在片校准标准件基底边界条件影响

霍 晔 王一帮 吴爱华 杜 静 栾 鹏 张晓云

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051；2.解放军陆军步兵学院石家庄校区，河北石家庄 050083)

1 引 言

在片测试能够表征射频和微波器件的品质，测试前需用在片校准件对系统进行校准。测试结果的准确度依赖于校准准确度，校准准确度依赖于校准方法的选取和所用校准标准件的准确度。校准标准件的准确度与校准基底密切相关[1]。

从20世纪80年代开始，基于衬底的在片校准标准件已经应用于在片测试行业。一般商用校准标准件(ISS)包含开路(Open)标准件、短路(Short)标准件、负载(Load)标准件和直通(Thru)标准件。这些标准件通常基于共面波导(CPW)设计，共面波导的几何形状与地-信号-地(GSG)晶圆探针的配置互相兼容，便于进行校准和测试。

20世纪90年代F.Williams等研究人员提出了用于表征和改进平面标准性能的方法[1-4]。电介质基底中的表面波模式可以在毫米波频段传播并影响标准件的电特性[2]，并提出了使用更小基底厚度的悬挂校准基底(将校准标准件悬挂在空中，将空气作为校准基底)以及吸波材料(RAM)的方案。然而，受制于当时在片测量能力有限，试验结果上限只到50GHz。

多线TRL(Thru-Reflect-Line)[5]校准方法是目前国际上广泛应用的在片准确度更高的校准方法[6]，其独特的随机误差物理模型及校准标准件的定义均能有效提高校准和测试准确度，国内也对多线TRL校准技术开展了深入研究[7,8]。设计并加工制作了W波段的砷化镓衬底多线TRL校准标准件，将其分别放置在金属卡盘、玻璃片和吸波材料三种校准基底上，国际上未见此校准标准件物理边界条件影响的报道，通过理论研究和方法分析，介绍了多线TRL校准标准件在不同校准基底边界条件对校准和测试结果的影响，并进行了试验验证，验证了理论的合理性。

2 基底边界条件分析

导行波的传播受到导体或介质边界条件的影响。因此，边界条件及边界形状决定了导行波的电磁场分布规律和传播特性。在不同介质分界处，电磁场能量可能发生不连续的变化，其变化规律由边界条件给出。边界条件可由麦克斯韦积分方程导出，其推导过程在一般电磁场理论书中可见[9]。

不同基底的校准标准件由于介电常数等不同，其边界条件不同，传统的校准标准件基底厚度在(250～625)μm之间。在较高频率下，衬底可以支持横向电(TE)模式和横向磁(TM)表面波模式，其可以在临界频率下耦合到CPW传输线模式[2]。这些临界频率由模数、衬底厚度和衬底边界条件的函数关系式来表征。

Andrej Rumiantsev等研究人员针对陶瓷衬底的校准标准件，分别以金属卡盘和空气(将校准标准件悬挂在金属卡盘上方)为基底时的临界频率进行了计算评估，数据见表1。

表1 陶瓷衬底校准标准件TE和TM表面波模式下不同厚度基底下的临界频率(εr= 9.9)Tab.1 Critical frequencies of alumina substrate for TE and TM surface wave(εr= 9.9)基底厚度(mm)临界频率(GHz)校准标准件悬挂在空气中校准标准件放在金属卡盘上TE0TM0TE1TM00.254122240-1200.50860120-600.7624685-431.0163364-321.2702654-251.5242342-211.7781837-182.0321733～5016

为避免将能量从校准标准耦合到表面波中，常见的解决方案是使用足够薄的校准基底，以确保临界频率出现在所需的频带上。例如，254μm厚的氧化铝基底上的CPW传输线对于TE0模式具有122GHz的临界频率，对于TM0模式具有120GHz的临界频率。因此，该基底厚度适合通过W波段使用。有时会将这些基底放置在吸波材料上[3]，以通过吸收存在于基底本身外部的瞬逝场来进一步衰减不需要的表面波。

在以下三个不同边界条件下，分析了砷化镓衬底在片多线TRL校准标准件[8]：分别放在金属卡盘、玻璃片和吸波材料上，如图1至图3所示。

图1中，多线TRL校准标准件以砷化镓为衬底材料，经仿真设计，通过工艺流片而成。将研制的校准标准件直接放置在金属卡盘上，用准确度高的多线TRL方法进行校准和测试。

图1 多线TRL校准标准件放在金属卡盘上示意图Fig.1 Multi-TRL calibration standard is placed on the metal chuck

图2中，将研制的校准标准件在金属卡盘之间放置厚度为500μm的透明玻璃片，用准确度更高的多线TRL方法进行校准和测试。

图2 多线TRL校准标准件放在玻璃片上示意图Fig.2 Multi-TRL calibration standard is placed on the glass sheet

图3中，将研制的校准标准件在金属卡盘之间放置厚度为500μm的吸波材料，用准确度更高的多线TRL方法进行校准和测试。

图3 多线TRL校准标准件放在吸波材料上示意图Fig.3 Multi-line TRL calibration standard is placed on the absorbing material

根据上述分析，研究的三种校准基底的校准标准件临界频率会存在差异，因此，校准和测试结果也会不同，将通过试验进行验证分析，得到最佳校准和测试效果下的校准基底。

3 试验验证

为避免接触重复性而产生的不确定度，所有数据均以原始格式在一个校准和测试系列中采集并保存，以供进一步分析。

W波段在片校准和测试的试验装置包括矢量网络分析仪、半自动晶圆探针台、晶圆探针及不同校准基底的多线TRL校准标准件。分别在以下三个条件下进行校准和测试。

1)直接将校准标准件放在金属卡盘上；

2)在校准标准件和金属卡盘之间放置玻璃片(厚度为500μm)；

3)在校准标准件和金属卡盘之间放置吸波材料(厚度为500μm)。

所有校准和测试均在室温和环境控制条件下进行。三种校准基底的校准标准件分别对试验装置进行校准后，提取CPW传输线的传播常数(衰减常数、相对相位常数)、介电常数和特征阻抗，然后用校准后的装置对商用校准标准件104-783A的短路标准和直通线标准进行测试。用Cascade公司的Wincal软件处理数据，将测量结果进行比较分析。结果分别如图4至图10所示。图中深灰色实线部分表示校准基底为玻璃片的测量结果，黑色实线上有三角形的部分表示校准基底为吸波材料的测量结果，浅灰色实线上有圆形的部分表示校准基底为金属卡盘的测量结果。

图4 三种基底的多线TRL校准标准件的传播常数曲线图(衰减常数)Fig.4 Propagation constants of the Multi-TRL calibration standard of three substrates(attenuation constant)

从图4看出，校准基底为玻璃片的衰减常数最小，且曲线相对平滑。校准基底为吸波材料的衰减常数最差，随着频率增加非线性也越来越明显。因为玻璃片的匹配程度更好，吸波材料有较强的吸波能力，导致衰减常数较大。

图5 三种基底的多线TRL校准标准件的传播常数(相对相位常数)Fig.5 Propagation constants of the Multi-TRL calibration standard of three substrates(relative phase constant)

图6 三种基底的多线TRL校准标准件的相对介电常数Fig.6 Propagation constants of the multi-line TRL calibration standards of three substrates(relative permittivity)

从图6看出，校准基底为玻璃片的相对介电常数最小，校准基底为吸波材料的相对介电常数最大。

图7 三种基底的多线TRL校准标准件的特征阻抗Fig.7 Characteristic impedance of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

从图7看出，校准基底为玻璃片的特征阻抗更接近于50Ω，校准基底为吸波材料的特征阻抗相对偏差较大。

图8 三种基底的多线TRL校准标准件测量短路标准幅值的结果Fig.8 Reflection amplitude of short standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

从图8看出，校准基底为玻璃片的多线TRL在片校准标准件对装置校准后，测试商用校准标准件104-783A短路标准的幅值结果最好；由于信号泄漏和串扰等因素的影响，校准基底为金属卡盘的多线TRL在片校准标准件对装置校准后，测试结果在99GHz以后出现了大于1的情况，违背了物理规律，此方法测量结果较差。

图9 三种基底的多线TRL校准标准件测量短路标准相位的结果Fig.9 Reflection phase of short standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

从图9看出，校准基底为玻璃片的多线TRL在片校准标准件对装置校准后，测试商用校准标准件104-783A短路标准的相位曲线较平滑；由于信号泄漏和串扰等因素的影响，校准基底为金属卡盘的多线TRL在片校准标准件对装置校准后，测试结果波动较大，此方法测量结果较差。

图10 三种基底的多线TRL校准标准件测量传输线标准的结果Fig.10 Attenuation of line standard of the multi-line TRL calibration standards of three substrates

从图10看出，校准基底为玻璃片的多线TRL在片校准标准件对装置校准后，测试商用校准标准件104-783A的传输线标准结果最好，符合传输线的衰减趋势；由于信号泄漏和串扰等因素的影响，校准基底为金属卡盘的多线TRL在片校准标准件对装置校准后，测试结果波动较大。

4 结束语

本文介绍自研W波段砷化镓衬底的多线TRL校准标准件，研究不同校准基底的边界条件，并进行了试验验证。试验证明校准基底为金属卡盘时，测量结果最差。基底为吸波材料时会影响校准标准件的传播常数及特征阻抗，由于它的吸波特性，导致衰减常数非线性增加。提出一种使用玻璃载体的方法，结果表明，该方法弥补了上述两种方法的不足，同时避免对CPW传输线的传播常数及特征阻抗产生负面影响，提高了校准和测试准确度。