结构示意图；
图3是实施例中的开路-开路校准件的立体结构示意图；
图4是实施例中的负载-负载校准件的立体结构示意图；
图5是实施例中的短路-短路校准件的立体结构示意图；
图6是实施例中的短路-开路校准件的立体结构示意图；
图7是实施例中的负载-开路校准件的立体结构示意图；
图8是实施例中的负载-短路校准件的立体结构示意图；
图9是实施例的探针和直通校准件的三维电磁仿真模型结构示意图；
图10是实施例中的本发明与其他技术方案通过三维电磁仿真得到的校准结果对比图。
图中：1、衬底；7、金属层；2、信号导体；3、地导体；4、开路结构；5、负载结构；6、短路结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的详细说明，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步说明，但不应理解为是对本发明保护范围的任何限定，该领域的技术人员在本发明的技术基础上所做的修改、调整与推广等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明设计的在片校准件包括直通校准件、开路-开路校准件、短路-短路校准件、负载-负载校准件、开路-短路校准件、开路-负载校准件和短路-负载校准件的七种校准件；
校准件均包括衬底1以及布置在衬底1上的金属层2，衬底1下表面无金属层。
金属层2包括两个分别布置在衬底1沿测试信号传输方向两侧上的地导体3，以及分别布置在两个地导体3之间的间隙两端的两个可换结构。
地导体3采用金属片，两个地导体3的金属片之间存在条形间隙。位于条形间隙以外的地导体3金属片的三个边沿均和衬底1的边沿分别对应平齐。
如图1所示，七种校准件在两端的截面均是由衬底1、位于衬底1两侧的地导体3以及位于衬底1中间、两侧地导体3之间的固定区域的端部结构构成，形成了共面波导传输线结构。
每个可换结构包括固定区域和可换区域：
固定区域紧邻于衬底1边沿，固定区域中布置一段较短片状金属作为端部结构，端部结构的片状金属沿平行于间隙方向布置，且分别和两侧的地导体3之间均具有间隔，端部结构的片状金属靠近衬底1边沿的一端和衬底1边沿平齐布置；
可换区域紧邻于固定区域，不紧邻于衬底1边沿，可换区域选择设置为直通结构、开路结构4、短路结构5或者负载结构6其中之一。
如图2所示，直通校准件是包括位于衬底1两侧的两个金属片作为地导体3，以及在两个地导体3之间的间隙中的金属条作为信号导体2，信号导体2和两侧的地导体3均不接触连接，地导体3和信号导体2两端均延伸到衬底1的两端且边沿平齐。
如图3所示，开路-开路校准件是包括位于衬底1两侧的两个金属片作为地导体3，以及分别在两个地导体3之间的间隙两端各一个可换结构。两端的可换结构相同，且以衬底1两端之间的中线对称布置，均包括紧邻于衬底1边沿布置的、且布置有以片状金属为端部结构的固定区域，以及紧邻于固定区域布置的、空置不设置任何金属片的开路结构4。
如图4所示，短路-短路校准件是包括位于衬底1两侧的两个金属片作为地导体3，以及分别在两个地导体3之间的间隙两端各一个可换结构。两端的可换结构相同，且以衬底1两端之间的中线对称布置，均包括紧邻于衬底1边沿布置的、且布置有以片状金属为端部结构的固定区域，以及紧邻于固定区域布置的、设置有将端部结构和两侧的地导体3之间连接的金属片的短路结构5。
如图5所示，负载-负载校准件是包括位于衬底1两侧的两个金属片作为地导体3，以及分别在两个地导体3之间的间隙两端各一个可换结构。两端的可换结构相同，且以衬底1两端之间的中线对称布置，均包括紧邻于衬底1边沿布置的、且布置有以片状金属为端部结构的固定区域，以及紧邻于固定区域布置的、设置有将端部结构经金属片连接两个负载后再分别和两侧的地导体3之间连接的负载结构6。端部结构经金属片连接两个负载的一端，两个负载的另一端分别连接两侧的地导体3。
如图6所示，开路-短路校准件是包括位于衬底1两侧的两个金属片作为地导体3，以及分别在两个地导体3之间的间隙两端各一个可换结构。两端的可换结构不同，且以衬底1两端之间的中线对称布置，一个可换结构包括紧邻于衬底1边沿布置的、且布置有以片状金属为端部结构的固定区域以及紧邻于固定区域布置的、空置不设置任何金属片的开路结构4，另一个可换结构包括紧邻于衬底1边沿布置的、且布置有以片状金属为端部结构的固定区域以及紧邻于固定区域布置的、设置有将端部结构和两侧的地导体3之间连接的金属片的短路结构5。两个可换结构的固定区域相同且对称布置。
如图7所示，开路-负载校准件是包括位于衬底1两侧的两个金属片作为地导体3，以及分别在两个地导体3之间的间隙两端各一个可换结构。两端的可换结构不同，且以衬底1两端之间的中线对称布置，一个可换结构包括紧邻于衬底1边沿布置的、且布置有以片状金属为端部结构的固定区域以及紧邻于固定区域布置的、空置不设置任何金属片的开路结构4，另一个可换结构包括紧邻于固定区域布置的、设置有将端部结构经金属片连接两个负载后再分别和两侧的地导体3之间连接的负载结构6。两个可换结构的固定区域相同且对称布置。
如图8所示，短路-负载校准件是包括位于衬底1两侧的两个金属片作为地导体3，以及分别在两个地导体3之间的间隙两端各一个可换结构。两端的可换结构不同，且以衬底1两端之间的中线对称布置，一个可换结构包括紧邻于衬底1边沿布置的、且布置有以片状金属为端部结构的固定区域以及紧邻于固定区域布置的、设置有将端部结构和两侧的地导体3之间连接的金属片的短路结构5，另一个可换结构包括紧邻于固定区域布置的、设置有将端部结构经金属片连接两个负载后再分别和两侧的地导体3之间连接的负载结构6。两个可换结构的固定区域相同且对称布置。
具体实施中，负载实施的形式为2个阻值为100欧姆的电阻并联。
固定区域沿两个地导体3之间间隙方向上的长度为0.1mm-0.5mm范围。
通过调整校准件的衬底的相对介电常数εr、信号导体的宽度w、信号导体和地导体的间距g、衬底的厚度h和金属层2的厚度t的这些参数控制直通校准件的特征阻抗为50欧姆，设置50欧姆可以和矢网等测试系统实现阻抗匹配。
具体实施中，衬底1的材料为氧化铝陶瓷，相对介电常数为9.6～9.8，衬底的厚度为h。金属层2的材料为金，厚度为t。
直通校准件采用共面波导传输线结构，其中信号导体的宽度为w，信号导体和地导体的间距为g，其横截面如图1所示，立体图如图2所示。测试时微波探针的针尖位于校准件两端边沿处，探针的信号针尖与校准件的信号导体接触，探针的地针尖与校准件的地导体接触。其余校准件的探针针尖接触位置与直通校准件相同。
将上述参数输入ADS软件的LineCalc计算工具计算直通校准件的特征阻抗，通过控制特征阻抗为50欧姆，确定上述参数为：h=200μm，t=36μm，w=0.09mm，g=0.12mm。
现有结构中开路校准件的两端边沿位置即为开路，短路校准件的两端边沿位置即为短路，负载校准件的两端边沿位置即为负载，但当微波探针与不同结构的校准件接触时将产生不同的寄生参数，使误差网络（即16项误差模型中误差项的组合，是需要被校准去除的对象）发生变化。而本发明通过将开路校准件的开路结构、短路校准件的短路结构和负载校准件的负载结构内嵌通过固定区域远离两端边沿位置设置，使得探针测试开路、短路和负载校准件时产生与测试直通校准件时相同的寄生参数，即误差网络保持不变。
上述校准件的长度均为2mm，其中固定区域沿间隙方向的长度均为0.2mm。
在其他有益实施例的变形中，校准件长度和固定区域沿间隙方向的长度也可根据实际需要变化，但要求不同校准件的长度保持不变，且校准件的长度与被测件的长度接近。
基于三维电磁全波仿真对该校准件进行校准测试。本次测试频段为10MHz～80GHz，所使用的被测件为直通校准件。在仿真软件中建立所述16项误差模型在片校准件模型与微波探针模型，将上述校准件依次与微波探针连接并仿真得到所有散射参数，如图9所示。
具体实施中，在片校准件中的每种校准件进行在片测试时采用矢量网络分析仪、微波探针校准件进行测试处理，将两个微波探针分别连接到校准件的两端边沿处，两个微波探针均电连接矢量网络分析仪，由矢量网络分析仪检测获得散射参数。
完成对所述7种16项误差模型校准件组合的测试后，所有散射参数中即包含了误差网络的完整信息。通过16项误差模型算法从所有散射参数中移除误差网络的影响，完成校准。其中所述校准件的标定值也由仿真得到。
比较被测件的散射参数测量值与被测件预先已知的标定散射参数，验证本发明的效果。校准后复测直通校准件，最终测试结果显示，在10MHz～80GHz的频段时，校准后测试被测件的散射参数S21幅值与仿真值相比仅相差0.007dB。
具体实施中，也实施进行现有不具有固定区域和可换区域的在片校准件的16项误差模型校准方案、现有TRL技术方案和采用具有固定区域和可换区域的在片校准件的SOLT校准方案，均和本发明的实施结果对比，如图10所示，从中可见，本发明的校准结果准确度有明显提升。可见，本发明实施例与现有技术方案对比具有一定优势，提高了在片校准准确度。
以上所述为本发明的较佳实施例，不应理解为是对本发明保护范围的任何限定，该领域的技术人员在本发明的技术基础上所做的修改、调整与推广等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述的在片校准件包括直通校准件、开路-开路校准件、短路-短路校准件、负载-负载校准件、开路-短路校准件、开路-负载校准件和短路-负载校准件的七种校准件；
校准件均包括以下组成：
衬底（1）；
金属层（2），布置在衬底（1）上；
所述的金属层（2）包括：
两个地导体（3），分别布置在衬底（1）的两侧上；
两个可换结构，分别布置在两个地导体（3）之间的间隙两端；
每个所述的可换结构包括：
紧邻于衬底（1）边沿的固定区域，布置一段片状金属作为端部结构；
紧邻于固定区域的可换区域，选择设置为直通结构、开路结构（4）、短路结构（5）和负载结构（6）其中之一。
2.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述的地导体（3）采用金属片，两个地导体（3）的金属片之间存在条形间隙。
3.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述直通校准件中，两个可换区域均设置为直通结构，且两个直通结构之间直接相连接，使得两个固定区域的端部结构经两个可换区域的直通结构连接成一体的金属片作为信号导体（7）；
所述的直通结构和端部结构相同。
4.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述开路-开路校准件中，两个可换区域均设置为开路结构（4），且两个开路结构（4）之间间隔不连接；
所述短路-短路校准件中，两个可换区域均设置为短路结构（5），且两个短路结构（5）之间间隔不连接；
所述负载-负载校准件中，两个可换区域均设置为负载结构（6），且两个负载结构（6）之间间隔不连接；
所述开路-短路校准件中，一个可换区域设置为开路结构（4），另一个可换区域设置为短路结构（5），且开路结构（4）和短路结构（5）之间间隔不连接；
所述开路-负载校准件中，一个可换区域设置为开路结构（4），另一个可换区域设置为负载结构（6），且开路结构（4）和负载结构（6）之间间隔不连接；
所述短路-负载校准件中，一个可换区域设置为短路结构（5），另一个可换区域设置为负载结构（6），且短路结构（5）和负载结构（6）之间间隔不连接。
5.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述的开路结构（4）是不设置任何金属片，使得端部结构和两侧的地导体（3）之间不连接。
6.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述的短路结构（5）是由一段金属片构成，该金属片将端部结构和两侧的地导体（3）之间进行连接。
7.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述的负载结构（6）是由中间的一段金属片和位于金属片两侧的负载构成，将端部结构经金属片连接两个负载后再分别和两侧的地导体（3）之间连接。
8.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所述固定区域沿两个地导体（3）之间间隙方向上的长度为0.1mm-0.5mm范围。
9.根据权利要求1所述的一种结构内嵌的在片校准件，其特征在于：
所有校准件在沿测试信号传输方向的两端边沿处截面的结构均相同。
10.应用于权利要求1所述在片校准件的被测件校准测试方法，其特征在于：方法包括以下步骤：对在片校准件进行在片测试获得各个校准件的散射参数矩阵，用在片校准件的各个校准件标定处理获得寄生参数，将在片校准件的散射参数矩阵和寄生参数均输入16项误差模型中进行校准拟合，获得校准拟合后的16项误差模型；对被测件进行在片测试获得被测件的散射参数矩阵，将被测件的散射参数矩阵输入到校准拟合后的16项误差模型中输出被测件校准后的散射参数矩阵作为被测件的散射参数真实值。
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