FBAR濾波器板上測試技術綜述

電子萬花筒 2022-10-13 07:59

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摘　要: 隨著對薄膜體聲波諧振器（FBAR）器件性能要求的增高，FBAR器件參數的精確測試變得十分關鍵，該文從測試夾具結構以及對測試夾具的去嵌入校準這兩個FBAR參數測試精度要素考慮，綜述FBAR板上測試技術的研究現狀，討論測試夾具結構設計過程中的寄生效應、阻抗匹配以及夾結構設計等問題，并分析去嵌入校準的原理、誤差模型以及各校準方法的優缺點。通過降低寄生效應、優化阻抗匹配、改善校準方法、優化誤差模型可提高 FBAR板上測試的準確性，并以此給出一套板上測試夾具設計及測試流程。?

?引　言?

薄膜體聲波諧振器（film bulk acoustic resonator， FBAR）是一種電聲諧振器，具有工作頻率高、尺寸小、品質因素高等優點。在過去十年，FBAR射頻（RF）濾波器成為移動通信設備RF部分的核心部件[1]。FBAR器件參數的精確測試變得十分關鍵。

目前，對FBAR參數測試的方法主要分為兩大類：1）基于探針臺的片上測試方法；2）印刷電路板（printed circuit board，PCB）測試方法。對于片上測試方法，其優勢在于能夠很好地測試單個諧振器在理想環境下的性能，但是該方法不能測試引線給器件帶來的影響[2]。片上測試方法對諧振器的裸芯片進行探針測試，由于無引線電感、電阻及外殼雜散的影響，此時該方法測得的數據真實可靠；但是對于已經封裝的單端諧振器，由于器件會受到測試夾具的影響，尤其是諧振頻率高于1 GHz時，夾具對諧振器測試數據的影響較大[3]。FBAR板上測試方法的優點在于測試結果中包含了引線帶來的影響，使得測試結果更為貼近實際運用環境下FBAR的值。該方法采用矢量網絡分析儀測試待測器件（device under test，DUT）和夾具組成的系統的參數值，因此需要在后期數據處理時利用去嵌入計算消除夾具帶來的誤差，最終得出 DUT的準確參數。本文主要綜述了FBAR板上測試夾具設計中涉及的寄生效應、阻抗匹配以及結構設計等因素，以及校準中的誤差模型選取、校準方法選用等問題，為提高板上測試準確性提供思路。

1 ?? 測試夾具?

在對射頻器件測試的時候，往往測試儀器無法與DUT直接相連[4]，因此需要測試夾具將矢量網絡分析儀與DUT連接起來，如圖1所示。影響FBAR 測試夾具準確性的因素有寄生效應、阻抗匹配以及結構設計等。

圖 1? ? FBAR測試夾具結構示意

1.1 ?? 寄生效應?

寄生效應主要有寄生電阻、寄生電容和寄生電感。如果測試濾波器的PCB設計不精良，會導致寄生效應，并影響由PCB和濾波器組成的系統的測試結果[1]。在測試夾具設計中要盡量減小寄生效應的影響。介電層內部以及PCB的信號和接地路徑中的寄生效應取決于不同的PCB設計[1]。文獻中表示在PCB設計時可以利用不平衡的輸入和平衡的輸出抑制三端口濾波器在PCB中的不對稱寄生串擾。因此在線路布線和過渡定位時不僅要采用對稱設計，也應避免微帶線(the microstrip line，MSL)的并行設置。孔的定位受諸如線寬、槽寬、襯底厚度和材料參數等的公差影響[1]，而其精確定位可以縮短和優化過渡過程中的接地路徑，減少由過長引線帶來的寄生效應。過長的引線也會引入較大的寄生電感[4]，于是在PCB引線設計的時候應盡量縮短引線。文獻[2]采用多種方法縮短引線，比如在PCB 中間開一個小孔、將FBAR單元上4個器件切割并使其分離開，以及切除多余的基底等。

1.2 ?? 阻抗匹配?

在高頻電路的設計中，阻抗匹配是電路和系統設計時必須要考慮的重要問題[5]。阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源的內部阻抗互相匹配，得到最大功率輸出的一種工作狀態。在任何微波系統中，為了保證傳輸效率，減小傳輸損耗和避免大功率擊穿，通常都盡量使系統中各組成部分的輸入輸出阻抗等于傳輸系統的特性阻抗，使傳輸線系統處于行波狀態，避免反射和駐波的產生[5]。信號源與傳輸線不匹配，將影響信號源的頻率和輸出的穩定性，并導致信號源不能給出最大功率。傳輸線與負載不匹配，會使傳輸線上出現駐波，導致傳輸線功率容量降低；負載不能獲得全部的輸入功率，電路的信噪比變差。夾具優化設計時應該考慮以下兩方面的匹配仿真：

1）DUT與PCB、微帶線線寬及走線方式、微帶線與射頻接頭的匹配仿真；

2）壓片與DUT、DUT 與PCB以及整個系統整體的整體仿真。為達到阻抗匹配，當信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗時，采用串聯終端匹配，即在信號源端和傳輸線之間串接一個電阻，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負載端反射回來的信號發生再次反射。當信號源端的阻抗很小時，采用并聯終端匹配，即通過增加并聯電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達到消除負載端反射的目的[6]。此外，在優化PCB設計時，為實現阻抗匹配，還可以采用保持低的外層介電層厚度公差，以使 MSL的特征阻抗盡可能接近50 Ω[1]。

1.3 ?? 結構設計?

現有的濾波器在測試時，通常將濾波器的接腳直接與PCB接腳接觸來進行電源導通后進行測試，但是經常會因為兩個接腳之間接觸不充分導致測試效果有偏差，影響測試數據的正確性[7]。針對這一不足，文獻[7]提出了一種通過采用導電膠片連接兩接腳的濾波器測試夾具，該夾具通過測試盒將濾波器固定，夾裝穩定。雖然兩個接腳接觸不充分所引起的測試結果偏差問題給FBAR 板上測試夾具設計提供了一種考慮因素，但是并沒有驗證導電膠片的引入會不會給測試帶來影響。

2 ?? 去嵌入校準?

2.1 ?? 原　理?

理想的測試環境希望測試夾具沒有任何的損耗以及連接端的阻抗匹配，但是實際設計中很難達到該理想環境。器件性能對測試夾具的不連續點很敏感，為了準確表征DUT的性能，必須將夾具效應從總體測量中去除[8]。測試的準確性取決于校準標準和校準方法的精度[9]。微波器件的線性性能指標主要包括駐波比、插入損耗、隔離度、幅頻響應、相位一致性、濾波特性等，這些指標都可以用S參數表達[10]。

采用S參數有以下優點[11]：

1）可以直接測量；

2）測量精度高；

3）方便用于信號流圖，簡化微波網絡的分析；

4）網絡參考面移動時，S參數影響最小。

因此測量時采用結合測量夾具以及矢量網絡分析儀，測量 DUT的S參數的方式。在FBAR板上測試的時候，測量參考面中包含了連接器件以及用于連接DUT的過渡段效應所引起的損耗和相位延遲[12]。去嵌入的校準方法一般通過測量夾具每個端口的參數，測量出DUT和夾具組合的S參數，再將S參數矩陣轉換為傳遞參數（T參數），計算DUT的響應（不包含夾具誤差），并將DUT的T參數轉換為S參數[8, 13]。DUT響應計算公式[8]：

2.2 ?? 誤差模型?

誤差模型是校準和誤差修正技術的基礎[14]。根據不同的測量精度要求將誤差模型分為12項、 10項、8項及14項等[11, 14]。其中，ED為方向性誤差， EDF和EDR為反射參數；ER為反向跟蹤誤差，ERR和 ERF為傳輸參數；EX為串話誤差，EXF和EXR為隔離、串擾；ES為等效源失配誤差，EL為負載失配誤差， ESF、ESR、ELF和ELR為信號源匹配及負載匹配；ET為正向跟蹤誤差，ETF和ETR為傳輸參數。Sa11、Sa12、 Sa21、Sa22為被測器件真實參量。其中，端口1和端口2之間為被測器件的S參數[11]。12項誤差模型如圖2所示，表1中給出了各項誤差模型的對比。?

2.3? ? 校準方法?

夾具的使用一定會給被測器件的S參數測試

圖 2? ? 12項誤差模型

結果帶來影響[18]，因此夾具去嵌入必不可少，而其中的關鍵又在于校準方法的選擇。文獻[19]介紹了一種標刻度的雙端口矢量網絡分析儀進行PCB元件夾具去嵌入測試方法，該方法基于最小均方值的夾具參數估計算法提取夾具參數。文獻[20]介紹了一種采用SOLT校準程序，然后執行THRL（through， high and low reflection）標準，但該方法復雜且繁瑣，不利于推廣。文獻[21]中報告了一種后置去嵌入的方法測試目標S參數的夾具測試技術，該方法也采用SOLT校準程序，但不執行THRL標準，因此其測試過程更加簡單，避免了在測試窄帶微波電路時的復雜校準過程，為夾具優化設計提供了一個思路。目前，常見的校準方法主要有SOLT（ShortOpen-Load-Thru）、 TRL（ Thru-Reflect-Line）、 LRM（ Line-Reflect-Match）、 LRRM（ Line-ReflectReflect-Match）、 SOLR（ Short-Open-Load-Reflect）等。本文總結了SOLT和TRL方法的12項誤差參數[22]，在表2中比較了兩者的優缺點并分析了其使用環境。文獻[23]中給出了TRL校準方法推導出 DUT真實S參數的數學推導過程。文獻[16]中給出了使用SOLT方法校準最終得到S參數的數學推導過程。

2.4 ?? 校準標準件?

每種校準方法都有其一套校準標準件，表3中總結了常見的各標準件的含義及其簡要制作過程。SOLT校準采用短路、開路、負載和直通校準，如圖3所示。TRL方法采用的是去嵌入方法的思想，但是它不需要已知的負載，而是采用直通、反射、傳輸線3種連接方式進行校準[25-26]，其標準件如圖4所示。

3 ?? 夾具設計流程?

本文分析了FBAR板上測試夾具設計方法，得出如圖5所示的夾具以及測試流程圖。該流程圖分為3個主要步驟：設計測試夾具、夾具校準的標準件以及結合矢量網絡分析儀測試DUT的S參數。首先設計測試夾具，再設計去嵌入校準的標準件，?并測試其S參數且將其預存入矢量網絡分析儀，使網絡分析儀能夠自動完成去嵌入計算，修正由于測試夾具而引入的誤差，測得DUT（本文中為FBAR）的S參數。?

圖 3? ? SOLT校準標準

圖 4? ? TRL校準標準

4 ?? 結束語?

隨著FBAR濾波器逐漸發展成為移動通信設備在射頻領域中的核心，FBAR器件性能測試的精度也逐漸提升。而影響FBAR測試夾具的測試精準度的影響因素有很多，包括FBAR測試夾具結構的設計以及測試夾具校準方法的選用。從測試夾具本身來看，可以通過優化設計FBAR測試夾具結構，優化夾具PCB設計以及PCB上引線布局，降低寄生效應；保證測試系統的阻抗要匹配良好，沿信號路徑的反射、端口間的寄生饋通最小化；保證待測器件與測試夾具接腳的充分接觸，盡可能使濾波器的測試性能接近真實性能值。從校準來看，可以通過建立合理的誤差模型，選擇合適的校準方法，設計高精度的校準流程標準套件，對夾具進行校準操作，以保證盡可能得到待測器件的真實性能值。（參考文獻略）