FBAR板上测试夹具设计及测试流程-夹板检查

摘要: 随着对薄膜体声波谐振器（FBAR）器件性能要求的增高，FBAR器件参数的精确测试变得十分关键，该文从测试夹具结构以及对测试夹具的去嵌入校准这两个FBAR参数测试精度要素考虑，综述FBAR板上测试技术的研究现状，讨论测试夹具结构设计过程中的寄生效应、阻抗匹配以及夹结构设计等问题，并分析去嵌入校准的原理、误 差模型以及各校准方法的优缺点。通过降低寄生效应、优化阻抗匹配、改善校准方法、优化误差模型可提高 FBAR板上测试的准确性，并以此给出一套板上测试夹具设计及测试流程。

引言

薄膜体声波谐振器（film bulk acoustic resonator， FBAR）是一种电声谐振器，具有工作频率高、尺寸小、品质因素高等优点。在过去十年，FBAR射频 （RF）滤波器成为移动通信设备RF部分的核心部 件[1]。FBAR器件参数的精确测试变得十分关键。

目前，对FBAR参数测试的方法主要分为两大类：1）基于探针台的片上测试方法；2）印刷电路板 （printed circuit board，PCB）测试方法。对于片上测 试方法，其优势在于能够很好地测试单个谐振器在 理想环境下的性能，但是该方法不能测试引线给器 件带来的影响[2]。片上测试方法对谐振器的裸芯片 进行探针测试，由于无引线电感、电阻及外壳杂散 的影响，此时该方法测得的数据真实可靠；但是对 于已经封装的单端谐振器，由于器件会受到测试夹 具的影响，尤其是谐振频率高于1 GHz时，夹具对谐 振器测试数据的影响较大[3]。FBAR板上测试方法的优点在于测试结果中包 含了引线带来的影响，使得测试结果更为贴近实际 运用环境下FBAR的值。该方法采用矢量网络分 析仪测试待测器件（device under test，DUT）和夹具 组成的系统的参数值，因此需要在后期数据处理时 利用去嵌入计算消除夹具带来的误差，最终得出 DUT的准确参数。本文主要综述了FBAR板上测 试夹具设计中涉及的寄生效应、阻抗匹配以及结构 设计等因素，以及校准中的误差模型选取、校准方法选用等问题，为提高板上测试准确性提供思路。

1 测试夹具

在对射频器件测试的时候，往往测试仪器无法 与DUT直接相连[4]，因此需要测试夹具将矢量网络 分析仪与DUT连接起来，如图1所示。影响FBAR 测试夹具准确性的因素有寄生效应、阻抗匹配以及 结构设计等。

图 1 FBAR测试夹具结构示意

1.1 寄生效应

寄生效应主要有寄生电阻、寄生电容和寄生电 感。如果测试滤波器的PCB设计不精良，会导致寄 生效应，并影响由PCB和滤波器组成的系统的测试 结果[1]。在测试夹具设计中要尽量减小寄生效应的 影响。介电层内部以及PCB的信号和接地路径中 的寄生效应取决于不同的PCB设计[1]。文献中表示在PCB设计时可以利用不平衡的输入和平衡的输 出抑制三端口滤波器在PCB中的不对称寄生串 扰。因此在线路布线和过渡定位时不仅要采用对称 设计，也应避免微带线(the microstrip line，MSL)的 并行设置 。孔的定位受诸如线宽、槽宽、衬底厚度 和材料参数等的公差影响[1]，而其精确定位可以缩 短和优化过渡过程中的接地路径，减少由过长引线 带来的寄生效应。过长的引线也会引入较大的寄生 电感[4]，于是在PCB引线设计的时候应尽量缩短引 线。文献[2]采用多种方法缩短引线，比如在PCB 中间开一个小孔、将FBAR单元上4个器件切割并 使其分离开，以及切除多余的基底等。

1.2 阻抗匹配

在高频电路的设计中，阻抗匹配是电路和系统 设计时必须要考虑的重要问题[5]。阻抗匹配是指负 载阻抗与激励源的内部阻抗互相匹配，得到最大功 率输出的一种工作状态。在任何微波系统中，为了 保证传输效率，减小传输损耗和避免大功率击穿， 通常都尽量使系统中各组成部分的输入输出阻抗等 于传输系统的特性阻抗，使传输线系统处于行波状 态，避免反射和驻波的产生[5]。信号源与传输线不 匹配，将影响信号源的频率和输出的稳定性，并导 致信号源不能给出最大功率。传输线与负载不匹 配，会使传输线上出现驻波，导致传输线功率容量 降低；负载不能获得全部的输入功率，电路的信噪 比变差。夹具优化设计时应该考虑以下两方面的匹配仿真：

1）DUT与PCB、微带线线宽及走线方式、微带 线与射频接头的匹配仿真；

2）压片与DUT、DUT 与PCB以及整个系统整体的整体仿真。为达到阻 抗匹配，当信号源端阻抗低于传输线特征阻抗时， 采用串联终端匹配，即在信号源端和传输线之间串 接一个电阻，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻 抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次 反射。当信号源端的阻抗很小时，采用并联终端匹 配，即通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输 线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目 的[6]。此外，在优化PCB设计时，为实现阻抗匹配， 还可以采用保持低的外层介电层厚度公差，以使 MSL的特征阻抗尽可能接近50 Ω[1]。

1.3 结构设计

现有的滤波器在测试时，通常将滤波器的接脚直接与PCB接脚接触来进行电源导通后进行测试， 但是经常会因为两个接脚之间接触不充分导致测试 效果有偏差，影响测试数据的正确性[7]。针对这一 不足，文献[7]提出了一种通过采用导电胶片连接两 接脚的滤波器测试夹具，该夹具通过测试盒将滤波 器固定，夹装稳定。虽然两个接脚接触不充分所引 起的测试结果偏差问题给FBAR 板上测试夹具设 计提供了一种考虑因素，但是并没有验证导电胶片 的引入会不会给测试带来影响。

2 去嵌入校准

2.1 原理

理想的测试环境希望测试夹具没有任何的损耗 以及连接端的阻抗匹配，但是实际设计中很难达到 该理想环境。器件性能对测试夹具的不连续点很敏 感，为了准确表征DUT的性能，必须将夹具效应从 总体测量中去除[8]。测试的准确性取决于校准标准 和校准方法的精度[9]。微波器件的线性性能指标主要包括驻波比、插 入损耗、隔离度、幅频响应、相位一致性、滤波特性 等，这些指标都可以用S参数表达[10]。

采用S参数 有以下优点[11]：

1）可以直接测量；

2）测量精度高；

3）方便用于信号流图，简化微波网络的分析；

4）网 络参考面移动时，S参数影响最小。

因此测量时采 用结合测量夹具以及矢量网络分析仪，测量 DUT的S参数的方式。在FBAR板上测试的时候，测量参考面中包含 了连接器件以及用于连接DUT的过渡段效应所引 起的损耗和相位延迟[12]。去嵌入的校准方法一般通 过测量夹具每个端口的参数，测量出DUT和夹具 组合的S参数，再将S参数矩阵转换为传递参数 （T参数），计算DUT的响应（不包含夹具误差），并 将DUT的T参数转换为S参数[8, 13]。DUT响应计算公式[8]：

2.2 误差模型

误差模型是校准和误差修正技术的基础[14]。根 据不同的测量精度要求将误差模型分为12项、 10项、8项及14项等[11, 14]。其中，ED为方向性误差， EDF和EDR为反射参数；ER为反向跟踪误差，ERR和 ERF为传输参数；EX为串话误差，EXF和EXR为隔离、 串扰；ES为等效源失配误差，EL为负载失配误差， ESF、ESR、ELF和ELR为信号源匹配及负载匹配；ET为 正向跟踪误差，ETF和ETR为传输参数。Sa11、Sa12、 Sa21、Sa22为被测器件真实参量。其中，端口1和端 口2之间为被测器件的S参数[11]。12项误差模型 如图2所示，表1中给出了各项误差模型的对比。

2.3 校准方法

夹具的使用一定会给被测器件的S参数测试

图 2 12项误差模型

结果带来影响[18]，因此夹具去嵌入必不可少，而其中 的关键又在于校准方法的选择。文献[19]介绍了一 种标刻度的双端口矢量网络分析仪进行PCB元件 夹具去嵌入测试方法，该方法基于最小均方值的夹 具参数估计算法提取夹具参数。文献[20]介绍了一 种采用SOLT校准程序，然后执行THRL（through， high and low reflection）标准，但该方法复杂且繁琐， 不利于推广。文献[21]中报告了一种后置去嵌入的 方法测试目标S参数的夹具测试技术，该方法也采 用SOLT校准程序，但不执行THRL标准，因此其 测试过程更加简单，避免了在测试窄带微波电路时 的复杂校准过程，为夹具优化设计提供了一个思 路。目前，常见的校准方法主要有SOLT（ShortOpen-Load-Thru） 、 TRL（ Thru-Reflect-Line） 、 LRM（ Line-Reflect-Match） 、 LRRM（ Line-ReflectReflect-Match） 、 SOLR（ Short-Open-Load-Reflect） 等。本文总结了SOLT和TRL方法的12项误差参 数[22]，在表2中比较了两者的优缺点并分析了其使用环境。文献[23]中给出了TRL校准方法推导出 DUT真实S参数的数学推导过程。文献[16]中给 出了使用SOLT方法校准最终得到S参数的数学 推导过程。

2.4 校准标准件

每种校准方法都有其一套校准标准件，表3中 总结了常见的各标准件的含义及其简要制作过程。SOLT校准采用短路、开路、负载和直通校准， 如图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负载，而是采用直通、反 射、传输线3种连接方式进行校准[25-26]，其标准件如 图4所示。

3 夹具设计流程

本文分析了FBAR板上测试夹具设计方法，得 出如图5所示的夹具以及测试流程图。该流程图分 为3个主要步骤：设计测试夹具、夹具校准的标准 件以及结合矢量网络分析仪测试DUT的S参数。首先设计测试夹具，再设计去嵌入校准的标准件，并测试其S参数且将其预存入矢量网络分析仪，使 网络分析仪能够自动完成去嵌入计算，修正由于测 试夹具而引入的误差，测得DUT（本文中为FBAR） 的S参数。

图 3 SOLT校准标准

图 4 TRL校准标准

4 结束语

随着FBAR滤波器逐渐发展成为移动通信设 备在射频领域中的核心，FBAR器件性能测试的精 度也逐渐提升。而影响FBAR测试夹具的测试精 准度的影响因素有很多，包括FBAR测试夹具结构 的设计以及测试夹具校准方法的选用。从测试夹具 本身来看，可以通过优化设计FBAR测试夹具结 构，优化夹具PCB设计以及PCB上引线布局，降低 寄生效应；保证测试系统的阻抗要匹配良好，沿信 号路径的反射、端口间的寄生馈通最小化；保证待 测器件与测试夹具接脚的充分接触，尽可能使滤波 器的测试性能接近真实性能值。从校准来看，可以 通过建立合理的误差模型，选择合适的校准方法， 设计高精度的校准流程标准套件，对夹具进行校准 操作，以保证尽可能得到待测器件的真实性能值。（参考文献略）

图 5 夹具设计及测试流程