单端口声表面波谐振器在片去嵌方法分析

韩晓宇,帅 垚,吴传贵,罗文博,潘忻强,张万里

(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都 611731)

0 引言

在声表面波(SAW)滤波器的设计中,通常利用衬底、压电基板和叉指电极来计算谐振器的声学和电学特性,所以必须准确地识别材料属性,改进滤波器的仿真,使之更贴合于实际[1]。材料属性可通过使用SAW谐振器的测量特性来提取,但单个谐振器不能直接被测试,测量需要引出GND电极和信号传输线到测量端口探针处,谐振器的测量特性受传输线特性的影响,准确提取材料特性需要去除金属互连线和PAD后的谐振器本身的特性。测试前,通常需要用网络分析仪对探针及整套系统进行校准,可以选择TRL或SOLT校准方式,以消除系统产生的误差,之后使用GSG探针进行测试结构的测试。

目前可实际应用的片上去嵌方法主要分为两类:第一种是较为成熟的Open-Short法,主要包括设计对应的去嵌辅助测试结构,求解寄生方程,确定该算法的关系式[2]。该方法也是目前国内片上系统应用最广泛的去嵌方法。第二种是根据各种不同的片上电路,如片上的螺旋电感、电容、谐振器,将电路内部的每个部分或者整体等效为寄生网络,对每部分进行拟合,反向推出准确的元器件材料参数[3]。本文运用4种建模及去嵌手段对示例谐振器的去嵌进行分析:

1) Open-Short算法对谐振器传输线去嵌。

2) 电磁场仿真工具对片上谐振器去嵌。

3) 运用分段的等效电路模型对片上谐振器去嵌处理。

4) 运用紧凑的集总参数模型对片上谐振器去嵌。

1 去嵌方法

本文进行分析的实例谐振器参数为:压电材料采用42°Y-LiTaO3,半周期为1.206 μm,叉指对数为200对,孔径为∅60.2 μm,金属化率为0.5,电极厚度为180 nm。

1.1 Open-Short去嵌算法

该方法是国内去嵌技术中一种较为成熟的方法,需要用到待测器件的开路和短路结构。器件外围的寄生被直接视为并联寄生和串联寄生,开路结构是将待测谐振器(DUT)去除,短路结构是将DUT两端的金属互连线连接变为短路,开路结构模拟的是测试结构中的容性寄生部分,短路结构模拟的是测试结构中的感性寄生部分。图1为单端口谐振器测试结构和开路、短路的版图结构。

图1 开短路及测试结构版图

该去嵌算法的具体步骤包括:

1) 对测试结构、open去嵌结构、short去嵌结构分别进行S参数测量,分别得到Smea、Sopen及Sshort。

2) 将Smea、Sopen、Sshort分别转换为Y参数Ymea、Yopen、Yshort。

3) 计算Ys-o=Yshort-Yopen,将Ys-o转换为Z参数Zs-o;计算Ym-o=Ymea-Yopen,将Ym-o转换为Z参数Zm-o。

4) 将Zm-o与Zs-o相减得到DUT的Z参数,即ZDUT=Zm-o-Zs-o。将ZDUT转换为S参数,可得到DUT的S参数。

去嵌后的本征器件Y参数计算式[4]为

YDUT=[(YDUT-Yopen)-1-(Yshort-Yopen)-1]-1

(1)

利用该算法对示例谐振器进行去嵌,去嵌前后的对比如图2所示。

图2 Open-Short算法去嵌前后对比图

1.2 电磁场仿真工具对片上谐振器去嵌

如果应用普通的Open-Short算法或等效电路的方法,则每个器件都需要特定的测试结构、open去嵌结构、short去嵌结构,从而大量占用版图面积,增加流片成本。目前工业界普遍采用的方法是:仅对部分尺寸的去嵌结构进行流片,同时利用电磁场仿真工具对相应的去嵌结构进行电磁仿真;然后将测试结果与电磁仿真的结果进行比较,通过调整仿真器中所设定的材料参数(如电导率、介电常数等),使电磁场仿真结果与测试结果一致,获得与测试结果相吻合的仿真数据。以基于校准后的电磁场仿真数据来进行参数提取[5]。图3为谐振器open与short结构在电磁仿真工具内的模型图,上层为电极,下层为衬底材料。图4为去嵌前后的阻抗对比曲线。其中去嵌后的阻抗曲线包含仿真器材料参数调整前后两部分。

图3 电磁仿真建模图

图4 电磁仿真去嵌前后对比图

1.3 分段的等效电路模型对片上谐振器去嵌处理

图5为开路、短路结构的分段等效电路模型。该模型是将焊盘间的寄生参数与金属连线的寄生参数分开等效,其中Cp和Rp分别为S和G测试焊盘间的电阻和电容,LG为连接G与S电极的传输线上的电感分量,Rg为此段传输线上的电阻分量,LS、Rs分别为输入电极的电感与电阻。open等效电路可与开路实测值拟合PAD间的电容、电阻值,开路处用大电阻替代。short等效电路可与短路实测值拟合传输线上的电感电学特性[6]。

图5 开路、短路的分段等效电路模型

通过拟合获得Cp、Rp、LG、LS、Rg、Rs参数值后,可将COM模型接入开路等效电路电阻R处,与测试结构进行拟合。图6为接入COM后与测试结构拟合去嵌的等效电路图。

图6 分段等效电路模型的拟合去嵌等效电路图

利用该分段等效电路对示例谐振器进行去嵌,去嵌前后的对比如图7所示。

图7 分段等效电路模型去嵌前后对比图

1.4 紧凑的集总参数模型对片上谐振器去嵌处理

1.3节是将PAD与金属互连线分别进行等效电路,PAD之间的寄生参数与金属互连线的参数均可由拟合得知。除了1.3节中运用分段的等效电路模型外,目前常见的还有用集总参数模型对其进行整体等效处理,等效电路如图8所示。

图8 集总参数拟合去嵌等效电路

运用该等效电路对同一谐振器进行拟合去嵌,拟合结果如图9所示。

图9 集总参数模型等效电路去嵌前后对比图

2 去嵌方法比较与结果讨论

(2)

图10 4种去嵌方法结果对比

由表1可以看出,无论采用哪种去嵌方法,去嵌前后的差别都是巨大的,谐振点的频率可以相差10～11 MHz,所以在设计前必须消除测试结构上寄生参数的影响,提取准确的谐振器参数。由于传输线的杂散电容,去嵌前后的机电耦合系数从12.8%变为11.6%。整体传输线引入的寄生参数导致去嵌后的品质因数(Q)值变差。

由表1可知,4种方法去嵌后的谐振频率与反谐振频率相差不大,机电耦合系数几乎一致。Open-Short算法理论较完善,可以达到阻抗比为81 dB的较理想状况,但需要每个谐振器流片对应的测试结构,占用版图的面积。运用电磁仿真可以有效规避此缺点,前期需要流片测试结构来调整仿真器的参数。后两种集总参数方法在本质上一样,只是一个将电路分段等效,另一个整体等效。同时,分段等效电路去嵌方法无论在频率还是阻抗比上都更准确,由于Open、Short结构并不能简单地等效为3个元素组成的等效网络,因此,整体集总参数去嵌的等效方式准确性有待考究。

3 结束语

本文介绍了4种基于片上声表面波谐振器的去嵌方法,包括Open-Short算法、电磁仿真方法及两种等效电路方法。运用实例对4种方法进行分析,验证了几种去嵌方法无明显区别,并分析了每种方法的优劣势。其中Open-Short算法和分段等效电路的方法较为简单且准确,后续的研究也会采用该方法进行谐振器的去嵌。