在片校準標準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.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051；2.解放軍陸軍步兵學院石家莊校區(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件對系統(tǒng)進行校準。測試結果的準確度依賴于校準準確度，校準準確度依賴于校準方法的選取和所用校準標準件的準確度。校準標準件的準確度與校準基底密切相關[1]。

從20世紀80年代開始，基于襯底的在片校準標準件已經(jīng)應用于在片測試行業(yè)。一般商用校準標準件(ISS)包含開路(Open)標準件、短路(Short)標準件、負載(Load)標準件和直通(Thru)標準件。這些標準件通常基于共面波導(CPW)設計，共面波導的幾何形狀與地-信號-地(GSG)晶圓探針的配置互相兼容，便于進行校準和測試。

20世紀90年代F.Williams等研究人員提出了用于表征和改進平面標準性能的方法[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準件的電特性[2]，并提出了使用更小基底厚度的懸掛校準基底(將校準標準件懸掛在空中，將空氣作為校準基底)以及吸波材料(RAM)的方案。然而，受制于當時在片測量能力有限，試驗結果上限只到50GHz。

多線TRL(Thru-Reflect-Line)[5]校準方法是目前國際上廣泛應用的在片準確度更高的校準方法[6]，其獨特的隨機誤差物理模型及校準標準件的定義均能有效提高校準和測試準確度，國內(nèi)也對多線TRL校準技術開展了深入研究[7,8]。設計并加工制作了W波段的砷化鎵襯底多線TRL校準標準件，將其分別放置在金屬卡盤、玻璃片和吸波材料三種校準基底上，國際上未見此校準標準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校準標準件在不同校準基底邊界條件對校準和測試結果的影響，并進行了試驗驗證，驗證了理論的合理性。

2 基底邊界條件分析

導行波的傳播受到導體或介質(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出，其推導過程在一般電磁場理論書中可見[9]。

不同基底的校準標準件由于介電常數(shù)等不同，其邊界條件不同，傳統(tǒng)的校準標準件基底厚度在(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)關系式來表征。

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

表1 陶瓷襯底校準標準件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)校準標準件懸掛在空氣中校準標準件放在金屬卡盤上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標準耦合到表面波中，常見的解決方案是使用足夠薄的校準基底，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校準標準件[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校準標準件以砷化鎵為襯底材料，經(jīng)仿真設計，通過工藝流片而成。將研制的校準標準件直接放置在金屬卡盤上，用準確度高的多線TRL方法進行校準和測試。

圖1 多線TRL校準標準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，將研制的校準標準件在金屬卡盤之間放置厚度為500μm的透明玻璃片，用準確度更高的多線TRL方法進行校準和測試。

圖2 多線TRL校準標準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，將研制的校準標準件在金屬卡盤之間放置厚度為500μm的吸波材料，用準確度更高的多線TRL方法進行校準和測試。

圖3 多線TRL校準標準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，研究的三種校準基底的校準標準件臨界頻率會存在差異，因此，校準和測試結果也會不同，將通過試驗進行驗證分析，得到最佳校準和測試效果下的校準基底。

3 試驗驗證

為避免接觸重復性而產(chǎn)生的不確定度，所有數(shù)據(jù)均以原始格式在一個校準和測試系列中采集并保存，以供進一步分析。

W波段在片校準和測試的試驗裝置包括矢量網(wǎng)絡分析儀、半自動晶圓探針臺、晶圓探針及不同校準基底的多線TRL校準標準件。分別在以下三個條件下進行校準和測試。

1)直接將校準標準件放在金屬卡盤上；

2)在校準標準件和金屬卡盤之間放置玻璃片(厚度為500μm)；

3)在校準標準件和金屬卡盤之間放置吸波材料(厚度為500μm)。

所有校準和測試均在室溫和環(huán)境控制條件下進行。三種校準基底的校準標準件分別對試驗裝置進行校準后，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，然后用校準后的裝置對商用校準標準件104-783A的短路標準和直通線標準進行測試。用Cascade公司的Wincal軟件處理數(shù)據(jù)，將測量結果進行比較分析。結果分別如圖4至圖10所示。圖中深灰色實線部分表示校準基底為玻璃片的測量結果，黑色實線上有三角形的部分表示校準基底為吸波材料的測量結果，淺灰色實線上有圓形的部分表示校準基底為金屬卡盤的測量結果。

圖4 三種基底的多線TRL校準標準件的傳播常數(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，校準基底為玻璃片的衰減常數(shù)最小，且曲線相對平滑。校準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，吸波材料有較強的吸波能力，導致衰減常數(shù)較大。

圖5 三種基底的多線TRL校準標準件的傳播常數(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校準標準件的相對介電常數(shù)Fig.6 Propagation constants of the multi-line TRL calibration standards of three substrates(relative permittivity)

從圖6看出，校準基底為玻璃片的相對介電常數(shù)最小，校準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校準標準件的特征阻抗Fig.7 Characteristic impedance of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

從圖7看出，校準基底為玻璃片的特征阻抗更接近于50Ω，校準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校準標準件測量短路標準幅值的結果Fig.8 Reflection amplitude of short standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

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

圖9 三種基底的多線TRL校準標準件測量短路標準相位的結果Fig.9 Reflection phase of short standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

從圖9看出，校準基底為玻璃片的多線TRL在片校準標準件對裝置校準后，測試商用校準標準件104-783A短路標準的相位曲線較平滑；由于信號泄漏和串擾等因素的影響，校準基底為金屬卡盤的多線TRL在片校準標準件對裝置校準后，測試結果波動較大，此方法測量結果較差。

圖10 三種基底的多線TRL校準標準件測量傳輸線標準的結果Fig.10 Attenuation of line standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

從圖10看出，校準基底為玻璃片的多線TRL在片校準標準件對裝置校準后，測試商用校準標準件104-783A的傳輸線標準結果最好，符合傳輸線的衰減趨勢；由于信號泄漏和串擾等因素的影響，校準基底為金屬卡盤的多線TRL在片校準標準件對裝置校準后，測試結果波動較大。

4 結束語

本文介紹自研W波段砷化鎵襯底的多線TRL校準標準件，研究不同校準基底的邊界條件，并進行了試驗驗證。試驗證明校準基底為金屬卡盤時，測量結果最差?；诪槲ú牧蠒r會影響校準標準件的傳播常數(shù)及特征阻抗，由于它的吸波特性，導致衰減常數(shù)非線性增加。提出一種使用玻璃載體的方法，結果表明，該方法彌補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)生負面影響，提高了校準和測試準確度。