高频原件测量技术

高頻元件量測技術
(一) 量測方法
目前針對高頻元件的特性量測,主要可概分為測試夾具法(Test Fixture Measurement)及晶圓級量測法(On - Wafer Measurement)兩種,各有其需要及優缺點,茲介紹如下:
1 .測試夾具法:此法為較早期且頗為成熟的量測方法,該量測法可針對已封裝或尚未封裝的待測元件(Device Under Test, DUT)進行量測。首先介紹以該法量測未包裝高頻元件的方法,一開始必須把未包裝的晶片(Chip-Form)固定在載具(Carrier Assembly)之上,並利用打線(Bonding Wire)連接元件之金屬接觸點(Metal Pad)和載具上的微導線 (Microstrip Line),然後將載具置於Midsection上,再把此Midsection夾在已經作好校正的測試夾具上,如此即可進行測試夾具法的量測,其關係如圖二所示。若為已包裝的高頻元件,例如以S O T
2
3 型式封裝者,則可直接將該元件置於適當之Midsection上,再把此Midsection夾在已經作好校正的測試夾具上後量測。經過元件切割且包裝後作量測,能忠實地反映出元件包裝後的最終特性,如此便能提供使用該元件的電路設計者元件包裝後最真實的元件特性資訊;然而此法卻也使得元件封裝前的原始真實特性,
因為封裝所需的打線及夾具等的若干寄生效應而失真,如此一來,對於元件、製程設計及改良之工程師而言,將無法真實地掌握元件原始特性,妨害了元件製作上的改良及特性提昇。量測未包裝的晶片雖可免去前述之缺點,但所需的打線仍為一繁雜的工作,且需另外設計實驗方法或以數學運算去除所需打線的寄生效應。
2 .晶圓級量測法:為了克服測試夾具量測法的缺點,晶圓級量測法便應運而生,且已日漸成熟及普及。該法主要藉由共平面探針(Coplanar Probes)來進行量測,此量測法可在元件的製程進行中段或製程結束、封裝前使用,可藉此法得到元件封裝前的原始真實特性,避免封裝寄生效應的影響,有效地提高了元件特性及製程改良的可行性,同時也具有更高的時效性,並節省封裝所需的成本。但此量測法的量測
結果之重複性,較容易因量測者的熟練度而改變,而且該法無法像測試夾具法般,直接量到該元件封裝後的特性狀況。晶圓級量測法主要是利用經特殊設計的微波探針(Microwave Probes)作為同軸電纜 (Coaxial Cable)和微波元件間微波訊號傳遞的接觸媒介,以直接量測未封裝前晶片上的待測元件。此處的微波探針通常為共平面(Coplanar)的型式,例如常見的G-S-G( Ground-Signal-Ground)和G-S(Ground-Signal)兩種,如圖三所示。此處的接地部分(Ground)將連到同軸電纜的接地部分,此接地部分提供了微波訊號在探針上傳遞時,電磁場的一個收斂途徑,避免傳遞訊號因基板的耗損性(substrate loss)而失真、衰減;也由於G-S-G型式的微波探針具有兩個對稱的收斂途徑(Ground部分),因此提供了探針與基板間較佳的隔絕效果(shielding),減少了微波訊號因傳遞的失真,所以其較G-S型式者更適用於較高頻率的量測上。微波探針的針間間距(Contact Spacing)通常有一定的規格,以G-S-G型式為例,其每一個針間的距離
(pitch,Center-to-Center)通常為100mm到250mm之間;也由於微波探針具有一定的規格,因此當設計元件的金屬接觸板(Metal Pads)時,即需事先考量後續量測時微波探針所需的規格。
(二) 量測校正
無論是使用測試夾具法及晶圓級量測法來進行高頻量測,都必須在量測之前對系統進行校正(Calibration),以去除量測儀器及環境所造成之效應,將量測系統的參考平面 (Reference Plane)移至距離待測物越近越好。以測試夾具法而言,一般是以TRL(Through、Reflect、Line) 校正法進行系統校正,首先需把TRL校正組件(Calibration Kits) 之參數輸入網路分析儀(Network Analyzer) 中,然後將頻率
範圍、功率、量測平均點數等件輸入網路分析儀,接著進行各項 Calibration Kits 之量測,最後透過網路分析儀的內部運算,即可得到各頻率下的校正係數 (Calibration Coefficient),將其存於網路分析儀中,以便實際量測時儀器內部運算取用,如此便可將量測系統的參考平面(ReferencePlane)移至測試夾具的前端,以獲得較真實的元件原
始特性。對於晶圓級量測法而言,則是藉由校正基板(Impedance Standard Substrate)的量測,及網路分析儀的運算,將量測系統的參考平面移至高頻微波探針的針尖處,以去除系統、電纜及微波探針等不必要的寄生效應,最常見的校正法為 SOLT(Short、Open、Load、Through)校正法,如圖四所示。
(三) 散射參數(Scattering Parameter)的量測
當電子電路操作在高頻的情況下時,該頻率所對應的波長和實際電子電路的物理尺寸相較之下變小許多,因此,在低頻時常用來描述電路節點特性的電壓和電流的觀念便逐漸不適用,此時的電路特性用波或能量的觀念來表示將更為適當。其中最常使用到的表示法為散射參數,又稱S 參數,主要是採用入射波(incident)、穿透波(transmission)、和反射波(reflection)的觀念來表示,利用入射波打到待測物所產生的穿透波和反射波的振幅和相位等資料,描述該待測物的高頻微波特性,如圖五所示。量測S參數所需的系統架構,主要為如圖六所示,一般最常見的頻率範圍可達20或 50 GHz。此系統架構主要包含:
1.Network Analyzer:用來量測該雙埠網路(DUT)的S參數特性,並利用校正係數,將量測系統的參考平面移至靠近DUT處,以獲得並分析元件的高頻特性。
2 . Synthesized Sweeper:用來提供射頻信號源。
3 . Test Set:提供雙埠間( Port-1和Port-2)快速切換的能力。
4 . DC Bias Supplies :用來提供待測元件的直流偏壓準位,並量測直流訊號響應。
在選擇了適當的測量方式,並完成校正程序之後,即可將待測元件接到s參數量測系統50ohm的雙埠之間。量測S參數時,訊號由DUT的Port-1進入,Port-2 terminate ,此時所量到的反射及傳輸功率比即分別為

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