在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件基底邊界條件影響

霍 曄 王一幫 吳愛華 杜 靜 欒 鵬 張曉云

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051；2.解放軍陸軍步兵學(xué)院石家莊校區(qū)，河北石家莊 050083)

1 引 言

在片測試能夠表征射頻和微波器件的品質(zhì)，測試前需用在片校準(zhǔn)件對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。測試結(jié)果的準(zhǔn)確度依賴于校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，校準(zhǔn)準(zhǔn)確度依賴于校準(zhǔn)方法的選取和所用校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的準(zhǔn)確度。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的準(zhǔn)確度與校準(zhǔn)基底密切相關(guān)[1]。

從20世紀(jì)80年代開始，基于襯底的在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件已經(jīng)應(yīng)用于在片測試行業(yè)。一般商用校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件(ISS)包含開路(Open)標(biāo)準(zhǔn)件、短路(Short)標(biāo)準(zhǔn)件、負(fù)載(Load)標(biāo)準(zhǔn)件和直通(Thru)標(biāo)準(zhǔn)件。這些標(biāo)準(zhǔn)件通?；诠裁娌▽?dǎo)(CPW)設(shè)計，共面波導(dǎo)的幾何形狀與地-信號-地(GSG)晶圓探針的配置互相兼容，便于進(jìn)行校準(zhǔn)和測試。

20世紀(jì)90年代F.Williams等研究人員提出了用于表征和改進(jìn)平面標(biāo)準(zhǔn)性能的方法[1-4]。電介質(zhì)基底中的表面波模式可以在毫米波頻段傳播并影響標(biāo)準(zhǔn)件的電特性[2]，并提出了使用更小基底厚度的懸掛校準(zhǔn)基底(將校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件懸掛在空中，將空氣作為校準(zhǔn)基底)以及吸波材料(RAM)的方案。然而，受制于當(dāng)時在片測量能力有限，試驗結(jié)果上限只到50GHz。

多線TRL(Thru-Reflect-Line)[5]校準(zhǔn)方法是目前國際上廣泛應(yīng)用的在片準(zhǔn)確度更高的校準(zhǔn)方法[6]，其獨(dú)特的隨機(jī)誤差物理模型及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的定義均能有效提高校準(zhǔn)和測試準(zhǔn)確度，國內(nèi)也對多線TRL校準(zhǔn)技術(shù)開展了深入研究[7,8]。設(shè)計并加工制作了W波段的砷化鎵襯底多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，將其分別放置在金屬卡盤、玻璃片和吸波材料三種校準(zhǔn)基底上，國際上未見此校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件物理邊界條件影響的報道，通過理論研究和方法分析，介紹了多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件在不同校準(zhǔn)基底邊界條件對校準(zhǔn)和測試結(jié)果的影響，并進(jìn)行了試驗驗證，驗證了理論的合理性。

2 基底邊界條件分析

導(dǎo)行波的傳播受到導(dǎo)體或介質(zhì)邊界條件的影響。因此，邊界條件及邊界形狀決定了導(dǎo)行波的電磁場分布規(guī)律和傳播特性。在不同介質(zhì)分界處，電磁場能量可能發(fā)生不連續(xù)的變化，其變化規(guī)律由邊界條件給出。邊界條件可由麥克斯韋積分方程導(dǎo)出，其推導(dǎo)過程在一般電磁場理論書中可見[9]。

不同基底的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件由于介電常數(shù)等不同，其邊界條件不同，傳統(tǒng)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件基底厚度在(250～625)μm之間。在較高頻率下，襯底可以支持橫向電(TE)模式和橫向磁(TM)表面波模式，其可以在臨界頻率下耦合到CPW傳輸線模式[2]。這些臨界頻率由模數(shù)、襯底厚度和襯底邊界條件的函數(shù)關(guān)系式來表征。

Andrej Rumiantsev等研究人員針對陶瓷襯底的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，分別以金屬卡盤和空氣(將校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件懸掛在金屬卡盤上方)為基底時的臨界頻率進(jìn)行了計算評估，數(shù)據(jù)見表1。

表1 陶瓷襯底校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件TE和TM表面波模式下不同厚度基底下的臨界頻率(εr= 9.9)Tab.1 Critical frequencies of alumina substrate for TE and TM surface wave(εr= 9.9)基底厚度(mm)臨界頻率(GHz)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件懸掛在空氣中校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件放在金屬卡盤上TE0TM0TE1TM00.254122240-1200.50860120-600.7624685-431.0163364-321.2702654-251.5242342-211.7781837-182.0321733～5016

為避免將能量從校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)耦合到表面波中，常見的解決方案是使用足夠薄的校準(zhǔn)基底，以確保臨界頻率出現(xiàn)在所需的頻帶上。例如，254μm厚的氧化鋁基底上的CPW傳輸線對于TE0模式具有122GHz的臨界頻率，對于TM0模式具有120GHz的臨界頻率。因此，該基底厚度適合通過W波段使用。有時會將這些基底放置在吸波材料上[3]，以通過吸收存在于基底本身外部的瞬逝場來進(jìn)一步衰減不需要的表面波。

在以下三個不同邊界條件下，分析了砷化鎵襯底在片多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件[8]：分別放在金屬卡盤、玻璃片和吸波材料上，如圖1至圖3所示。

圖1中，多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件以砷化鎵為襯底材料，經(jīng)仿真設(shè)計，通過工藝流片而成。將研制的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件直接放置在金屬卡盤上，用準(zhǔn)確度高的多線TRL方法進(jìn)行校準(zhǔn)和測試。

圖1 多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件放在金屬卡盤上示意圖Fig.1 Multi-TRL calibration standard is placed on the metal chuck

圖2中，將研制的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件在金屬卡盤之間放置厚度為500μm的透明玻璃片，用準(zhǔn)確度更高的多線TRL方法進(jìn)行校準(zhǔn)和測試。

圖2 多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件放在玻璃片上示意圖Fig.2 Multi-TRL calibration standard is placed on the glass sheet

圖3中，將研制的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件在金屬卡盤之間放置厚度為500μm的吸波材料，用準(zhǔn)確度更高的多線TRL方法進(jìn)行校準(zhǔn)和測試。

圖3 多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件放在吸波材料上示意圖Fig.3 Multi-line TRL calibration standard is placed on the absorbing material

根據(jù)上述分析，研究的三種校準(zhǔn)基底的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件臨界頻率會存在差異，因此，校準(zhǔn)和測試結(jié)果也會不同，將通過試驗進(jìn)行驗證分析，得到最佳校準(zhǔn)和測試效果下的校準(zhǔn)基底。

3 試驗驗證

為避免接觸重復(fù)性而產(chǎn)生的不確定度，所有數(shù)據(jù)均以原始格式在一個校準(zhǔn)和測試系列中采集并保存，以供進(jìn)一步分析。

W波段在片校準(zhǔn)和測試的試驗裝置包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、半自動晶圓探針臺、晶圓探針及不同校準(zhǔn)基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件。分別在以下三個條件下進(jìn)行校準(zhǔn)和測試。

1)直接將校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件放在金屬卡盤上；

2)在校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件和金屬卡盤之間放置玻璃片(厚度為500μm)；

3)在校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件和金屬卡盤之間放置吸波材料(厚度為500μm)。

所有校準(zhǔn)和測試均在室溫和環(huán)境控制條件下進(jìn)行。三種校準(zhǔn)基底的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件分別對試驗裝置進(jìn)行校準(zhǔn)后，提取CPW傳輸線的傳播常數(shù)(衰減常數(shù)、相對相位常數(shù))、介電常數(shù)和特征阻抗，然后用校準(zhǔn)后的裝置對商用校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件104-783A的短路標(biāo)準(zhǔn)和直通線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。用Cascade公司的Wincal軟件處理數(shù)據(jù)，將測量結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果分別如圖4至圖10所示。圖中深灰色實(shí)線部分表示校準(zhǔn)基底為玻璃片的測量結(jié)果，黑色實(shí)線上有三角形的部分表示校準(zhǔn)基底為吸波材料的測量結(jié)果，淺灰色實(shí)線上有圓形的部分表示校準(zhǔn)基底為金屬卡盤的測量結(jié)果。

圖4 三種基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的傳播常數(shù)曲線圖(衰減常數(shù))Fig.4 Propagation constants of the Multi-TRL calibration standard of three substrates(attenuation constant)

從圖4看出，校準(zhǔn)基底為玻璃片的衰減常數(shù)最小，且曲線相對平滑。校準(zhǔn)基底為吸波材料的衰減常數(shù)最差，隨著頻率增加非線性也越來越明顯。因為玻璃片的匹配程度更好，吸波材料有較強(qiáng)的吸波能力，導(dǎo)致衰減常數(shù)較大。

圖5 三種基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的傳播常數(shù)(相對相位常數(shù))Fig.5 Propagation constants of the Multi-TRL calibration standard of three substrates(relative phase constant)

圖6 三種基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的相對介電常數(shù)Fig.6 Propagation constants of the multi-line TRL calibration standards of three substrates(relative permittivity)

從圖6看出，校準(zhǔn)基底為玻璃片的相對介電常數(shù)最小，校準(zhǔn)基底為吸波材料的相對介電常數(shù)最大。

圖7 三種基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的特征阻抗Fig.7 Characteristic impedance of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

從圖7看出，校準(zhǔn)基底為玻璃片的特征阻抗更接近于50Ω，校準(zhǔn)基底為吸波材料的特征阻抗相對偏差較大。

圖8 三種基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件測量短路標(biāo)準(zhǔn)幅值的結(jié)果Fig.8 Reflection amplitude of short standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

從圖8看出，校準(zhǔn)基底為玻璃片的多線TRL在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件對裝置校準(zhǔn)后，測試商用校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件104-783A短路標(biāo)準(zhǔn)的幅值結(jié)果最好；由于信號泄漏和串?dāng)_等因素的影響，校準(zhǔn)基底為金屬卡盤的多線TRL在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件對裝置校準(zhǔn)后，測試結(jié)果在99GHz以后出現(xiàn)了大于1的情況，違背了物理規(guī)律，此方法測量結(jié)果較差。

圖9 三種基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件測量短路標(biāo)準(zhǔn)相位的結(jié)果Fig.9 Reflection phase of short standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

從圖9看出，校準(zhǔn)基底為玻璃片的多線TRL在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件對裝置校準(zhǔn)后，測試商用校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件104-783A短路標(biāo)準(zhǔn)的相位曲線較平滑；由于信號泄漏和串?dāng)_等因素的影響，校準(zhǔn)基底為金屬卡盤的多線TRL在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件對裝置校準(zhǔn)后，測試結(jié)果波動較大，此方法測量結(jié)果較差。

圖10 三種基底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件測量傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果Fig.10 Attenuation of line standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

從圖10看出，校準(zhǔn)基底為玻璃片的多線TRL在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件對裝置校準(zhǔn)后，測試商用校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件104-783A的傳輸線標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果最好，符合傳輸線的衰減趨勢；由于信號泄漏和串?dāng)_等因素的影響，校準(zhǔn)基底為金屬卡盤的多線TRL在片校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件對裝置校準(zhǔn)后，測試結(jié)果波動較大。

4 結(jié)束語

本文介紹自研W波段砷化鎵襯底的多線TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，研究不同校準(zhǔn)基底的邊界條件，并進(jìn)行了試驗驗證。試驗證明校準(zhǔn)基底為金屬卡盤時，測量結(jié)果最差?；诪槲ú牧蠒r會影響校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的傳播常數(shù)及特征阻抗，由于它的吸波特性，導(dǎo)致衰減常數(shù)非線性增加。提出一種使用玻璃載體的方法，結(jié)果表明，該方法彌補(bǔ)了上述兩種方法的不足，同時避免對CPW傳輸線的傳播常數(shù)及特征阻抗產(chǎn)生負(fù)面影響，提高了校準(zhǔn)和測試準(zhǔn)確度。