FBAR板上測試夾具設(shè)計(jì)及測試流程

摘要: 隨著對(duì)薄膜體聲波諧振器（FBAR）器件性能要求的增高，F(xiàn)BAR器件參數(shù)的精確測試變得十分關(guān)鍵，該文從測試夾具結(jié)構(gòu)以及對(duì)測試夾具的去嵌入校準(zhǔn)這兩個(gè)FBAR參數(shù)測試精度要素考慮，綜述FBAR板上測試技術(shù)的研究現(xiàn)狀，討論測試夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的寄生效應(yīng)、阻抗匹配以及夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題，并分析去嵌入校準(zhǔn)的原理、誤 差模型以及各校準(zhǔn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過降低寄生效應(yīng)、優(yōu)化阻抗匹配、改善校準(zhǔn)方法、優(yōu)化誤差模型可提高 FBAR板上測試的準(zhǔn)確性，并以此給出一套板上測試夾具設(shè)計(jì)及測試流程。

引言

薄膜體聲波諧振器（film bulk acoustic resonator， FBAR）是一種電聲諧振器，具有工作頻率高、尺寸小、品質(zhì)因素高等優(yōu)點(diǎn)。在過去十年，F(xiàn)BAR射頻 （RF）濾波器成為移動(dòng)通信設(shè)備RF部分的核心部 件[1]。FBAR器件參數(shù)的精確測試變得十分關(guān)鍵。

目前，對(duì)FBAR參數(shù)測試的方法主要分為兩大類：1）基于探針臺(tái)的片上測試方法；2）印刷電路板 （printed circuit board，PCB）測試方法。對(duì)于片上測 試方法，其優(yōu)勢在于能夠很好地測試單個(gè)諧振器在 理想環(huán)境下的性能，但是該方法不能測試引線給器 件帶來的影響[2]。片上測試方法對(duì)諧振器的裸芯片 進(jìn)行探針測試，由于無引線電感、電阻及外殼雜散 的影響，此時(shí)該方法測得的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；但是對(duì) 于已經(jīng)封裝的單端諧振器，由于器件會(huì)受到測試夾 具的影響，尤其是諧振頻率高于1 GHz時(shí)，夾具對(duì)諧 振器測試數(shù)據(jù)的影響較大[3]。FBAR板上測試方法的優(yōu)點(diǎn)在于測試結(jié)果中包 含了引線帶來的影響，使得測試結(jié)果更為貼近實(shí)際 運(yùn)用環(huán)境下FBAR的值。該方法采用矢量網(wǎng)絡(luò)分 析儀測試待測器件（device under test，DUT）和夾具 組成的系統(tǒng)的參數(shù)值，因此需要在后期數(shù)據(jù)處理時(shí) 利用去嵌入計(jì)算消除夾具帶來的誤差，最終得出 DUT的準(zhǔn)確參數(shù)。本文主要綜述了FBAR板上測 試夾具設(shè)計(jì)中涉及的寄生效應(yīng)、阻抗匹配以及結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)等因素，以及校準(zhǔn)中的誤差模型選取、校準(zhǔn)方法選用等問題，為提高板上測試準(zhǔn)確性提供思路。

1 測試夾具

在對(duì)射頻器件測試的時(shí)候，往往測試儀器無法 與DUT直接相連[4]，因此需要測試夾具將矢量網(wǎng)絡(luò) 分析儀與DUT連接起來，如圖1所示。影響FBAR 測試夾具準(zhǔn)確性的因素有寄生效應(yīng)、阻抗匹配以及 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

圖 1 FBAR測試夾具結(jié)構(gòu)示意

1.1 寄生效應(yīng)

寄生效應(yīng)主要有寄生電阻、寄生電容和寄生電 感。如果測試濾波器的PCB設(shè)計(jì)不精良，會(huì)導(dǎo)致寄 生效應(yīng)，并影響由PCB和濾波器組成的系統(tǒng)的測試 結(jié)果[1]。在測試夾具設(shè)計(jì)中要盡量減小寄生效應(yīng)的 影響。介電層內(nèi)部以及PCB的信號(hào)和接地路徑中 的寄生效應(yīng)取決于不同的PCB設(shè)計(jì)[1]。文獻(xiàn)中表示在PCB設(shè)計(jì)時(shí)可以利用不平衡的輸入和平衡的輸 出抑制三端口濾波器在PCB中的不對(duì)稱寄生串 擾。因此在線路布線和過渡定位時(shí)不僅要采用對(duì)稱 設(shè)計(jì)，也應(yīng)避免微帶線(the microstrip line，MSL)的 并行設(shè)置 。孔的定位受諸如線寬、槽寬、襯底厚度 和材料參數(shù)等的公差影響[1]，而其精確定位可以縮 短和優(yōu)化過渡過程中的接地路徑，減少由過長引線 帶來的寄生效應(yīng)。過長的引線也會(huì)引入較大的寄生 電感[4]，于是在PCB引線設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)盡量縮短引 線。文獻(xiàn)[2]采用多種方法縮短引線，比如在PCB 中間開一個(gè)小孔、將FBAR單元上4個(gè)器件切割并 使其分離開，以及切除多余的基底等。

1.2 阻抗匹配

在高頻電路的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是電路和系統(tǒng) 設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的重要問題[5]。阻抗匹配是指負(fù) 載阻抗與激勵(lì)源的內(nèi)部阻抗互相匹配，得到最大功 率輸出的一種工作狀態(tài)。在任何微波系統(tǒng)中，為了 保證傳輸效率，減小傳輸損耗和避免大功率擊穿， 通常都盡量使系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出阻抗等 于傳輸系統(tǒng)的特性阻抗，使傳輸線系統(tǒng)處于行波狀 態(tài)，避免反射和駐波的產(chǎn)生[5]。信號(hào)源與傳輸線不 匹配，將影響信號(hào)源的頻率和輸出的穩(wěn)定性，并導(dǎo) 致信號(hào)源不能給出最大功率。傳輸線與負(fù)載不匹 配，會(huì)使傳輸線上出現(xiàn)駐波，導(dǎo)致傳輸線功率容量 降低；負(fù)載不能獲得全部的輸入功率，電路的信噪 比變差。夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮以下兩方面的匹配仿真：

1）DUT與PCB、微帶線線寬及走線方式、微帶 線與射頻接頭的匹配仿真；

2）壓片與DUT、DUT 與PCB以及整個(gè)系統(tǒng)整體的整體仿真。為達(dá)到阻 抗匹配，當(dāng)信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗時(shí)， 采用串聯(lián)終端匹配，即在信號(hào)源端和傳輸線之間串 接一個(gè)電阻，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻 抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來的信號(hào)發(fā)生再次 反射。當(dāng)信號(hào)源端的阻抗很小時(shí)，采用并聯(lián)終端匹 配，即通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸 線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目 的[6]。此外，在優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配， 還可以采用保持低的外層介電層厚度公差，以使 MSL的特征阻抗盡可能接近50 Ω[1]。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的濾波器在測試時(shí)，通常將濾波器的接腳直接與PCB接腳接觸來進(jìn)行電源導(dǎo)通后進(jìn)行測試， 但是經(jīng)常會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)接腳之間接觸不充分導(dǎo)致測試 效果有偏差，影響測試數(shù)據(jù)的正確性[7]。針對(duì)這一 不足，文獻(xiàn)[7]提出了一種通過采用導(dǎo)電膠片連接兩 接腳的濾波器測試夾具，該夾具通過測試盒將濾波 器固定，夾裝穩(wěn)定。雖然兩個(gè)接腳接觸不充分所引 起的測試結(jié)果偏差問題給FBAR 板上測試夾具設(shè) 計(jì)提供了一種考慮因素，但是并沒有驗(yàn)證導(dǎo)電膠片 的引入會(huì)不會(huì)給測試帶來影響。

2 去嵌入校準(zhǔn)

2.1 原理

理想的測試環(huán)境希望測試夾具沒有任何的損耗 以及連接端的阻抗匹配，但是實(shí)際設(shè)計(jì)中很難達(dá)到 該理想環(huán)境。器件性能對(duì)測試夾具的不連續(xù)點(diǎn)很敏 感，為了準(zhǔn)確表征DUT的性能，必須將夾具效應(yīng)從 總體測量中去除[8]。測試的準(zhǔn)確性取決于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 和校準(zhǔn)方法的精度[9]。微波器件的線性性能指標(biāo)主要包括駐波比、插 入損耗、隔離度、幅頻響應(yīng)、相位一致性、濾波特性 等，這些指標(biāo)都可以用S參數(shù)表達(dá)[10]。

采用S參數(shù) 有以下優(yōu)點(diǎn)[11]：

1）可以直接測量；

2）測量精度高；

3）方便用于信號(hào)流圖，簡化微波網(wǎng)絡(luò)的分析；

4）網(wǎng) 絡(luò)參考面移動(dòng)時(shí)，S參數(shù)影響最小。

因此測量時(shí)采 用結(jié)合測量夾具以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量 DUT的S參數(shù)的方式。在FBAR板上測試的時(shí)候，測量參考面中包含 了連接器件以及用于連接DUT的過渡段效應(yīng)所引 起的損耗和相位延遲[12]。去嵌入的校準(zhǔn)方法一般通 過測量夾具每個(gè)端口的參數(shù)，測量出DUT和夾具 組合的S參數(shù)，再將S參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為傳遞參數(shù) （T參數(shù)），計(jì)算DUT的響應(yīng)（不包含夾具誤差），并 將DUT的T參數(shù)轉(zhuǎn)換為S參數(shù)[8, 13]。DUT響應(yīng)計(jì)算公式[8]：

2.2 誤差模型

誤差模型是校準(zhǔn)和誤差修正技術(shù)的基礎(chǔ)[14]。根 據(jù)不同的測量精度要求將誤差模型分為12項(xiàng)、 10項(xiàng)、8項(xiàng)及14項(xiàng)等[11, 14]。其中，ED為方向性誤差， EDF和EDR為反射參數(shù)；ER為反向跟蹤誤差，ERR和 ERF為傳輸參數(shù)；EX為串話誤差，EXF和EXR為隔離、 串?dāng)_；ES為等效源失配誤差，EL為負(fù)載失配誤差， ESF、ESR、ELF和ELR為信號(hào)源匹配及負(fù)載匹配；ET為 正向跟蹤誤差，ETF和ETR為傳輸參數(shù)。Sa11、Sa12、 Sa21、Sa22為被測器件真實(shí)參量。其中，端口1和端 口2之間為被測器件的S參數(shù)[11]。12項(xiàng)誤差模型 如圖2所示，表1中給出了各項(xiàng)誤差模型的對(duì)比。

2.3 校準(zhǔn)方法

夾具的使用一定會(huì)給被測器件的S參數(shù)測試

圖 2 12項(xiàng)誤差模型

結(jié)果帶來影響[18]，因此夾具去嵌入必不可少，而其中 的關(guān)鍵又在于校準(zhǔn)方法的選擇。文獻(xiàn)[19]介紹了一 種標(biāo)刻度的雙端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行PCB元件 夾具去嵌入測試方法，該方法基于最小均方值的夾 具參數(shù)估計(jì)算法提取夾具參數(shù)。文獻(xiàn)[20]介紹了一 種采用SOLT校準(zhǔn)程序，然后執(zhí)行THRL（through， high and low reflection）標(biāo)準(zhǔn)，但該方法復(fù)雜且繁瑣， 不利于推廣。文獻(xiàn)[21]中報(bào)告了一種后置去嵌入的 方法測試目標(biāo)S參數(shù)的夾具測試技術(shù)，該方法也采 用SOLT校準(zhǔn)程序，但不執(zhí)行THRL標(biāo)準(zhǔn)，因此其 測試過程更加簡單，避免了在測試窄帶微波電路時(shí) 的復(fù)雜校準(zhǔn)過程，為夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)思 路。目前，常見的校準(zhǔn)方法主要有SOLT（ShortOpen-Load-Thru） 、 TRL（ Thru-Reflect-Line） 、 LRM（ Line-Reflect-Match） 、 LRRM（ Line-ReflectReflect-Match） 、 SOLR（ Short-Open-Load-Reflect） 等。本文總結(jié)了SOLT和TRL方法的12項(xiàng)誤差參 數(shù)[22]，在表2中比較了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)并分析了其使用環(huán)境。文獻(xiàn)[23]中給出了TRL校準(zhǔn)方法推導(dǎo)出 DUT真實(shí)S參數(shù)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。文獻(xiàn)[16]中給 出了使用SOLT方法校準(zhǔn)最終得到S參數(shù)的數(shù)學(xué) 推導(dǎo)過程。

2.4 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件

每種校準(zhǔn)方法都有其一套校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，表3中 總結(jié)了常見的各標(biāo)準(zhǔn)件的含義及其簡要制作過程。SOLT校準(zhǔn)采用短路、開路、負(fù)載和直通校準(zhǔn)， 如圖3所示。TRL方法采用的是去嵌入方法的思 想，但是它不需要已知的負(fù)載，而是采用直通、反 射、傳輸線3種連接方式進(jìn)行校準(zhǔn)[25-26]，其標(biāo)準(zhǔn)件如 圖4所示。

3 夾具設(shè)計(jì)流程

本文分析了FBAR板上測試夾具設(shè)計(jì)方法，得 出如圖5所示的夾具以及測試流程圖。該流程圖分 為3個(gè)主要步驟：設(shè)計(jì)測試夾具、夾具校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn) 件以及結(jié)合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試DUT的S參數(shù)。首先設(shè)計(jì)測試夾具，再設(shè)計(jì)去嵌入校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件，并測試其S參數(shù)且將其預(yù)存入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，使 網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠自動(dòng)完成去嵌入計(jì)算，修正由于測 試夾具而引入的誤差，測得DUT（本文中為FBAR） 的S參數(shù)。

圖 3 SOLT校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

圖 4 TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

隨著FBAR濾波器逐漸發(fā)展成為移動(dòng)通信設(shè) 備在射頻領(lǐng)域中的核心，F(xiàn)BAR器件性能測試的精 度也逐漸提升。而影響FBAR測試夾具的測試精 準(zhǔn)度的影響因素有很多，包括FBAR測試夾具結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)以及測試夾具校準(zhǔn)方法的選用。從測試夾具 本身來看，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)FBAR測試夾具結(jié) 構(gòu)，優(yōu)化夾具PCB設(shè)計(jì)以及PCB上引線布局，降低 寄生效應(yīng)；保證測試系統(tǒng)的阻抗要匹配良好，沿信 號(hào)路徑的反射、端口間的寄生饋通最小化；保證待 測器件與測試夾具接腳的充分接觸，盡可能使濾波 器的測試性能接近真實(shí)性能值。從校準(zhǔn)來看，可以 通過建立合理的誤差模型，選擇合適的校準(zhǔn)方法， 設(shè)計(jì)高精度的校準(zhǔn)流程標(biāo)準(zhǔn)套件，對(duì)夾具進(jìn)行校準(zhǔn) 操作，以保證盡可能得到待測器件的真實(shí)性能值。（參考文獻(xiàn)略）

圖 5 夾具設(shè)計(jì)及測試流程