BAW濾波器板上測(cè)試夾具設(shè)計(jì)

許夏茜，高 楊，袁 靖

(1. 西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2. 西南科技大學(xué) 微系統(tǒng)中心，四川 綿陽 621010)

0 引言

5G移動(dòng)通信的商用化極大地提升了終端射頻濾波器的市場需求，預(yù)期2020年射頻濾波器出貨量將達(dá)到68億只。高性能的濾波器(如體聲波(BAW)濾波器、溫度補(bǔ)償(TC)的聲表面波(SAW)及薄膜SAW濾波器)將達(dá)到40億只[1]。BAW濾波器具有品質(zhì)因數(shù)Q值高，插入損耗低，帶外抑制好，功率容量高，器件尺寸隨頻率的增加而降低，對(duì)溫度變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)，很適合Sub-6 GHz頻段的5G應(yīng)用。

性能測(cè)試對(duì)BAW濾波器的建模、特征參數(shù)提取、設(shè)計(jì)性能優(yōu)化及質(zhì)量控制等很重要[2]。精確測(cè)試射頻濾波器的性能，也是有效設(shè)計(jì)其應(yīng)用電路的關(guān)鍵[3]。如果器件性能測(cè)試不準(zhǔn)，會(huì)影響整個(gè)電路的設(shè)計(jì)。蔡洵等[4]給出了BAW濾波器片上測(cè)試(待測(cè)器件(DUT)芯片+射頻探針臺(tái)+矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)方法及其性能分析，但片上測(cè)試需高水平測(cè)試人員及昂貴的射頻探針臺(tái)，且不適合封裝后器件的測(cè)試。為了能方便、準(zhǔn)確地測(cè)得BAW濾波器的性能，給非同軸接口(通常是平面的焊盤)的DUT與同軸接口的測(cè)試儀器間提供一個(gè)低損耗的電連接，引入了板上測(cè)試(DUT芯片組裝在測(cè)試夾具上+矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)夾具。已有文獻(xiàn)關(guān)注BAW濾波器板上測(cè)試夾具測(cè)試結(jié)果的校準(zhǔn)[5-7]，但測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)報(bào)道較少。

本文設(shè)計(jì)了一款BAW濾波器板上測(cè)試夾具，簡化BAW濾波器測(cè)試操作。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的測(cè)試夾具，采用同一款BAW濾波器芯片為DUT，分別進(jìn)行了片上和板上測(cè)試，并將同一濾波器測(cè)試結(jié)果做板上測(cè)試S12曲線與片上測(cè)試S12曲線、板上測(cè)試S12與S21曲線、板上測(cè)試S11與S22曲線3種對(duì)比，驗(yàn)證得出設(shè)計(jì)的測(cè)試夾具能為后續(xù)去嵌入校準(zhǔn)提供較可靠的初始值。

1 原理

板上測(cè)試夾具的基本功能是在測(cè)試中為封裝好的DUT(本文中為BAW濾波器)與測(cè)試儀器矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)之間提供一個(gè)低損耗的電連接。其主要結(jié)構(gòu)是印制電路板(PCB)、微帶傳輸線和兩端的同軸接頭。夾具中有器件平面和VNA參考平面[8]，如圖1所示。DUT可通過引線鍵合[8]或夾裝裝置機(jī)械固定[5]的方式，電連接至其兩側(cè)的微帶傳輸線。

圖1 板上測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)示意圖

板上測(cè)試夾具設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)使其與VNA的阻抗不匹配，導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)反射，對(duì)外電磁輻射，易受電磁干擾等問題，造成測(cè)試結(jié)果失準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)測(cè)試夾具要求：

1) 通常測(cè)試夾具阻抗選擇匹配到50 Ω，以確保其與VNA的阻抗匹配[9]。

2) 確保其接地性能，以免接地信號(hào)發(fā)生反射；保證屏蔽性能，以免傳輸信號(hào)受外界信號(hào)干擾。

3) 盡可能使測(cè)試夾具具有左、右對(duì)稱性，以便測(cè)試的去嵌入校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，利用這種對(duì)稱性可快速求解出誤差模型中的誤差項(xiàng)[9]。

2 方法

2.1 夾具板材選型與微帶傳輸線設(shè)計(jì)

PCB板材和微帶傳輸線的尺寸會(huì)影響阻抗匹配特性，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要首先考慮PCB板是DUT的載體；PCB板在高頻下的信號(hào)損耗小，才能保證信號(hào)的正常傳輸。因此，選擇PCB板材時(shí)需考慮：

1) 保持良好的信號(hào)完整性。

2) 相對(duì)介電常數(shù)εr隨溫度、頻率的波動(dòng)小。

RO4003C高頻PCB板材能提供嚴(yán)格控制的εr、損耗，適用于高可靠性微波/射頻應(yīng)用，因此選用該型PCB板材制作夾具。

微帶傳輸線的作用是實(shí)現(xiàn)DUT與兩端同軸接頭的電連接。精確的微帶線計(jì)算表達(dá)式是采用保角變換法推導(dǎo)出來的，計(jì)算較復(fù)雜[10]。為了快速估算出微帶線寬度W及介質(zhì)基片厚度初值d0，選用較簡單的經(jīng)驗(yàn)式：

(1)

通過式(1))可確定W/d的取值。計(jì)算時(shí)，Z0=50 Ω，εr取RO4003C板材的值，即εr=3.55。

調(diào)用ADS微帶線計(jì)算工具LineCacl完成微帶傳輸線尺寸計(jì)算。在LineCacl中設(shè)置輸入?yún)?shù)εr=3.55,d0=206 μm,設(shè)置工作頻率fref=1.8 GHz(在DUT的中心頻率處),匹配阻抗Z0=50 Ω, 電長度Eeff=90°(即導(dǎo)波長的1/4)。根據(jù)上述設(shè)置，用LineCacl計(jì)算出微帶線長L=25 431 μm，W=425 μm。

2.2 微帶線阻抗匹配研究

由于阻抗匹配對(duì)測(cè)試夾具影響最大，必須對(duì)設(shè)計(jì)的測(cè)試夾具進(jìn)行阻抗分析，確保其匹配到50 Ω。

采用時(shí)域反射儀(TDR)監(jiān)測(cè)階躍信號(hào)變化可得出反射系數(shù)的變化，進(jìn)而計(jì)算傳輸線的特征阻抗。得到初始微帶線參數(shù)后，利用TDR進(jìn)行傳輸線阻抗匹配分析。在ADS軟件中，搭建微帶線的TDR電路仿真模型如圖2所示。圖中，MLIN是被測(cè)的微帶線，階躍電壓源VtStep作為階躍信號(hào)發(fā)生器，理想微帶傳輸線TLIN作為被測(cè)傳輸線的參考，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓Vin用于觀察信號(hào)變化。

圖2 TDR電路瞬態(tài)仿真原理圖

根據(jù)圖2模型在ADS軟件中仿真得到瞬態(tài)仿真曲線如圖3所示。在得到TDR階躍脈沖信號(hào)曲線(見圖3)過程中，小的凹陷(見圖3(a))代表電容特性；小的凸起(見圖3(b))代表電感效應(yīng)[11]，因此可分析傳輸線的電容/電感特性。

圖3 微帶傳輸線瞬態(tài)仿真曲線

對(duì)于微帶線，線路越窄，電路電感性越大；線路越寬，電路電容性越大，故可通過調(diào)整W改變傳輸線的電容/電感特性，修正TDR階躍脈沖信號(hào)曲線中凹、凸部分，使微帶線阻抗匹配。

由圖3可看出，瞬態(tài)仿真曲線中凹陷是由于信號(hào)在MLIN處發(fā)生反射，反射的負(fù)電壓使信號(hào)產(chǎn)生下沖造成，通過減小W來減小電路電容性，使微帶線阻抗匹配到50 Ω。

W增加時(shí)，TDR電路瞬態(tài)仿真曲線會(huì)形成小凹陷(見圖4)，W每增加100 μm，曲線下凹電壓增加0.045 V。圖4(a)中,曲線1～8是保持L=25 431 μm不變，W分別為425 μm、525 μm、625 μm、725 μm、825 μm、925 μm、1 025 μm和1 125 μm時(shí)，TDR電路瞬態(tài)仿真結(jié)果，

圖4 W增加與瞬態(tài)仿真曲線下凹關(guān)系分析

W減小時(shí)，TDR電路瞬態(tài)仿真曲線會(huì)形成小凸起(見圖5)，每減小100 μm，曲線凸起電壓增加0.009 V。圖5(a)中，曲線1～5是保持L=25 431 μm不變，W分別為325 μm、225 μm、125 μm和25 μm時(shí)，TDR電路瞬態(tài)仿真結(jié)果。

圖5 W減小與瞬態(tài)仿真曲線凸起關(guān)系分析

由圖4、5可看出，通過調(diào)整W可消除TDR電路瞬態(tài)仿真曲線中的局部凹陷或凸起，使微帶線阻抗匹配到50 Ω。

2.3 阻抗匹配的TDR仿真復(fù)核

為確保測(cè)試夾具的阻抗匹配到50 Ω，對(duì)夾具微帶線進(jìn)行阻抗匹配的TDR仿真復(fù)核。將W=425 μm,L=25 431 μm,d=206 μm導(dǎo)入ADS中，通過TDR瞬態(tài)電路仿真得出傳輸線信號(hào)的響應(yīng)曲線(見圖6),信號(hào)曲線中無不連續(xù)點(diǎn)，證明設(shè)計(jì)的測(cè)試夾具已阻抗匹配到50 Ω。

圖6 阻抗匹配的TDR仿真復(fù)核

3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前述設(shè)計(jì)結(jié)果，制作了3件測(cè)試夾具樣品，分別選用3款不同中心頻率(f0≈1.8 GHz,2.7 GHz,4.3 GHz)的BAW濾波器芯片為DUT。圖7、8分別為3件樣品進(jìn)行片上和板上測(cè)試的夾具模型。

圖7 片上射頻探針臺(tái)測(cè)試校準(zhǔn)及BAW器件片上測(cè)試

圖8 BAW濾波器板上測(cè)試

3.1 片上測(cè)試

片上測(cè)試結(jié)果將作為對(duì)比基準(zhǔn)。3組DUT (BAW濾波器裸芯片)的片上測(cè)試的掃頻參數(shù)設(shè)置如表1所示。保證掃頻范圍內(nèi)的頻點(diǎn)數(shù)相同。片上測(cè)試前，均先進(jìn)行短路、開路、負(fù)載匹配及直通(SOLT)校準(zhǔn)，將測(cè)試平面修正到器件平面，以消除測(cè)試系統(tǒng)誤差。測(cè)試結(jié)果以S2P文件導(dǎo)出。

表1 片上測(cè)試掃頻參數(shù)設(shè)置

3.2 板上測(cè)試

板上測(cè)試試驗(yàn)件是采用引線鍵合工藝，將BAW濾波器芯片電裝到測(cè)試夾具上，如圖9所示。

圖9 板上測(cè)試試驗(yàn)件實(shí)物照片

為了觀察板上測(cè)試寬頻帶范圍響應(yīng)曲線變化，設(shè)置VNA的掃頻范圍為100 MHz～5 GHz、掃頻步長4.5 MHz。同樣采用VNA自帶的SOLT校準(zhǔn)功能，將測(cè)試平面修正到VNA參考平面。測(cè)試結(jié)果以S2P文件導(dǎo)出。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

以片上測(cè)試結(jié)果為基準(zhǔn)，考察板上測(cè)試試驗(yàn)件實(shí)測(cè)的S參數(shù)，以對(duì)比評(píng)估板上測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)結(jié)果。

在ADS軟件中，將片上測(cè)試、板上測(cè)試的S2P文件均導(dǎo)入ADS軟件。由于樣品差異(3種BAW濾波器樣品有不同的f0)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足(板上測(cè)試未選取與表1中完全一致的掃頻范圍、掃頻步長)，讀取S2P文件時(shí)需要設(shè)置掃頻范圍為100 MHz～5 GHz，掃頻步長為0.25 MHz，以包容全部測(cè)試數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 片上與板上測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖10為3組BAW濾波器片上與板上測(cè)試傳輸參數(shù)S曲線結(jié)果對(duì)比。對(duì)曲線上f0、左傳輸零點(diǎn)fps、右傳輸零點(diǎn)fsp3個(gè)重要頻點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表2所示。表中，取曲線上絕對(duì)值最小點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為f0[4]。由圖10可看出，3組BAW濾波器板上與片上測(cè)試數(shù)據(jù)均有偏差，但曲線整體趨勢(shì)一致。

圖10 3組BAW濾波器板上和片上測(cè)試傳輸曲線對(duì)比

表2 3組測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

板上與片上測(cè)試數(shù)據(jù)存在偏差的原因是：

1) 板上和片上測(cè)試掃頻步長設(shè)置不一致，使掃頻時(shí)選取的掃頻點(diǎn)不同，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)偏移。

2) 板上測(cè)試時(shí)，只將測(cè)試平面校準(zhǔn)到了同軸接頭處，即只將測(cè)試平面修正到VNA參考平面，而不是器件平面，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果中還包含有測(cè)試夾具的性能參數(shù)。

后續(xù)改進(jìn)：

1) 實(shí)測(cè)驗(yàn)證時(shí)必須保證測(cè)試范圍及掃頻步長一致，確保兩種測(cè)試方法測(cè)試頻點(diǎn)一致。

2) 通過設(shè)計(jì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件將測(cè)試平面校準(zhǔn)到器件平面，去除夾具效應(yīng)。

4.2 板上測(cè)試結(jié)果S12和S21曲線對(duì)比

圖11為3組BAW濾波器板上測(cè)試S12與S21曲線的對(duì)比。由圖可看出，3組濾波器板上測(cè)試獲得的S12與S21曲線均基本吻合。

圖11 板上測(cè)試S12與S21曲線對(duì)比

4.3 板上測(cè)試結(jié)果S11和S22曲線對(duì)比

圖12為3組BAW濾波器板上測(cè)試S11與S22曲線的對(duì)比。由圖可看出，除第1組濾波器板上測(cè)試S11和S22曲線有偏差外，其余2組測(cè)試S11和S22曲線基本吻合。

圖12 板上測(cè)試S11與S22曲線對(duì)比

第1組測(cè)試數(shù)據(jù)有偏差的原因是SMA接頭為手動(dòng)焊接，不能保證插針與板材焊接的可靠性，導(dǎo)致信號(hào)在較高頻時(shí)發(fā)生損耗。后續(xù)改進(jìn)需在焊接測(cè)試夾具時(shí)，盡可能保證焊接的可靠性。

5 結(jié)束語

采用經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合ADS仿真軟件中微帶線計(jì)算工具LineCacl的方法，可快速計(jì)算出測(cè)試夾具初始結(jié)構(gòu)參數(shù)(介質(zhì)基片厚度、微帶線寬度及長度)，通過在ADS中建立TDR瞬態(tài)仿真電路，驗(yàn)證了該提取初始結(jié)構(gòu)參數(shù)方法的可行性。用設(shè)計(jì)的測(cè)試夾具和VNA測(cè)試了3款不同中心頻率的BAW濾波器的S參數(shù)，并將測(cè)試結(jié)果與射頻探針臺(tái)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分析發(fā)現(xiàn)，與片上測(cè)試結(jié)果相比，板上測(cè)試的S參數(shù)曲線略有偏移，但兩者趨勢(shì)一致；板上測(cè)試S11曲線與S22曲線、S12曲線與S21曲線基本吻合。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的板上測(cè)試夾具具有左、右對(duì)稱性，其測(cè)試結(jié)果能為后續(xù)去嵌入校準(zhǔn)[9]提供一個(gè)較可靠的初始值。