單端口聲表面波諧振器在片去嵌方法分析

韓曉宇,帥 垚,吳傳貴,羅文博,潘忻強,張萬里

(電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,四川 成都 611731)

0 引言

在聲表面波(SAW)濾波器的設(shè)計中,通常利用襯底、壓電基板和叉指電極來計算諧振器的聲學和電學特性,所以必須準確地識別材料屬性,改進濾波器的仿真,使之更貼合于實際[1]。材料屬性可通過使用SAW諧振器的測量特性來提取,但單個諧振器不能直接被測試,測量需要引出GND電極和信號傳輸線到測量端口探針處,諧振器的測量特性受傳輸線特性的影響,準確提取材料特性需要去除金屬互連線和PAD后的諧振器本身的特性。測試前,通常需要用網(wǎng)絡(luò)分析儀對探針及整套系統(tǒng)進行校準,可以選擇TRL或SOLT校準方式,以消除系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差,之后使用GSG探針進行測試結(jié)構(gòu)的測試。

目前可實際應(yīng)用的片上去嵌方法主要分為兩類:第一種是較為成熟的Open-Short法,主要包括設(shè)計對應(yīng)的去嵌輔助測試結(jié)構(gòu),求解寄生方程,確定該算法的關(guān)系式[2]。該方法也是目前國內(nèi)片上系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的去嵌方法。第二種是根據(jù)各種不同的片上電路,如片上的螺旋電感、電容、諧振器,將電路內(nèi)部的每個部分或者整體等效為寄生網(wǎng)絡(luò),對每部分進行擬合,反向推出準確的元器件材料參數(shù)[3]。本文運用4種建模及去嵌手段對示例諧振器的去嵌進行分析:

1) Open-Short算法對諧振器傳輸線去嵌。

2) 電磁場仿真工具對片上諧振器去嵌。

3) 運用分段的等效電路模型對片上諧振器去嵌處理。

4) 運用緊湊的集總參數(shù)模型對片上諧振器去嵌。

1 去嵌方法

本文進行分析的實例諧振器參數(shù)為:壓電材料采用42°Y-LiTaO3,半周期為1.206 μm,叉指對數(shù)為200對,孔徑為?60.2 μm,金屬化率為0.5,電極厚度為180 nm。

1.1 Open-Short去嵌算法

該方法是國內(nèi)去嵌技術(shù)中一種較為成熟的方法,需要用到待測器件的開路和短路結(jié)構(gòu)。器件外圍的寄生被直接視為并聯(lián)寄生和串聯(lián)寄生,開路結(jié)構(gòu)是將待測諧振器(DUT)去除,短路結(jié)構(gòu)是將DUT兩端的金屬互連線連接變?yōu)槎搪?開路結(jié)構(gòu)模擬的是測試結(jié)構(gòu)中的容性寄生部分,短路結(jié)構(gòu)模擬的是測試結(jié)構(gòu)中的感性寄生部分。圖1為單端口諧振器測試結(jié)構(gòu)和開路、短路的版圖結(jié)構(gòu)。

圖1 開短路及測試結(jié)構(gòu)版圖

該去嵌算法的具體步驟包括:

1) 對測試結(jié)構(gòu)、open去嵌結(jié)構(gòu)、short去嵌結(jié)構(gòu)分別進行S參數(shù)測量,分別得到Smea、Sopen及Sshort。

2) 將Smea、Sopen、Sshort分別轉(zhuǎn)換為Y參數(shù)Ymea、Yopen、Yshort。

3) 計算Ys-o=Yshort-Yopen,將Ys-o轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)Zs-o;計算Ym-o=Ymea-Yopen,將Ym-o轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)Zm-o。

4) 將Zm-o與Zs-o相減得到DUT的Z參數(shù),即ZDUT=Zm-o-Zs-o。將ZDUT轉(zhuǎn)換為S參數(shù),可得到DUT的S參數(shù)。

去嵌后的本征器件Y參數(shù)計算式[4]為

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

(1)

利用該算法對示例諧振器進行去嵌,去嵌前后的對比如圖2所示。

圖2 Open-Short算法去嵌前后對比圖

1.2 電磁場仿真工具對片上諧振器去嵌

如果應(yīng)用普通的Open-Short算法或等效電路的方法,則每個器件都需要特定的測試結(jié)構(gòu)、open去嵌結(jié)構(gòu)、short去嵌結(jié)構(gòu),從而大量占用版圖面積,增加流片成本。目前工業(yè)界普遍采用的方法是:僅對部分尺寸的去嵌結(jié)構(gòu)進行流片,同時利用電磁場仿真工具對相應(yīng)的去嵌結(jié)構(gòu)進行電磁仿真;然后將測試結(jié)果與電磁仿真的結(jié)果進行比較,通過調(diào)整仿真器中所設(shè)定的材料參數(shù)(如電導率、介電常數(shù)等),使電磁場仿真結(jié)果與測試結(jié)果一致,獲得與測試結(jié)果相吻合的仿真數(shù)據(jù)。以基于校準后的電磁場仿真數(shù)據(jù)來進行參數(shù)提取[5]。圖3為諧振器open與short結(jié)構(gòu)在電磁仿真工具內(nèi)的模型圖,上層為電極,下層為襯底材料。圖4為去嵌前后的阻抗對比曲線。其中去嵌后的阻抗曲線包含仿真器材料參數(shù)調(diào)整前后兩部分。

圖3 電磁仿真建模圖

圖4 電磁仿真去嵌前后對比圖

1.3 分段的等效電路模型對片上諧振器去嵌處理

圖5為開路、短路結(jié)構(gòu)的分段等效電路模型。該模型是將焊盤間的寄生參數(shù)與金屬連線的寄生參數(shù)分開等效,其中Cp和Rp分別為S和G測試焊盤間的電阻和電容,LG為連接G與S電極的傳輸線上的電感分量,Rg為此段傳輸線上的電阻分量,LS、Rs分別為輸入電極的電感與電阻。open等效電路可與開路實測值擬合PAD間的電容、電阻值,開路處用大電阻替代。short等效電路可與短路實測值擬合傳輸線上的電感電學特性[6]。

圖5 開路、短路的分段等效電路模型

通過擬合獲得Cp、Rp、LG、LS、Rg、Rs參數(shù)值后,可將COM模型接入開路等效電路電阻R處,與測試結(jié)構(gòu)進行擬合。圖6為接入COM后與測試結(jié)構(gòu)擬合去嵌的等效電路圖。

圖6 分段等效電路模型的擬合去嵌等效電路圖

利用該分段等效電路對示例諧振器進行去嵌,去嵌前后的對比如圖7所示。

圖7 分段等效電路模型去嵌前后對比圖

1.4 緊湊的集總參數(shù)模型對片上諧振器去嵌處理

1.3節(jié)是將PAD與金屬互連線分別進行等效電路,PAD之間的寄生參數(shù)與金屬互連線的參數(shù)均可由擬合得知。除了1.3節(jié)中運用分段的等效電路模型外,目前常見的還有用集總參數(shù)模型對其進行整體等效處理,等效電路如圖8所示。

圖8 集總參數(shù)擬合去嵌等效電路

運用該等效電路對同一諧振器進行擬合去嵌,擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 集總參數(shù)模型等效電路去嵌前后對比圖

2 去嵌方法比較與結(jié)果討論

(2)

圖10 4種去嵌方法結(jié)果對比

由表1可以看出,無論采用哪種去嵌方法,去嵌前后的差別都是巨大的,諧振點的頻率可以相差10～11 MHz,所以在設(shè)計前必須消除測試結(jié)構(gòu)上寄生參數(shù)的影響,提取準確的諧振器參數(shù)。由于傳輸線的雜散電容,去嵌前后的機電耦合系數(shù)從12.8%變?yōu)?1.6%。整體傳輸線引入的寄生參數(shù)導致去嵌后的品質(zhì)因數(shù)(Q)值變差。

由表1可知,4種方法去嵌后的諧振頻率與反諧振頻率相差不大,機電耦合系數(shù)幾乎一致。Open-Short算法理論較完善,可以達到阻抗比為81 dB的較理想狀況,但需要每個諧振器流片對應(yīng)的測試結(jié)構(gòu),占用版圖的面積。運用電磁仿真可以有效規(guī)避此缺點,前期需要流片測試結(jié)構(gòu)來調(diào)整仿真器的參數(shù)。后兩種集總參數(shù)方法在本質(zhì)上一樣,只是一個將電路分段等效,另一個整體等效。同時,分段等效電路去嵌方法無論在頻率還是阻抗比上都更準確,由于Open、Short結(jié)構(gòu)并不能簡單地等效為3個元素組成的等效網(wǎng)絡(luò),因此,整體集總參數(shù)去嵌的等效方式準確性有待考究。

3 結(jié)束語

本文介紹了4種基于片上聲表面波諧振器的去嵌方法,包括Open-Short算法、電磁仿真方法及兩種等效電路方法。運用實例對4種方法進行分析,驗證了幾種去嵌方法無明顯區(qū)別,并分析了每種方法的優(yōu)劣勢。其中Open-Short算法和分段等效電路的方法較為簡單且準確,后續(xù)的研究也會采用該方法進行諧振器的去嵌。