GaN大功率Quasi-MMIC在片測試系統的研究

王 帥 鐘世昌 陳 悅

（南京電子器件研究所，南京 210016）

隨著相控陣雷達等多道陣列雷達技術的快速發展，人們對功率微波單片集成電路（Power Microwave Monolithically Integrated Circuit）的需求和測試越來越強烈。GaAs基功率MMIC由于材料的特性，適用于低電壓小功率器件。MMIC的測試一般采用在片測試方法，即芯片不經過封裝直接采用GSG探針將微波信號引出進行測量。這種方法的優點在于可以排除由于封裝的寄生引起的芯片性能上的偏差，是當前GaAs基MMIC基本微波參數測試的主要手段[1]。隨著當前第三代半導體GaN功率器件的發展，基于GaN材料設計制造的GaN高電壓、大功率MMIC逐漸成為市場的主流。但是，純單片MMIC由于晶圓價格昂貴，并不適合低成本大功率的設計。采用GaAs基匹配電路加上GaN功率芯片的準單片Quasi-MMIC電路是當前電路的一大熱點。對于氮化鎵Qusai-MMIC的在片測試，包括常溫參數測試、高低溫等環境條件下的測試。因為它的大功率輸出和高電壓工作的特點，需要對傳統的小功率、低電壓GaAs在片測試系統進行改進來滿足其測試要求。

通過對氮化鎵Qusai-MMIC在片測試系統的研究，對芯片的直流探卡進行處理來實現GaN芯片的高電壓穩定工作，并改進在片測試夾具，確保在不同環境條件下大功率輸出測試的穩定性和可靠性，同時在單一的探針臺引入溫度控制設備，以滿足芯片的環境試驗測試，最終搭建一套完整的氮化鎵Qusai-MMIC在片試驗系統，并對某款氮化鎵Qusai-MMIC進行在片測試與裝盒測試對比，證明了系統的可用性和準確性。

1 微波在片測試系統的構成

傳統的微波在片測試系統主要由探針測試臺（Probe Station）、矢量網絡分析儀（Vector Network Analyzer，VNA）以及電源系統（DC System）構成。MMIC芯片放置在探針測試臺上，用共面波導結構的微波探針對MMIC芯片進行固定以及輸入輸出射頻端口的傳輸連接。網絡分析儀除了提供激勵信號以外，還承擔包括輸出功率、增益和相位等微波參數的測試。電源系統主要給待測件（Device Under Test，DUT）進行饋電[2]。

GaN功率芯片是溫度敏感器件，其增益和輸出功率會隨溫度有大幅度變化，所以需要在在片測試系統中引入溫度控制系統來測試芯片性能對溫度的敏感性。同時，氮化鎵Qusai-MMIC需要高信號輸入，而矢網的內輸出電平往往不能驅動GaN芯片，所以需要在矢網與DUT之間添加一個驅動放大器來驅動芯片[3]。由于驅動放大器的引入，必須準確標定芯片端口處的輸出功率，以保證所測試的頻帶內矢網輸出功率的平坦度。在芯片的輸出端添加一個耦合器，并從耦合端接入頻譜儀對功率芯片進行頻譜測量。

因為氮化鎵Qusai-MMIC輸出功率大，在片測試功率容量以及散熱的限制使氮化鎵Qusai-MMIC在片測試時需要工作在脈沖工作條件。同時，高電壓的使用條件容易給芯片測試帶來振蕩，需要制作專門的直流探針對MMIC進行饋電，在探針板上添加電源調制電路，并在探針距離芯片最近的根部添加高壓濾波電容，以防止電源波紋給芯片帶來自激振蕩。

最后，針對GaN芯片的特點，對傳統的在片測試系統進行提升，選用不同型號的設備構建完整的氮化鎵Qusai-MMIC微波在片測試系統[4]。使用的主要儀器如表1所示，完整的在片測試系統如圖1所示。

表1 在片測試系統儀表型號

圖1 完整的在片測試系統

2 測試夾具的設計

測試與評價氮化鎵Qusai-MMIC性能時，需要把芯片燒結在固定熱沉上，減小由于熱效應給芯片測試帶來的測試偏差[5]。氮化鎵Qusai-MMIC采用大熱沉的載體，并在載體上設計固定饋電口和防自激電路，這樣芯片的饋電采用金絲鍵合至固定的饋電口，直流探針直接放置在饋電口處進行饋電，方便可靠且穩定，且滿足大功率測試的要求。在片測試夾具如圖2所示，氮化鎵Qusai-MMIC燒結在熱沉的中央。

圖2 在片測試芯片圖

3 測試結果及分析

采用改進后的在片測試系統，對某款GaN功率MMIC芯片進行在片測試，同時對同款芯片進行裝盒測試進行增益和駐波對比，測試結果如圖3所示。

圖3 增益測試結果對比

從測試結果可知，采用在片測試的結果與采用裝盒測試的結果接近。裝盒測試的增益結果偏低，駐波結果偏差，主要是裝盒時采用金絲鍵合微帶連接、接頭測試帶來的接頭損耗以及寄生效應帶來的結果，說明在片測試可以比裝盒測試更精確地作為芯片常溫和高低溫性能評價的手段。

4 結語

改進后在片測試評價系統能夠覆蓋到40 GHz氮化鎵Qusai-MMIC的測試。采用該測試系統可以更方便、精確地對氮化鎵Qusai-MMIC進行測試和評價，降低了測試成本，提高了測試效率。整個系統添加了溫度控制系統，可以對芯片進行環境模擬實驗，滿足工程化要求。