范海鹃;王志功;周建冲;李智
【摘 要】射频芯片(RFIC)的性能极易受到键合线、外围元件与电路等片外因素的影响,通常一款商用射频芯片的设计需要经过从初始芯片设计、芯片测试验证、修正芯片设计的多轮反复过程.因此射频芯片在设计时就需要对IC电路、键合和片外元件电路进行综合考虑.根据这一特点,结合相关芯片的实践经验,讨论射频芯片测试与验证的一般方法和经验技巧,对RFIC的设计具有实用价值.
【期刊名称】《现代电子技术》
绿隔热玻璃【年(卷),期】2006(029)024
【总页数】3页(P154-156)
【关键词】芯片测试;键合;RFIC;设计验证
【作 者】范海鹃;王志功;周建冲;李智
【作者单位】东南大学,射频与光电集成电路研究所,江苏,南京,210096;东南大学,集成电路学院,江苏,南京,210096;东南大学,射频与光电集成电路研究所,江苏,南京,210096;东南大学,射频与光电集成电路研究所,江苏,南京,210096;东南大学,射频与光电集成电路研究所,江苏,南京,210096;东南大学,集成电路学院,江苏,南京,210096
【正文语种】中 文
【中图分类】TN407
射频芯片RFIC的设计过程不仅要根据芯片技术性能以及市场的需求选择合适的工艺，而且要考虑RFIC在应用过程中芯片键合、外围元件与电路等这些敏感的片外因素对芯片实际性能的影响。通常一款商用射频芯片的设计需要经过从初始芯片设计、测试验证、修正芯片设计的多轮反复过程。根据这一特点，结合相关芯片的实践经验，本文讨论了射频芯片测试与验证的一般方法和经验技巧，对RFIC的设计具有实用价值。
1 芯片设计
由于射频电路通常应用于高频、大功率、低噪声及高线性要求的场合，器件物理层的各种
寄生效应、分布效应的影响不可忽略，因此给芯片设计带来了众多的难题，需要在设计的各环节进行综合考虑。以射频放大器的芯片电路设计为例，常规的设计流程如图1所示。
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首先明确系统要求，主要是指工作频率及带宽、功率增益及增益平坦度、输入/输出功率、输入/输出反射、噪声系数、线性与谐波、效率与功耗等技术参数，将这些参数作为设计目标输入设计系统。接下来，根据这些设计要求选择合适的制造工艺和相应的器件模型，此时不仅要考虑技术因素，而且还要考虑综合性价比等市场因素。之后就进入常规的前端原理设计与仿真、后端版图设计与后仿真的IC设计流程。需要着重指出的是，不能把前端和后端设计割裂开来进行。这是由于后端物理层设计中的制造工艺参数以及电性能参数会对芯片技术指标的实现产生各种影响，因此需要把两者纳入统一的优化流程,进行多次的设计修改循环。
图1 射频芯片设计流程
图2为一个由三级放大器组成的3.5 GHz 1 W射频功放MMIC的电路原理框图，采用0.35 μm_SiGe_BiCMOS_HBT制造工艺，虚线框内的是芯片内部电路。
图2中的电感L1,L5用于输入/输出匹配网络，电感L2,L3,L4用于各级集电极馈电及级间匹配，而Lgnd1,Lgnd2,Lgnd3是各级的发射极键合线电感。使用键合线电感的优点是Q值高，缺点是电感值精度难以控制；而片内电感一般Q值做不高，且可选择的电感值也非常受限，为此该设计按图2进行片外片内电路的划分。同时设计过程中还需要将两者进行统一的优化，优化过程中键合线的设计及外电路设计与测试成为影响电路最终性能的重要环节。
图2 3.5GHz_1W_PA_MMIC电路原理框图
2 芯片键合设计
2.1 键合线的选择
常规的键合线(Bond-wire)有金线型和金带型，在ADS的EDA环境下有图3所示的2种键合线模型。各参数的定义见注释。标准的金线直径为0.7～2 mil,常用金带宽度为5～8 mil。
图3 ADS中的键合线模型
设计中需要根据所需的电感量和所通过的电流大小选择键合线类型，在此设计中L1用于输入阻抗匹配、L2，L3用于直流偏置和级间匹配，采用金线或多条金线键合；而第三级集电极电流达到600 mA，因此L4用金带键合；输出端的功率接近1 W，因此L5也采用金带键合；发射级电感的存在会减小电路增益，为了减小芯片中三级放大器发射极的键合线电感，Lgnd1,Lgnd2,Lgnd3均采用金带键合。
2.2 键合工艺的实现
选取键合线类型后，结合电路所需和实际工艺可实现的条件设定各金线或金带的参数代入原理电路图进行仿真。由于此次加工的SiGe芯片未进行减薄处理，芯片厚度达到750 μm，如果芯片直接放到PCB板上进行键合会导致引线过长、电感量过大，而无法达到设计要求，因此可以考虑在PCB板上开槽让芯片下沉再进行键合以减小键合线长度。常规的键合工艺有热压焊和超声压焊，此次采用超声压焊，金线直径采用1 mil，金带宽度采用5 mil，同时根据加工厂商的工艺条件，键合参数还要遵守其他的工艺限制。例如最小键合距离60 μm，当芯片高于PCB平面高度h时键合距离dh；最大键合距离小于3 mm以保证可靠性，避免坍塌；PCB板镀金厚度：2～2.5 μm以保证键合点的牢度；焊盘要求2倍于金线直径等。
3 芯片外围电路设计
芯片测试时，除了参与电路调谐、输入输出匹配以及芯片接地的键合线之外，应尽可能减少外围电路元件，同时应使外围电路面积尽可能小，以减少对芯片性能综合测试的影响。
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3.1 电路板材的选择
工作在3 GHz射频频段的电路需采用微波基板以减少高频损耗。常用的微波基板主要有复合介质覆铜箔基板和陶瓷基片。由于复合介质板粘附力优于陶瓷基片，电路加工方便，而且可调整材料配方以实现3～16的不同相对介电常数，因此得到广泛的应用。板材选择的主要技术参数是介电常数(Er)、板材厚度(H)、覆铜层厚度(T)、正切损耗角(tan D)等，如图5所示。
3.2 电路元件的选择
外围电路元件设计主要涉及到的是偏置电源的去耦问题。一般射频放大器的电源去耦方法如图6所示。
图4 ADS中基板模型 图5 射频电路的电源去耦形式
去耦电容选择的主要依据是自谐振频率SRF。实用中每个电容的旁路频率带宽是有限的，因此通常需要采用多个去耦电容以使直流通路达到足够带宽的射频旁路效果，一般要覆盖从50 Hz 到2～3个倍频程。
检修口盖板芯片的外围匹配电路元件主要根据设计要求进行选择，需要特别注意的是不同厂家、不同系列、不同规格的电感电容元件的射频性能是存在差异的。要根据高频损耗、电流与功率容量以及热性能进行合理的选择。
4 芯片在基板测试
RF芯片通常采用在基板测试，芯片通过键合线连接到PCB板上，同时连接片外元件后，即构成芯片测试板。芯片在基板测试的一般步骤如下：
(1) 直流工作点测试
在此过程中最常碰到的问题是电路自激，多级级联放大器或MMIC尤其如此。一般可以从自激频谱分布、自激电流的大小以及电源处理角度进行原因判断，并通过实验手段进行排查和解决。为减少电源系统对芯片评估的影响，应尽可能地选择高性能的数字开关电源，
同时还应确保系统良好的直流及射频接地。
(2) 小信号S参数测试
一般采用综合网络分析仪进行测试，系统的连接和注意事项遵循仪器的常规测试要求，主要包括校准、信号量程与显示方式的设定。
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当主要的测试项目如功率增益、频率响应指标偏离设计目标时，可先从外围电路进行排查分析，修正外围元件和键合参数仍无效果时，则需要重新评估芯片电路及版图的设计。当输入输出的匹配在相对正常范围的情况下(一般指反射损耗大于5 dB)无需对电路做精细调整，待大信号测试时再进行优化考虑。
(3) 大信号功率及线性测试
评估芯片功率及线性度的主要测试指标有最大输出功率(Pomax)、1 dB压缩点功率(P1dB)、三阶互调(IM3)、ACPR、谐波与杂散。测试系统应按照相应参数的测试要求连接，需要使用到的主要射频仪器有调制信号源、频谱仪、网络分析仪及综合信号分析仪。
因为获得最佳Pomax，P1dB、IM3(表征窄带信号线性度)或ACPR(表征宽带信号线性度)性能的匹配电路及其参数各不相同，因此在进行上述大信号性能测试时，需要对外围的输入输出匹配网络做相应的优化调整。
通过以上测试，基本可以获得一个RFIC/MMIC芯片的综合性能指标，如果测试结果与设计目标有较大差异，则需要返回芯片设计过程进行相应的修正或再设计。
网络游戏制作5 结 语
RFIC/MMIC设计是一个需要包括电路与系统、制造工艺、EDA工具与测试等多领域知识和长期经验积累的复杂工作。随着无线移动通信各项技术的快速发展，各种智能终端及手机对射频系统的集成化、微型化都提出越来越高的要求。最新的系统集成出现了SiP(System in Package)方案，将系统分解为不同功能的IP核再进行多芯片系统封装，使得RFIC_IP核的设计与键合封装的关系愈发紧密，RFIC_IP的测试评估也越来越重要。所以，建立完整的设计与测试评估体系、发展相关技术和积累实践经验对充分发挥RFIC的性能与作用是非常重要的。
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