BAW濾波器板上測試夾具設計

許夏茜，高 楊，袁 靖

(1. 西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；2. 西南科技大學 微系統中心，四川 綿陽 621010)

0 引言

5G移動通信的商用化極大地提升了終端射頻濾波器的市場需求，預期2020年射頻濾波器出貨量將達到68億只。高性能的濾波器(如體聲波(BAW)濾波器、溫度補償(TC)的聲表面波(SAW)及薄膜SAW濾波器)將達到40億只[1]。BAW濾波器具有品質因數Q值高，插入損耗低，帶外抑制好，功率容量高，器件尺寸隨頻率的增加而降低，對溫度變化不敏感等優點，很適合Sub-6 GHz頻段的5G應用。

性能測試對BAW濾波器的建模、特征參數提取、設計性能優化及質量控制等很重要[2]。精確測試射頻濾波器的性能，也是有效設計其應用電路的關鍵[3]。如果器件性能測試不準，會影響整個電路的設計。蔡洵等[4]給出了BAW濾波器片上測試(待測器件(DUT)芯片+射頻探針臺+矢量網絡分析儀)方法及其性能分析，但片上測試需高水平測試人員及昂貴的射頻探針臺，且不適合封裝后器件的測試。為了能方便、準確地測得BAW濾波器的性能，給非同軸接口(通常是平面的焊盤)的DUT與同軸接口的測試儀器間提供一個低損耗的電連接，引入了板上測試(DUT芯片組裝在測試夾具上+矢量網絡分析儀)夾具。已有文獻關注BAW濾波器板上測試夾具測試結果的校準[5-7]，但測試夾具的設計報道較少。

本文設計了一款BAW濾波器板上測試夾具，簡化BAW濾波器測試操作。為了驗證設計的測試夾具，采用同一款BAW濾波器芯片為DUT，分別進行了片上和板上測試，并將同一濾波器測試結果做板上測試S12曲線與片上測試S12曲線、板上測試S12與S21曲線、板上測試S11與S22曲線3種對比，驗證得出設計的測試夾具能為后續去嵌入校準提供較可靠的初始值。

1 原理

板上測試夾具的基本功能是在測試中為封裝好的DUT(本文中為BAW濾波器)與測試儀器矢量網絡分析儀(VNA)之間提供一個低損耗的電連接。其主要結構是印制電路板(PCB)、微帶傳輸線和兩端的同軸接頭。夾具中有器件平面和VNA參考平面[8]，如圖1所示。DUT可通過引線鍵合[8]或夾裝裝置機械固定[5]的方式，電連接至其兩側的微帶傳輸線。

圖1 板上測試夾具結構示意圖

板上測試夾具設計不當，會使其與VNA的阻抗不匹配，導致測試信號反射，對外電磁輻射，易受電磁干擾等問題，造成測試結果失準。因此，設計測試夾具要求：

1) 通常測試夾具阻抗選擇匹配到50 Ω，以確保其與VNA的阻抗匹配[9]。

2) 確保其接地性能，以免接地信號發生反射；保證屏蔽性能，以免傳輸信號受外界信號干擾。

3) 盡可能使測試夾具具有左、右對稱性，以便測試的去嵌入校準環節，利用這種對稱性可快速求解出誤差模型中的誤差項[9]。

2 方法

2.1 夾具板材選型與微帶傳輸線設計

PCB板材和微帶傳輸線的尺寸會影響阻抗匹配特性，因此，設計時需要首先考慮PCB板是DUT的載體；PCB板在高頻下的信號損耗小，才能保證信號的正常傳輸。因此，選擇PCB板材時需考慮：

1) 保持良好的信號完整性。

2) 相對介電常數εr隨溫度、頻率的波動小。

RO4003C高頻PCB板材能提供嚴格控制的εr、損耗，適用于高可靠性微波/射頻應用，因此選用該型PCB板材制作夾具。

微帶傳輸線的作用是實現DUT與兩端同軸接頭的電連接。精確的微帶線計算表達式是采用保角變換法推導出來的，計算較復雜[10]。為了快速估算出微帶線寬度W及介質基片厚度初值d0，選用較簡單的經驗式：

(1)

通過式(1))可確定W/d的取值。計算時，Z0=50 Ω，εr取RO4003C板材的值，即εr=3.55。

調用ADS微帶線計算工具LineCacl完成微帶傳輸線尺寸計算。在LineCacl中設置輸入參數εr=3.55,d0=206 μm,設置工作頻率fref=1.8 GHz(在DUT的中心頻率處),匹配阻抗Z0=50 Ω, 電長度Eeff=90°(即導波長的1/4)。根據上述設置，用LineCacl計算出微帶線長L=25 431 μm，W=425 μm。

2.2 微帶線阻抗匹配研究

由于阻抗匹配對測試夾具影響最大，必須對設計的測試夾具進行阻抗分析，確保其匹配到50 Ω。

采用時域反射儀(TDR)監測階躍信號變化可得出反射系數的變化，進而計算傳輸線的特征阻抗。得到初始微帶線參數后，利用TDR進行傳輸線阻抗匹配分析。在ADS軟件中，搭建微帶線的TDR電路仿真模型如圖2所示。圖中，MLIN是被測的微帶線，階躍電壓源VtStep作為階躍信號發生器，理想微帶傳輸線TLIN作為被測傳輸線的參考，網絡節點電壓Vin用于觀察信號變化。

圖2 TDR電路瞬態仿真原理圖

根據圖2模型在ADS軟件中仿真得到瞬態仿真曲線如圖3所示。在得到TDR階躍脈沖信號曲線(見圖3)過程中，小的凹陷(見圖3(a))代表電容特性；小的凸起(見圖3(b))代表電感效應[11]，因此可分析傳輸線的電容/電感特性。

圖3 微帶傳輸線瞬態仿真曲線

對于微帶線，線路越窄，電路電感性越大；線路越寬，電路電容性越大，故可通過調整W改變傳輸線的電容/電感特性，修正TDR階躍脈沖信號曲線中凹、凸部分，使微帶線阻抗匹配。

由圖3可看出，瞬態仿真曲線中凹陷是由于信號在MLIN處發生反射，反射的負電壓使信號產生下沖造成，通過減小W來減小電路電容性，使微帶線阻抗匹配到50 Ω。

W增加時，TDR電路瞬態仿真曲線會形成小凹陷(見圖4)，W每增加100 μm，曲線下凹電壓增加0.045 V。圖4(a)中,曲線1～8是保持L=25 431 μm不變，W分別為425 μm、525 μm、625 μm、725 μm、825 μm、925 μm、1 025 μm和1 125 μm時，TDR電路瞬態仿真結果，

圖4 W增加與瞬態仿真曲線下凹關系分析

W減小時，TDR電路瞬態仿真曲線會形成小凸起(見圖5)，每減小100 μm，曲線凸起電壓增加0.009 V。圖5(a)中，曲線1～5是保持L=25 431 μm不變，W分別為325 μm、225 μm、125 μm和25 μm時，TDR電路瞬態仿真結果。

圖5 W減小與瞬態仿真曲線凸起關系分析

由圖4、5可看出，通過調整W可消除TDR電路瞬態仿真曲線中的局部凹陷或凸起，使微帶線阻抗匹配到50 Ω。

2.3 阻抗匹配的TDR仿真復核

為確保測試夾具的阻抗匹配到50 Ω，對夾具微帶線進行阻抗匹配的TDR仿真復核。將W=425 μm,L=25 431 μm,d=206 μm導入ADS中，通過TDR瞬態電路仿真得出傳輸線信號的響應曲線(見圖6),信號曲線中無不連續點，證明設計的測試夾具已阻抗匹配到50 Ω。

圖6 阻抗匹配的TDR仿真復核

3 實測驗證

為了驗證前述設計結果，制作了3件測試夾具樣品，分別選用3款不同中心頻率(f0≈1.8 GHz,2.7 GHz,4.3 GHz)的BAW濾波器芯片為DUT。圖7、8分別為3件樣品進行片上和板上測試的夾具模型。

圖7 片上射頻探針臺測試校準及BAW器件片上測試

圖8 BAW濾波器板上測試

3.1 片上測試

片上測試結果將作為對比基準。3組DUT (BAW濾波器裸芯片)的片上測試的掃頻參數設置如表1所示。保證掃頻范圍內的頻點數相同。片上測試前，均先進行短路、開路、負載匹配及直通(SOLT)校準，將測試平面修正到器件平面，以消除測試系統誤差。測試結果以S2P文件導出。

表1 片上測試掃頻參數設置

3.2 板上測試

板上測試試驗件是采用引線鍵合工藝，將BAW濾波器芯片電裝到測試夾具上，如圖9所示。

圖9 板上測試試驗件實物照片

為了觀察板上測試寬頻帶范圍響應曲線變化，設置VNA的掃頻范圍為100 MHz～5 GHz、掃頻步長4.5 MHz。同樣采用VNA自帶的SOLT校準功能，將測試平面修正到VNA參考平面。測試結果以S2P文件導出。

3.3 實測數據處理

以片上測試結果為基準，考察板上測試試驗件實測的S參數，以對比評估板上測試夾具的設計結果。

在ADS軟件中，將片上測試、板上測試的S2P文件均導入ADS軟件。由于樣品差異(3種BAW濾波器樣品有不同的f0)和試驗設計經驗不足(板上測試未選取與表1中完全一致的掃頻范圍、掃頻步長)，讀取S2P文件時需要設置掃頻范圍為100 MHz～5 GHz，掃頻步長為0.25 MHz，以包容全部測試數據。

4 結果與討論

4.1 片上與板上測試結果對比

圖10為3組BAW濾波器片上與板上測試傳輸參數S曲線結果對比。對曲線上f0、左傳輸零點fps、右傳輸零點fsp3個重要頻點處進行數據分析，如表2所示。表中，取曲線上絕對值最小點對應的頻率為f0[4]。由圖10可看出，3組BAW濾波器板上與片上測試數據均有偏差，但曲線整體趨勢一致。

圖10 3組BAW濾波器板上和片上測試傳輸曲線對比

表2 3組測試結果對比分析

板上與片上測試數據存在偏差的原因是：

1) 板上和片上測試掃頻步長設置不一致，使掃頻時選取的掃頻點不同，導致曲線出現偏移。

2) 板上測試時，只將測試平面校準到了同軸接頭處，即只將測試平面修正到VNA參考平面，而不是器件平面，導致測試結果中還包含有測試夾具的性能參數。

后續改進：

1) 實測驗證時必須保證測試范圍及掃頻步長一致，確保兩種測試方法測試頻點一致。

2) 通過設計校準標準件將測試平面校準到器件平面，去除夾具效應。

4.2 板上測試結果S12和S21曲線對比

圖11為3組BAW濾波器板上測試S12與S21曲線的對比。由圖可看出，3組濾波器板上測試獲得的S12與S21曲線均基本吻合。

圖11 板上測試S12與S21曲線對比

4.3 板上測試結果S11和S22曲線對比

圖12為3組BAW濾波器板上測試S11與S22曲線的對比。由圖可看出，除第1組濾波器板上測試S11和S22曲線有偏差外，其余2組測試S11和S22曲線基本吻合。

圖12 板上測試S11與S22曲線對比

第1組測試數據有偏差的原因是SMA接頭為手動焊接，不能保證插針與板材焊接的可靠性，導致信號在較高頻時發生損耗。后續改進需在焊接測試夾具時，盡可能保證焊接的可靠性。

5 結束語

采用經驗公式結合ADS仿真軟件中微帶線計算工具LineCacl的方法，可快速計算出測試夾具初始結構參數(介質基片厚度、微帶線寬度及長度)，通過在ADS中建立TDR瞬態仿真電路，驗證了該提取初始結構參數方法的可行性。用設計的測試夾具和VNA測試了3款不同中心頻率的BAW濾波器的S參數，并將測試結果與射頻探針臺測試結果進行對比。分析發現，與片上測試結果相比，板上測試的S參數曲線略有偏移，但兩者趨勢一致；板上測試S11曲線與S22曲線、S12曲線與S21曲線基本吻合。結果表明，設計的板上測試夾具具有左、右對稱性，其測試結果能為后續去嵌入校準[9]提供一個較可靠的初始值。