BAW滤波器板上测试夹具设计

许夏茜，高 杨，袁 靖

(1. 西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010；2. 西南科技大学 微系统中心，四川 绵阳 621010)

0 引言

5G移动通信的商用化极大地提升了终端射频滤波器的市场需求，预期2020年射频滤波器出货量将达到68亿只。高性能的滤波器(如体声波(BAW)滤波器、温度补偿(TC)的声表面波(SAW)及薄膜SAW滤波器)将达到40亿只[1]。BAW滤波器具有品质因数Q值高，插入损耗低，带外抑制好，功率容量高，器件尺寸随频率的增加而降低，对温度变化不敏感等优点，很适合Sub-6 GHz频段的5G应用。

性能测试对BAW滤波器的建模、特征参数提取、设计性能优化及质量控制等很重要[2]。精确测试射频滤波器的性能，也是有效设计其应用电路的关键[3]。如果器件性能测试不准，会影响整个电路的设计。蔡洵等[4]给出了BAW滤波器片上测试(待测器件(DUT)芯片+射频探针台+矢量网络分析仪)方法及其性能分析，但片上测试需高水平测试人员及昂贵的射频探针台，且不适合封装后器件的测试。为了能方便、准确地测得BAW滤波器的性能，给非同轴接口(通常是平面的焊盘)的DUT与同轴接口的测试仪器间提供一个低损耗的电连接，引入了板上测试(DUT芯片组装在测试夹具上+矢量网络分析仪)夹具。已有文献关注BAW滤波器板上测试夹具测试结果的校准[5-7]，但测试夹具的设计报道较少。

本文设计了一款BAW滤波器板上测试夹具，简化BAW滤波器测试操作。为了验证设计的测试夹具，采用同一款BAW滤波器芯片为DUT，分别进行了片上和板上测试，并将同一滤波器测试结果做板上测试S12曲线与片上测试S12曲线、板上测试S12与S21曲线、板上测试S11与S22曲线3种对比，验证得出设计的测试夹具能为后续去嵌入校准提供较可靠的初始值。

1 原理

板上测试夹具的基本功能是在测试中为封装好的DUT(本文中为BAW滤波器)与测试仪器矢量网络分析仪(VNA)之间提供一个低损耗的电连接。其主要结构是印制电路板(PCB)、微带传输线和两端的同轴接头。夹具中有器件平面和VNA参考平面[8]，如图1所示。DUT可通过引线键合[8]或夹装装置机械固定[5]的方式，电连接至其两侧的微带传输线。

图1 板上测试夹具结构示意图

板上测试夹具设计不当，会使其与VNA的阻抗不匹配，导致测试信号反射，对外电磁辐射，易受电磁干扰等问题，造成测试结果失准。因此，设计测试夹具要求：

1) 通常测试夹具阻抗选择匹配到50 Ω，以确保其与VNA的阻抗匹配[9]。

2) 确保其接地性能，以免接地信号发生反射；保证屏蔽性能，以免传输信号受外界信号干扰。

3) 尽可能使测试夹具具有左、右对称性，以便测试的去嵌入校准环节，利用这种对称性可快速求解出误差模型中的误差项[9]。

2 方法

2.1 夹具板材选型与微带传输线设计

PCB板材和微带传输线的尺寸会影响阻抗匹配特性，因此，设计时需要首先考虑PCB板是DUT的载体；PCB板在高频下的信号损耗小，才能保证信号的正常传输。因此，选择PCB板材时需考虑：

1) 保持良好的信号完整性。

2) 相对介电常数εr随温度、频率的波动小。

RO4003C高频PCB板材能提供严格控制的εr、损耗，适用于高可靠性微波/射频应用，因此选用该型PCB板材制作夹具。

微带传输线的作用是实现DUT与两端同轴接头的电连接。精确的微带线计算表达式是采用保角变换法推导出来的，计算较复杂[10]。为了快速估算出微带线宽度W及介质基片厚度初值d0，选用较简单的经验式：

(1)

通过式(1))可确定W/d的取值。计算时，Z0=50 Ω，εr取RO4003C板材的值，即εr=3.55。

调用ADS微带线计算工具LineCacl完成微带传输线尺寸计算。在LineCacl中设置输入参数εr=3.55,d0=206 μm,设置工作频率fref=1.8 GHz(在DUT的中心频率处),匹配阻抗Z0=50 Ω, 电长度Eeff=90°(即导波长的1/4)。根据上述设置，用LineCacl计算出微带线长L=25 431 μm，W=425 μm。

2.2 微带线阻抗匹配研究

由于阻抗匹配对测试夹具影响最大，必须对设计的测试夹具进行阻抗分析，确保其匹配到50 Ω。

采用时域反射仪(TDR)监测阶跃信号变化可得出反射系数的变化，进而计算传输线的特征阻抗。得到初始微带线参数后，利用TDR进行传输线阻抗匹配分析。在ADS软件中，搭建微带线的TDR电路仿真模型如图2所示。图中，MLIN是被测的微带线，阶跃电压源VtStep作为阶跃信号发生器，理想微带传输线TLIN作为被测传输线的参考，网络节点电压Vin用于观察信号变化。

图2 TDR电路瞬态仿真原理图

根据图2模型在ADS软件中仿真得到瞬态仿真曲线如图3所示。在得到TDR阶跃脉冲信号曲线(见图3)过程中，小的凹陷(见图3(a))代表电容特性；小的凸起(见图3(b))代表电感效应[11]，因此可分析传输线的电容/电感特性。

图3 微带传输线瞬态仿真曲线

对于微带线，线路越窄，电路电感性越大；线路越宽，电路电容性越大，故可通过调整W改变传输线的电容/电感特性，修正TDR阶跃脉冲信号曲线中凹、凸部分，使微带线阻抗匹配。

由图3可看出，瞬态仿真曲线中凹陷是由于信号在MLIN处发生反射，反射的负电压使信号产生下冲造成，通过减小W来减小电路电容性，使微带线阻抗匹配到50 Ω。

W增加时，TDR电路瞬态仿真曲线会形成小凹陷(见图4)，W每增加100 μm，曲线下凹电压增加0.045 V。图4(a)中,曲线1～8是保持L=25 431 μm不变，W分别为425 μm、525 μm、625 μm、725 μm、825 μm、925 μm、1 025 μm和1 125 μm时，TDR电路瞬态仿真结果，

图4 W增加与瞬态仿真曲线下凹关系分析

W减小时，TDR电路瞬态仿真曲线会形成小凸起(见图5)，每减小100 μm，曲线凸起电压增加0.009 V。图5(a)中，曲线1～5是保持L=25 431 μm不变，W分别为325 μm、225 μm、125 μm和25 μm时，TDR电路瞬态仿真结果。

图5 W减小与瞬态仿真曲线凸起关系分析

由图4、5可看出，通过调整W可消除TDR电路瞬态仿真曲线中的局部凹陷或凸起，使微带线阻抗匹配到50 Ω。

2.3 阻抗匹配的TDR仿真复核

为确保测试夹具的阻抗匹配到50 Ω，对夹具微带线进行阻抗匹配的TDR仿真复核。将W=425 μm,L=25 431 μm,d=206 μm导入ADS中，通过TDR瞬态电路仿真得出传输线信号的响应曲线(见图6),信号曲线中无不连续点，证明设计的测试夹具已阻抗匹配到50 Ω。

图6 阻抗匹配的TDR仿真复核

3 实测验证

为了验证前述设计结果，制作了3件测试夹具样品，分别选用3款不同中心频率(f0≈1.8 GHz,2.7 GHz,4.3 GHz)的BAW滤波器芯片为DUT。图7、8分别为3件样品进行片上和板上测试的夹具模型。

图7 片上射频探针台测试校准及BAW器件片上测试

图8 BAW滤波器板上测试

3.1 片上测试

片上测试结果将作为对比基准。3组DUT (BAW滤波器裸芯片)的片上测试的扫频参数设置如表1所示。保证扫频范围内的频点数相同。片上测试前，均先进行短路、开路、负载匹配及直通(SOLT)校准，将测试平面修正到器件平面，以消除测试系统误差。测试结果以S2P文件导出。

表1 片上测试扫频参数设置

3.2 板上测试

板上测试试验件是采用引线键合工艺，将BAW滤波器芯片电装到测试夹具上，如图9所示。

图9 板上测试试验件实物照片

为了观察板上测试宽频带范围响应曲线变化，设置VNA的扫频范围为100 MHz～5 GHz、扫频步长4.5 MHz。同样采用VNA自带的SOLT校准功能，将测试平面修正到VNA参考平面。测试结果以S2P文件导出。

3.3 实测数据处理

以片上测试结果为基准，考察板上测试试验件实测的S参数，以对比评估板上测试夹具的设计结果。

在ADS软件中，将片上测试、板上测试的S2P文件均导入ADS软件。由于样品差异(3种BAW滤波器样品有不同的f0)和试验设计经验不足(板上测试未选取与表1中完全一致的扫频范围、扫频步长)，读取S2P文件时需要设置扫频范围为100 MHz～5 GHz，扫频步长为0.25 MHz，以包容全部测试数据。

4 结果与讨论

4.1 片上与板上测试结果对比

图10为3组BAW滤波器片上与板上测试传输参数S曲线结果对比。对曲线上f0、左传输零点fps、右传输零点fsp3个重要频点处进行数据分析，如表2所示。表中，取曲线上绝对值最小点对应的频率为f0[4]。由图10可看出，3组BAW滤波器板上与片上测试数据均有偏差，但曲线整体趋势一致。

图10 3组BAW滤波器板上和片上测试传输曲线对比

表2 3组测试结果对比分析

板上与片上测试数据存在偏差的原因是：

1) 板上和片上测试扫频步长设置不一致，使扫频时选取的扫频点不同，导致曲线出现偏移。

2) 板上测试时，只将测试平面校准到了同轴接头处，即只将测试平面修正到VNA参考平面，而不是器件平面，导致测试结果中还包含有测试夹具的性能参数。

后续改进：

1) 实测验证时必须保证测试范围及扫频步长一致，确保两种测试方法测试频点一致。

2) 通过设计校准标准件将测试平面校准到器件平面，去除夹具效应。

4.2 板上测试结果S12和S21曲线对比

图11为3组BAW滤波器板上测试S12与S21曲线的对比。由图可看出，3组滤波器板上测试获得的S12与S21曲线均基本吻合。

图11 板上测试S12与S21曲线对比

4.3 板上测试结果S11和S22曲线对比

图12为3组BAW滤波器板上测试S11与S22曲线的对比。由图可看出，除第1组滤波器板上测试S11和S22曲线有偏差外，其余2组测试S11和S22曲线基本吻合。

图12 板上测试S11与S22曲线对比

第1组测试数据有偏差的原因是SMA接头为手动焊接，不能保证插针与板材焊接的可靠性，导致信号在较高频时发生损耗。后续改进需在焊接测试夹具时，尽可能保证焊接的可靠性。

5 结束语

采用经验公式结合ADS仿真软件中微带线计算工具LineCacl的方法，可快速计算出测试夹具初始结构参数(介质基片厚度、微带线宽度及长度)，通过在ADS中建立TDR瞬态仿真电路，验证了该提取初始结构参数方法的可行性。用设计的测试夹具和VNA测试了3款不同中心频率的BAW滤波器的S参数，并将测试结果与射频探针台测试结果进行对比。分析发现，与片上测试结果相比，板上测试的S参数曲线略有偏移，但两者趋势一致；板上测试S11曲线与S22曲线、S12曲线与S21曲线基本吻合。结果表明，设计的板上测试夹具具有左、右对称性，其测试结果能为后续去嵌入校准[9]提供一个较可靠的初始值。