DE68909456T2 - Befestigungsanordnung für das Messen der statischen Charakteristika von aktiven Mikrowellenkomponenten mit 3 Anschlüssen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Messungen der elektrischen Charakteristiken von aktiven Bauelementen mit drei Anschlüssen für Mikrowellenschaltungen, und speziell betrifft sie eine Halterung zum Messen dieser statischen Charakteristiken.
• Meßbare Bauelemente können Gallium-Arsenid (GaAs)- oder Silicium (Si)-, FET- oder Bipolar-Transistoren für kleine oder große Signale sein, die in ihre Gehäuse eingekapselt sind oder als Chips usw. vorliegen. Die Messungen zielen auf das Erhalten von Ausgangs-, Eingangs- oder Übertragungscharakteristik-Kurven (Abflußstrom ID über Abflußspannung VD für verschiedene Steuerspannungen VG, Steuerstrom IG über Steuerspannung VG oder Abflußstrom ID über Steuerspannung VG für verschiedene Abflußspannungen VD, im Falle von FET's), alles unter statischen Bedingungen, d. h. für Gleichstrom.
• Diese Arten von Messungen erweisen sich sowohl zum Bestimmen des elektrischen Verhaltens des Bauelements als auch zum Vorhersagen seines Verhaltens, vom Standpunkt der Zuverlässigkeit aus, als nützlich. Tatsächlich gestattet es Vorbelastungs-Strom- und -Spannungsmessungen für einen besonderen Ruhearbeitspunkt und deren möglichen Veränderungen unter extremen Temperaturbedingungen.
• Eine gute Ausführung dieser Messungen liefert jedoch einige Schwierigkeiten, vor allem aufgrund von Störschwingungen in den zu testenden Bauelementen, welche nicht nur die Spannungs- und Stromwerte verändern, sondern auch die Zerstörung des Bauelements hervorrufen können. Diese Störschwingungen treten vorzugsweise auf, wenn ein hoher Strom durch das Bauelement fließt, da unter diesen Bedingungen die spezifische Steilheit ansteigt und damit auch die gesamte Meßschaltungsverstärkung ansteigt. Geringe Eigenkapazitäten des Bauelements und solche zwischen den Anschlüssen und Verbindungen zu den Vorspannungsnetzwerken sind erforderlich, um eine positive Reaktion auf eine vorgegebene Frequenz hervorzurufen.
• Es ist hinzuzufügen, daß diese Bauelemente, die für den Betrieb im Mikrowellenbereich bestimmt sind, sehr hohe Grenzfrequenzen (rund 30 GHz) und damit extrem hohe Verstärkungen bei sehr niedrigen Frequenzen aufweisen, wobei in Verbindung mit diesen Störschwingungen auftreten können. Die Meßschaltung ist dann in einem großen Frequenzbereich zu stabilisieren, praktisch ausgehend vom Gleichstrom, um so zuverlässige Meßwerte zu erhalten und das Risiko der Zerstörung des Bauelements zu vermeiden. Im Falle von FET ist die Zerstörung üblicherweise die Folge des Ausfalls der Steuerverbindung, nämlich einer Schottky-Typ-Verbindung, die direkt vorgespannt ist, wenn Schwingungen großer Amplitude vorliegen.
• Derzeit werden verschiedene Verfahren in Laboratorien benutzt, um die Störschwingungen in der Testschaltung zu vermeiden und damit die oben genannten Nachteile zu überwinden. Ein erstes Verfahren benutzt Reihenresonanzschaltungen und RC-Schaltungen, die parallel zu der Ausgangsschaltung angeordnet sind, welche bei der Störschwingungsfrequenz als Lasten arbeiten. Dieses Verfahren findet jedoch keinen direkten Gebrauch, da diese Schaltungen ein frequenzselektives Verhalten besitzen; da sie außerdem mit konzentrierten Elementen implementiert sind, ist die vorherige Kenntnis der Frequenz der Störschwingung erforderlich, um das Einstellen der oben genannten Schaltungen für jeden Typ eines aktiven Bauelements zu erreichen.
• Ein anderes Verfahren besteht aus dem Einfügen eines Stabilisierungswiderstands in Reihe mit der Eingangsschaltung, wobei dieser so dicht wie möglich an das Bauelement selbst angeschlossen ist, um parasitäre Blindparameter so weit wie möglich zu reduzieren. Dieser Widerstand reduziert die Stufenverstärkung in einem sehr breiten Frequenzband, wobei die Störschwingungen vermieden werden. Aber er gestattet weder eine direkte Spannungsmessung am Eingangsanschluß noch eine Strommessung über den Ausgangsanschluß, wenn ein erheblicher Strombetrag durch den Eingangsanschluß fließt. Tatsächlich ist in diesem Fall die über den Stabilisierungswiderstand abfallende Spannung erheblich, wodurch die an der Ausgangsklemme gemessene Spannung und der entsprechende Ausgangsstrom relativ hoch sind.
• Ein weiteres Verfahren besteht im Umschließen des Testbauelements mit elektromagnetische Wellen absorbierenden Materialien, wie beispielsweise bestimmten graphitbeladenen schwammigen Materialien. Es ist klar, daß in diesem Fall die Belastung erheblich ist, besonders wenn die Anzahl der Testhalterungen hoch ist, und die Effektivität ist besonders bei den untersten Frequenzen schlecht, bei denen das aktive Bauelement unstabiler ist.
• In dem Artikel "Handling Automation and Temperature Control Added to Transistor S-Parameter Measurement" von R. E. Markley in "26th Electornic Components Conference", San Francisco, 26.-28. April, 1976, Seiten 55 bis 60, beschreibt der Autor einen Handhabungs- und Kontaktierungsmechanismus, welcher sowohl für Radiofrequenz-, als auch für Gleichstrom- Messungen benutzt werden kann, jedoch nur, wenn das zu testende aktive Bauelement bereits in seinem Gehäuse eingeschlossen ist. Messungen von Chip-Bauelementen von verschiedenen Größen sind nicht vorgesehen. Weiterhin wird kein Bezug auf irgendeine Anordnung zum Unterdrücken von Niederfrequenzschwingungen genommen.
• Die oben genannten Nachteile werden überwunden durch die Halterung zum Messen der statischen Charakteristiken von aktiven Mikrowellenbauelementen, die durch die vorliegende Erfindung geliefert wird, welche die gleichzeitige Messung von Strömen und Spannungen an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen gestattet, bis zu den maximal zugelassenen Werten, ohne jegliche Gefahr von Störschwingungen, mit umgekehrter und direkter Vorbelastung. Sie benutzt keine Schmalbandbauelemente und daher erstreckt sich ihre Effektivität von Gleichstrom bis zu der maximalen Arbeitsfrequenz des Bauelements ohne das Erfordernis jeglicher Einstellung. Sie besitzt eine reduzierte Größe und ist einfach herzustellen.
• Die vorliegende Erfindung liefert eine Halterung zum Messen der statischen Charakteristiken von aktiven Mikrowellenbauelementen, wie in Anspruch 1 beschrieben.
• Die vorher genannten und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer vorzugsweisen Ausführungsform deutlicher gemacht, die als nicht begrenzendes Beispiel angegeben ist, und durch die angefügten Zeichnungen, worin:
• - Fig. 1 eine Explosionsdarstellung des tragenden mechanischen Teils ist;
• - Fig. 2 eines der zwei dielektrischen Substrate, worauf die elektrische Schaltung errichtet ist, zeigt;
• - Fig. 3 ein äquivalenter elektrischer Schaltplan der Meßschaltung ist.
• In dem folgenden Beispiel wird als zu messendes aktives Bauelement ein Mikrowellen-FET angenommen, der mit Steuer-, Quellen- und Abflußelektrodenanschlüssen ausgestattet ist.
• Das in Fig. 1 gezeigte mechanische Trägerteil trägt zwei dielektrische Substrate, worauf elektrische Schaltungen errichtet und getrennt an Steuerelektrode und Abflußelektroden des zu testenden FET angeschlossen sind. Es kann an die geometrischen Größen des Bauelementegehäuses angepaßt sein und gestattet es, den FET thermischen Tests auszusetzen, wobei auch große Dehnungsbelastungen möglich sind.
• Es besteht aus den folgenden Teilen:
• - zwei metallischen Trägerblöcken SU1 und SU2, welche mit einem jeweiligen von zwei Flanschen FL1 und FL2 verschraubt sind, die mit Löchern FO1 und FO2 zum Aufnehmen zweier elektrischer Verbinder mit rauschunterdrückenden Filtern für das Anlegen von Vorbelastungsspannungen an den FET versehen sind;
• - einem metallischen Zwischenblock IN, der es ermöglicht, daß die beiden Trägerblöcke verbunden werden und eine dazwischenliegende Rinne zur genauen Aufnahme des FET-Gehäuses erhalten wird. Zu diesem Zweck wird der Zwischenblock jederzeit mit einer Breite und Höhe versehen, die sich für eine Anpassung an die Dimensionen des Gehäuses des zu testenden FET eignen. Nämlich ist die Breite mehr oder weniger gleich der Gehäusebreite, und ist die Höhe so, daß die FET-Anschlüsse einfach an die Leitungen der elektrischen Schaltung angelegt werden können. Der FET kann durch Schrauben, die in Löcher FT' und FT" eingeschraubt sind, auf dem Zwischenblock gehalten werden, während es Löcher FP' und FP" gestatten, ein später beschriebenes Drückelement PR zu befestigen. Dieser Zwischenblock ist auch so gestaltet, daß der elektrischen Kontakt zu FET-Quelle und der thermischen Kontakt zu dem gesamten Bauelement sichergestellt ist;
• - zwei kleinen Steckstiften SP' und SP" zum gegenseitigen Ausrichten der beiden Trägerblöcke und des Zwischenblocks, wenn sie durch eine Schraube V, die durch SU2 und IN hindurchläuft und in eine mit Gewinde versehene Bohrung FF von SU1 eingeschraubt ist, miteinander verblockt werden;
• - zwei Platten PO1 und PO2, die mit den Trägerblöcken SU1 und SU2 verschraubt sind, und die bereits erwähnten dielektrischen Substrate CI1 und CI2 tragen. CI1 und CI2 sind durch Haftmittel befestigt, die den elektirschen Strom leiten, um eine effektive Erdung sicherzustellen. Die Platten PO1 und PO2 sind dazu bestimmt, die thermischen Ausdehnungen der Trägerblöcke SU1 und SU2 an die thermischen Ausdehnungen der dielektrischen Substrate CI1 und CI2 anzupassen, um übermäßige mechanische Belastungen während der Heizzyklen zu vermeiden, die während der Messung des zu testenden FET auftreten. Das Material, aus dem PO1 und PO2 hergestellt sind, soll dann einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, welcher zwischen dem der Platten und dem der dielektrischen Substrate liegt: wenn z. B. die Trägerblöcke aus Messing und die Substrate aus Aluminiumoxid bestehen, so können PO1 und PO2 aus einer Eisen-Nickel- Cobalt-Legierung, dem sog. Kovar, bestehen;
• - dem bereits erwähnten Drückelement PR, das aus dem gleichen Material wie die Platten PO1 und PO2 hergestellt und mit zwei Isolierstreifen SE1 und SE2 versehen ist, die zum Drücken der Steuer- und Abflußelektrodenanschlüsse des FET auf die Substrate CI1 und CI2 dienen, um deren elektrischen Kontakt ohne erforderliches Löten sicherzustellen.
• Die auf jedem der Substrate CI1 und CI2 errichtete elektrische Schaltung ist in Fig. 2 ersichtlich. Auf dem dielektrischen Substrat, bestehend aus Quarz, Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder ähnlichem, sind auf der einen Seite eine leitende, geerdete Fläche und auf der anderen einige Leitungs- und Widerstandsleitungen angebracht. Insbesondere ist die Leitung PC aus leitendem Material hergestellt, z. B. aus Gold, und ist an einem Ende mit einer Konsole für die Verbindung zu dem Versorgungsanschluß ausgestattet. An dem anderen Ende ist die Steuerelektrode oder Abflußelektrode des zu testenden FET elektrisch kontaktiert angeordnet.
• Zwei Widerstandsleitungen RP' und RP", die mit jeweils zwei senkrecht angeordneten Zweigen ausgestattet sind, sind in Kontakt mit den beiden Kanten der Leitung PC angeordnet. Diese Leitungen können aus geeigneten Widerstandssubstanzen hergestellt sein, z. B. TaN oder anderen. In symmetrischer Position in Bezug auf die Leitung PC und parallel zu ihr befinden sich zwei weitere leitenden Leitungen PL' und PL". Diese Leitungen sind auch in Kontakt mit den Enden der zu den Widerstandsleitungen RP' und RP" senkrechten Zweigen angeordnet. Die Leitungen PL' und PL" sind ihrerseits an Kondensatoranschlüsse (in der Fig. nicht gezeigt) angeschlossen, welche über die Platten PO1 und PO2 (Fig. 1) geerdet sind. Die seitlichen Enden der Widerstandsleitungen RP' und RP" sind dadurch bei Wechselstrom geerdet und bei Gleichstrom isoliert. Diese Schaltung kann mit der Dünnfilmtechnik erzeugt werden.
• Lassen Sie uns nun die elektrische Arbeisweise der Halterung unter Bezugnahme auf die in Fig. 3 gezeigte äquivalente elektrische Schaltung prüfen. Die zu den leitenden Leitungen parallelen Widerstandsleitungen sind zu den Gruppen von Widerständen A' und A" und die senkrechten Leitungen zu den Gruppen von Widerständen B' und B" äquivalent, zusätzlich sind Gruppen von geerdeten Kondensatoren C' und C" vorhanden. Jede Gruppe von Kondensatoren besteht wenigstens aus einem Kondensator hoher Kapazität und einem niedriger Kapazität, um so den parasitären Blindwiderstand bei niedrigen und hohen Frequenzen zu reduzieren. Die äquivalenten Hochfrequenzwiderstände, gesehen von der FET-Steuerelektrode oder Abflußelektrode zur Erde, können somit zweckmäßigerweise auf rund 50 Ohm eingestellt werden. Dieser Wert wurde durch zwei parallele Widerstandszweige erhalten, aber er kann auch durch drei oder mehr Zweige von geringerer Breite erhalten werden.
• Diese Kombination von leitenden und Widerstandsleitungen gestattet es, eine große Stabilität der Meßschaltung durch Dämpfung der möglichen Schwingungen zu erhalten. Tatsächlich wird eine mögliche von dem Transistor erzeugte Welle progressiv entlang der Widerstandsleitungen gedämpft und die Bildung einer reflektierten Welle wird verhindert, da keine Punkte erheblicher Diskontinuität vorhanden sind. Diese Punkte würden sicher entstehen, wenn konzentrierte Widerstände an Steuerelektrode und Abflußelektrode des FET angeschlossen wären. Diese Widerstände könnten deshalb nicht die Schaltungsstabilität sicherstellen.
• Um die Impedanzanpassung zwischen den leitenden Leitungen und Abfluß- und Steuerelektrodenanschlüssen des zu testenden Transistors zu beurteilen, wurden Messungen über einen großen Frequenzbereich ausgeführt. Insbesondere wurde der Reflexionskoeffizient, gesehen vom Transistoranschluß, in der ungünstigsten Bedingung gemessen, d. h. der Bedingung, in welcher der Anschluß mit dem rauschunterdrückenden Filter nicht an die Stromversorgungsquelle angeschlossen resultiert: dieser Koeffizient ergab sich kleiner als 0,1 (-20dB) in dem Bereich zwischen 3 und 26GHz. Wie bekannt liefern Reflexionskoeffizienten, die eine Transistorinstabilität bewirken, Modulus-Werte, welche üblicherweise viel höher als der oben erwähnte Wert sind.
• Es ist klar, daß das, was beschrieben wurde, in Form eines nicht begrenzenden Beispiels angegeben wurde. Variationen und Modifikationen sind möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims (4)

1. Halterung zum Messen der statischen Charakteristiken aktiver Mikrowellen-Bauelemente mit drei Anschlüssen, mit mechanischen Trägervorrichtungen zum Tragen von zwei dielektrischen Substraten (CI1, CI2), die elektrische Schaltungsanordnungen tragen, welche getrennt mit Eingangsund Ausgangsanschlüssen des geprüften Bauelements verbunden sind, und einem Drückelement (PR) zum Drücken der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Bauelements auf die dielektrischen Substrate (CI1, CI2), um deren elektrische Verbindung ohne Löten sicherzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgenden Teile umfaßt:

- zwei metallische Trägerblöcke (SU1, SU2), welche mit einem jeweiligen von zwei Flanschen (FL1, FL2) verschraubt sind, die mit Löchern (FO1, FO2) zum Aufnehmen zweier elektrischer Verbinder mit rauschunterdrückenden Filtern für das Anlegen von Vorbelastungsspannungen an das Bauelement versehen sind;

- einen metallischen Zwischenblock (IN), der es ermöglicht, daß die beiden Trägerblöcke verbunden werden und eine dazwischenliegende Rinne zur genauen Aufnahme des Bauelements, das durch Schrauben befestigt wird, erhalten wird, wobei zwei Löcher (FP', FP") in dem Zwischenblock die Befestigung des Drückelements (PR) ermöglichen und der Zwischenblock weiterhin die Aufgabe hat, den elektrischen Kontakt zum gemeinsamen Anschluß des Bauelements und den thermischen Kontakt des gesamten Bauelements sicherzustellen;

- zwei kleine Steckstifte (SP', SP") zum gegenseitigen Ausrichten der beiden Trägerblöcke und des Zwischenblocks, wenn sie durch eine Schraube (V) miteinander verblockt sind, die durch einen der Trägerblöcke (SU2) und den Zwischenblock (IN) hindurchverläuft und in eine mit Gewinde versehene Bohrung (FF) des anderen Trägerblocks (SU1) eingeschraubt ist;

- zwei Platten (PO1, PO2), die mit den Trägerblöcken (SU1, SU2) verschraubt sind, die dielektrischen Substrate (CI1, CI2) tragen und die thermischen Ausdehnungen der Trägerblöcke (SU1, SU2) und der dielektrischen Substrate (CI1, CI2) aneinander angleichen;

- das Drückelement (PR), das mit zwei isolierenden Schienen (SE1, SE2) zum Drücken auf die Anschlüsse des Bauelements ausgestattet ist;

- die beiden dielektrischen Substrate (CI1, CI2), von denen jedes auf einer Seite eine geerdete leitende Fläche und auf der anderen Seite die folgenden Leitungen aufweist:

a. eine Mittelleitung (PC) aus leitendem Material, die an einem Ende mit einem Anschluß für die Verbindung mit einem Stromlieferanschluß ausgestattet ist;

b. zwei Widerstandsleitungen (RP', RP"), die an die mittlere Leitung (PC) angrenzen, mit der sie entlang den Rändern elektrisch verbunden sind, und die mit einen Widerstand aufweisenden Zweigen ausgestattet sind, die im rechten Winkel angeordnet sind;

c. zwei leitende Leitungen (PL', PL"), die in symmetrischer Lage hinsichtlich der Mittelleitung (PC) parallel zu dieser angeordnet sind und in Verbindung mit den Enden der rechtwinkligen Zweige der Widerstandsleitungen (RP', RP") stehen.

2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Leitungen (PL', PL") ihrerseits mit den Anschlüssen von Kondensatoren verbunden sind, die über die Platten (PO1, PO2) geerdet sind.

3. Halterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (PO1, PO2) aus einem Material bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen dem der Trägerblöcke (SU1, SU2) und dem der dielektrischen Substrate (CI1, CI2) liegt.

4. Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Zwischenblock (IN) eine Breite angenähert gleich der des Bauelementengehäuses hat und eine Höhe aufweist, die eine einfache Verbindung der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Bauelements mit der Mittelleitung (PC) der dielektrischen Substrate (CI1, CI2) gestattet.