管芯S参数的提取技术

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网络模型可以避开电路的复杂性和非线性效应；简化网络输入、输出特性关系。这种“黑匣子”方法尤其适合分析电路整体功能，对于射频和微波电路特别重要。因为在射频和微波电路中，麦克斯韦方程组的不完全场解不是极难得到就是结果过于复杂而不便应用。而散射参量即S参数是微波系统设计中最重要的网络模型参数，它是通过功率波关系分析射频及微波电路与器件的重要实用方法。它可以在避开测量其它类型网络参量的不现实的终端条件和避免造成待测器件损坏的前提下，用两端口网络的分析方法确定几乎所有射频器件的特征，简化微波系统的设计。　　
　　在微波系统中，管芯有着广泛的用途。为了消除半导体封装参数的有害影响和减小电路的尺寸，设计出高性能、小型化的微波混合模块，需要把管芯用金丝直接压焊在微带电路上。用管芯构成的微波混合模块比有管壳封装器件通频带宽，工作频率高，体积尺寸也小。微波器件的S参数测量的常用测量方法是采用矢量网络分析仪。而半导体管芯尺寸小，不易直接测量其S参数。而为了更精确的设计由管芯构成的微波混合模块，我们需要知道管芯的S参数。本文介绍了一种从管壳封装器件的S参数中提取出管芯S参数的方法。

1. 提取原理
　　为了计算出管芯的S参数，要去除管壳和键合线产生的寄生参量的影响。把管壳和键合线均表示为由电容、电感、电阻组成的等效电路。然后在微波仿真软件中，在有管壳封装器件的S参数模型中，加上负的寄生参量的等效电路，即可得到管芯的S参数。
　　对于管壳，可以根据具体封装类型确定等效电路的形式，然后优化等效电路的各个参量，使等效电路的S参数与空管壳的S参数相等，即可得到管壳等效电路的各个参量的值。
　　对于键合线，可以把它表示成电阻和电感串联的形式。根据公式，计算出电阻和电感的值。

2. 提取过程
　　本文是对SiGe HBT功率晶体管管芯S参数的提取，提取过程如下。
2.1  管芯与封装结构
　　管芯结构如图1所示。管芯面积为0.3mm*0.35mm,一个基极压焊炳（多边形），一个发射极压焊炳(方形)，背面为集电极。封装结构如图二所示。其中管芯的键合形式如图三所示。键合线均为直径30μm的金丝。其中基极一根键合线，长1mm。发射极两根键合线，每根均长0.6mm，与壳相连，为共发射极。集电极烧结在金属化区上，面积0.5×1.5mm2,厚度0.1mm。
2.2 测量S参数
　　在主要由网络参数分析仪组成的测试系统中测量出空管壳和封装后的晶体管的Ｓ参数，并由S参数计算出封装后的晶体管的最大增益GMax。结果如表一和表二。其中，MAG为S参数的幅值，ANG为S参数的相角。



2.3  管壳等效电路提取
　　首先，确定管壳等效电路的形式如图四所示。其中，Lb是基极到键合线之间的电感。Lc是集电极到键合线之间的电感。Cbe是基极和发射极之间的电容。Cce是集电极和发射极之间的电容。Cbc是基极和集电极之间电容。平板电容器的电容可表示为  。其中A为平板表面积，d代表平板间距。

　　由于基极与集电极之间距离远，  很小。所以Cbc的值非常小，相当于交流开路。我们可以忽略Cbc，从管壳的S参数中我们也可以看出，S11与S22的幅值都近似为1,S12与S21的幅值近似为0。这就是因为Cbc极小，基极与集电极之间近似断路。


下一步，我们在microwave office中忽略Cbc，用如图五形式的拓朴模型计算管壳的等效电路。此种拓朴电路如前面分析，S11与S22的幅值为1，S12与S21的幅值近似为0。要通过管壳S参数计算出等效电路中的各元件值，我们只需在microwave office中，建立如图五的拓朴模型，在优化目标中使模型的S11与S22的相角与测量出的管壳的S11与S22的相角相等(在每个测量频率点)。然后优化每个元件值。　　　　　　　　　　　　　　　　


本文管壳优化出的元件值如下： Lb=0.34703nH、Lc=0.501081 nH、Cbe =1.69952 pF、Cce=1.67325 pF。至此，我们就得出了管壳的等效电路。
2.4  键合线等效电路提取　
　　如图六所示，键合线可以等效为一个电感和一个电阻的串联回路。键合线电感量可由下式计算：
　　
因为键合线的直径均为30μm，可以忽略趋肤效应，电阻R可当做DC电阻计算，公式如下[2]：
　　　　　　　　　　
两式中: l－键合线长度(mm)；
        d－键合线直径(mm)；
        ρ－键合线电阻率( Ω.mm)；
    代入基极键合线数值 l＝1mm、 d＝30μm和金的电导率ρAu＝2.35×10-5( Ω.mm)
    计算出基极键合线的电感和电阻分别为：L1=0.83157nH，R1=0.033Ω。可见，键合线电阻非常小，可以忽略不计。
　　对于发射极，我们先计算一根键合线的结果。代入键合线数值 l＝0.6mm、 d＝30μm，计算出键合线的电感和电阻分别为L=0.43884nH，R=0.02Ω。因为发射极用两根相同键合线键合，为并联形式，且方向为一左一右，基本没有互感。所以，发射极键合线总的电感和电阻为L2＝L/2＝0.29642nH,R2＝R/2＝0.01Ω。同样，键合线电阻可忽略不计。
　　得出基极与发射极的等效电路如下：


2.5  管芯S参数提取
　　计算出管壳和键合线的等效电路后，只需在Microwave Office调入封装后的晶体管S参数的模型。然后在模型上加上负的管壳和键合线的等效电路，即可得出管芯的S参数。提取模型如图九。提取出的管芯S参数及由S参数计算出的最大增益如表三。
   

3 结果分析
　　对比表二和表三的结果，我们可以看出。一方面，管芯S参数的相角变化比封装后的晶体管S参数的相角变化范围小，说明管芯比管壳封装器件的通频带宽。另一方面，管芯的最大增益比管壳封装器件的最大增益高，说明管芯的性能好，工作的频率高。所以，对管芯S参数的提取对有效设计由管芯构成的微波电路有着很重要的实用价值。
4 结 论
　　在微波电路的设计中，管芯有着越来越广泛的应用。直接应用管芯可以提高电路性能，减小电路的尺寸，管芯合成技术是趋势微波系统的一种发展趋势。而管芯的S参数难以测量，本文介绍了一种从管芯封装后的S参数模型中提取管芯S参数的有效方法。以便更好的设计管芯电路。
    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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