CN110398678A - 一种大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波工程、半导体器件测试技术领域，公开了一种大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法，所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法利用具有阻抗转换作用的输入/输出端口阻抗转换测试夹具将矢量网络分析仪的输入/输出阻抗50Ω变换为接近被测件的输入/输出阻抗，以扩展阻抗测试范围。本发明利用输入/输出端口阻抗转换测试夹具预先将仪器50Ω***阻抗转换为接近被测件的输入/输出阻抗，从而实现一定程度的阻抗预匹配，减小功率器件测量过程中的失配问题，减小测量端口失配导致的测量误差，在扩展测试***的阻抗测试范围的同时，提高了测量的精度。

Description

一种大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法

技术领域

本发明属于微波工程、半导体器件测试技术领域，尤其涉及一种大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：原始的测试方法采用阻抗调配器，测试中需要完成对阻抗调配器的校准和寻找最优阻抗转换点的问题，其测试过程相当繁琐费时。使用矢量网络分析仪直接测量被测件S参数时，由于矢量网络分析仪的输入阻抗和输出阻抗为50Ω，当被测件的输入阻抗和输出阻抗远低于或高于50Ω时，矢量网络分析仪的测试端口会存在严重失配问题，测试信号被大量反射，导致这类半导体器件S参数测量误差的产生，同时也限制了阻抗测试范围。

原始的测试方法使用矢量网络分析仪直接测量被测件S参数，由于矢量网络分析仪的输入阻抗和输出阻抗为50Ω，当被测件的输入阻抗和输出阻抗远低于或高于50Ω时，矢量网络分析仪的测试端口会存在严重失配问题，测试信号被大量反射，导致这类半导体器件S参数测量误差的产生，同时也限制了阻抗测试范围。对于S参数测量使用的矢量网络分析仪，其最终的测量结果是基于仪器内A/D转换模块转换得到的，对于那些测量精度不够的A/D转换模块，其在测量不同的大功率半导体器件时，难以利用A/D采集的数据来区别这些器件的特性，造成一定的测量误差。

目前，最接近的现有技术采用阻抗调配器作为阻抗转换工具，测试时在每一个频点处均需要对阻抗调配器进行校准，并寻找阻抗调配器的最优阻抗转换点，其工作量巨大，相当繁琐费时。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的被测器件输入和输出阻抗过低或过高同测试仪器阻抗严重不匹配，测试精度较低，且测试过程极其繁琐。

解决上述技术问题的难度：要寻找一种简单的阻抗转换工具，实现一定程度的阻抗预匹配以减小功率器件测量过程中的失配问题，并且要易于对此阻抗转换工具进行去嵌，以得到准确的测试结果，难度很大。

解决上述技术问题的意义：若能够找到一种简单的阻抗转换工具，减小功率器件测量过程中的失配问题，那么就可以充分利用矢量网络分析仪有限的A/D转换精度去区分这些半导体器件不同的特性参数，从而将不同的小阻抗值实现差异化识别，减小了测量端口失配导致的测量误差，利用简单快捷的测试方法在扩展测试***的阻抗测试范围的同时，提高了测量的精确度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法。

本发明是这样实现的，一种大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法，所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法利用具有阻抗转换作用的输入/输出端口阻抗转换测试夹具，即一段阻抗渐变传输线，将矢量网络分析仪的输入/输出阻抗50Ω变换为接近被测件的输入/输出阻抗，以扩展阻抗测试范围。

进一步，所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法具体包括：

第一步，被测件测试阻抗的预估，估计出器件在最佳的源阻抗和最佳的负载阻抗；

第二步，测试夹具和校准件的设计，在HFSS软件中建立阻抗渐变线模型作为测试夹具，测试夹具均将50Ω的端口阻抗转换至6～10Ω接近被测件的输入/输出阻抗；

第三步，使用SOLT校准法对矢量网络分析仪进行校准；

第四步，测试夹具S参数的提取；

第五步，被测件S参数的提取，首先将测试夹具和被测器件整体的S参数转换至T参数，记为T_t；将得到的输入端口和输出端口测试夹具的S参数也转换为T参数，分别记为T₁,T₂，那么被测器件的T参数为：

将被测器件的T参数转换至S参数完成测量和计算，得到了被测件的S参数，完成全部的测量过程。

进一步，所述第四步测试夹具S参数的提取具体包括：

(1)直通标准件S参数方程的建立；对于直通标准件，等效为两个二端口网络级联；第一个网络和第二个网络的散射参数关系式分别为：

利用分块矩阵将式分解，表示如下：

内部接口之间有b₂＝a′₁,b′₁＝a₂的相互关系，将此关系式代入可得级联后总的网络的散射参数矩阵为：

因为：

所以级联后新的双端口网络的散射参数为：

将两个测试夹具直接连接在一起，直接连接后的网络将是对称互易网络，得到下列表达式：

考虑到S₁₂＝S₂₁，得到两个复数方程和三个未知数，已知通过测量得到；只有S₁₁,S₁₂和S₂₂为未知数；

(2)反射标准件S参数方程的建立；双端口网络的入射波和反射波之间的关系表示为：

Γ_in是通过直接测量该反射标准件的S₁₁参数获得的，将反射标准件设计加工成开路或短路的形式,Γ_L实际值采用HFSS仿真得到；

得到如下方程组：

考虑到S₁₂＝S₂₁，利用三个未知数和三个方程，求解出测试夹具完整的S参数。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法的大功率半导体器件宽阻抗范围测试***，所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试***包括：矢量网络测试仪、输入端口阻抗转换测试夹具、被测件、输出端口阻抗转换测试夹具；

矢量网络分析仪，作为测试仪器；

输入端口阻抗转换测试夹具、输出端口阻抗转换测试夹具，起到夹持被测件和阻抗转换作用，将矢量网络分析仪的输入阻抗和输出阻抗50Ω变换为接近被测件的输入阻抗和输出阻抗。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法的半导体器件测试装置。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用输入/输出端口阻抗转换测试夹具预先将仪器50Ω***阻抗转换为接近被测件的输入/输出阻抗，从而实现一定程度的阻抗预匹配，减小功率器件测量过程中的失配问题，减小测量端口失配导致的测量误差，在扩展测试***的阻抗测试范围的同时，提高了测量的精度。

原始的测试方法采用阻抗调配器，测试中需要完成对阻抗调配器的校准和寻找最优阻抗转换点的问题，其测试过程相当繁琐费时。相比之下，本发明的方法采用的输入/输出端口阻抗转换测试夹具则具有设计简单、直接快速。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法流程图。

图2是本发明实施例提供的大功率半导体器件宽阻抗范围测试***的结构示意图；

图中：1、矢量网络测试仪；2、输入端口阻抗转换测试夹具；3、被测件；4、输出端口阻抗转换测试夹具。

图3是本发明实施例提供的HFSS中测试夹具的模型示意图。

图4是本发明实施例提供的测试夹具实际加工图。

图5是本发明实施例提供的直通标准件的等效示意图。

图6是本发明实施例提供的反射标准件的等效示意图。

图7是本发明实施例提供的***整体测试图。

图8是CGH40010F的最佳阻抗图。

图9是测试夹具的设计原理图。

图10是夹具夹持下的被测件的测量原理图。

图11是直接测试被测件S参数原理图。

图12是两种方法求得S参数对比图；

其中：图(a)是S₁₁的幅度和相位对比图；图(b)是S₁₂的幅度和相位对比图；图(c)是S₂₁的幅度和相位对比图；图(d)是S₂₂的幅度和相位对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用具有阻抗转换作用的输入/输出端口阻抗转换测试夹具将矢量网络分析仪的输入/输出阻抗50Ω变换为接近被测件的输入/输出阻抗，以扩展阻抗测试范围，提高测量精度。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法包括以下步骤：

S101：矢量网络分析仪作为测试仪器；

S102：输入/输出端口阻抗转换测试夹具起到夹持被测件和阻抗转换作用，将矢量网络分析仪的输入阻抗和输出阻抗50Ω变换为接近被测件的输入阻抗和输出阻抗。

如图2所示，本发明实施例提供的大功率半导体器件宽阻抗范围测试***包括：矢量网络测试仪1、输入端口阻抗转换测试夹具2、被测件3、输出端口阻抗转换测试夹具4。

矢量网络分析仪1，作为测试仪器，输入端口阻抗转换测试夹具2、输出端口阻抗转换测试夹具4起到夹持被测件3和阻抗转换作用，将矢量网络分析仪1的输入阻抗和输出阻抗50Ω变换为接近被测件3的输入阻抗和输出阻抗。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法包括以下步骤：被测件测试阻抗的预估；2、测试夹具和校准件的设计；3、矢量网络分析仪的校准；4、测试夹具S参数的提取；5、被测件S参数的提取。

1、被测件测试阻抗的预估

测试中选取的是科锐(CREE)公司的氮化镓功率器件CGH40010F。本次试验选择2GHz作为测试频率，估计出该器件在2GHz处最佳的源阻抗和最佳的负载阻抗约为6～10Ω，可以据此完成测试夹具和校准件的设计。

2、测试夹具和校准件的设计。

测试夹具需要将50Ω阻抗转换到6～10Ω的阻抗值附近。为了便于固定安装被测件去测试S参数，本次试验将测试夹具设计成微带线的形式。在HFSS软件中建立阻抗渐变线模型作为测试夹具，如图3所示。经过多次仿真验证后，最终选择的尺寸结果为：50Ω端口渐变线宽度a为2.2mm，长度b为17mm；非50Ω端口渐变线宽度d为15.3mm，渐变线长度c为18mm。

在一个较宽的频率范围内，测试夹具均可以将50Ω的端口阻抗转换至6～10Ω附近，符合设计预期。此时，在2GHz处仿真计算的非50Ω端口的输入阻抗结果为(6.6006-7.7628i)Ω，仿真得到该段阻抗转换测试夹具的S参数如表1所示。

表1阻抗转换测试夹具的S参数

至此，完成基于阻抗渐变线的阻抗转换测试夹具的仿真设计和验证过程。

3、矢量网络分析仪的校准。

使用常规SOLT校准法对矢量网络分析仪进行校准。

4、测试夹具S参数的提取。

基于TRL校准法，且适用于宽阻抗高精度测试方法的新的测试夹具去嵌入方法，该方法采用直通标准件和反射标准件两个标准元件，利用测试和仿真得到的结果计算出测试夹具的S参数。实际加工的PCB版图如图4所示。图5表示的是直通件，它是将测试夹具相对的端口直接连接在一起；图6表示的是反射件，它是在半个测试夹具的一端连接一个具有很大反射系数的负载。

具体的去嵌入方法如下：

(1)直通标准件S参数方程的建立。

对于直通标准件，可以将其等效为两个二端口网络级联，如图5所示。

首先假设第一个网络和第二个网络的散射参数关系式分别为：

为了进一步求解，可以利用分块矩阵将式(1)分解，表示如下：

由图5可以看出，内部接口之间有b₂＝a′₁,b′₁＝a₂的相互关系，将此关系式代入上式(2)和(3)化简可得级联后总的网络的散射参数矩阵为：

因为：

所以级联后新的双端口网络的散射参数为：

因为半个夹具理论上是完全一样的，由这些无源元件构成的网络是一个非对称互易网络，若将两个测试夹具直接连接在一起，那么直接连接后的网络将是对称互易网络。根据上述这些条件可以得到下列表达式：

考虑到S₁₂＝S₂₁，这样就可以得到两个复数方程和三个未知数，已知可以通过测量得到；只有S₁₁,S₁₂和S₂₂为未知数。

(2)反射标准件S参数方程的建立。

为了利用反射标准件去建立可解的方程，这里首先需要讨论这样一个问题，如图6所示，它是一个双端口网络终端接一个反射系数为Γ_L负载的情形。

该双端口网络的入射波和反射波之间的关系可以表示为：

Γ_in是通过直接测量该反射标准件的S₁₁参数获得的，可以将反射标准件设计加工成开路或短路的形式，但是实际上由于开路电容和短路电感的影响，无法得到真正意义上的开路和短路，所以本次试验中Γ_L的实际值计划采用HFSS仿真得到。

此测试夹具去嵌入方法总共可以测得三个数据和分别为直通标准件的反射系数、直通标准件的传输系数和反射标准件的反射系数，Γ_L为反射标准件终端的反射系数，它可以通过HFSS软件仿真提取，也可以通过精确设计直接得到，只有S₁₁,S₁₂和S₂₂为未知数。最终可以得到如下方程组：

考虑到S₁₂＝S₂₁，利用三个未知数和三个方程，就可以求解出测试夹具完整的S参数，便于之后利用宽阻抗高精度测试方法去进一步测量和求解被测件的S参数。

5、被测件S参数的提取。

首先将测试夹具和被测器件整体的S参数转换至T参数，这里记为T_t，然后将得到的输入端口和输出端口测试夹具的S参数也转换为T参数，分别记为T₁,T₂，那么被测器件的T参数为：

最后将被测器件的T参数转换至S参数就完成了测量和计算过程，从而得到了被测件的S参数，完成全部的测量过程。具体过程及结果如下：

连接好的整个测试***如图7所示，测得***整体的S参数如表2所示。

表2***整体的S参数

Freq(GHz)	S<sub>11</sub>	S<sub>12</sub>	S<sub>21</sub>	S<sub>22</sub>
					2.0	-0.2748-0.5977i	0.0234+0.0180i	-1.2138+4.7378i	0.3822-0.7079i

利用宽阻抗高精度测试方法和已经得到的测试数据，通过T参数和S参数的转换关系和级联网络的性质，求解被测件的T参数，最终将被测件的T参数转换成S参数，求解出被测件真实的S参数，求解的结果如表3所示。

表3被测件真实的S参数

至此，通过宽阻抗高精度测试方法完成了对大功率半导体器件S参数的测量和提取工作。

下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。

以科锐(CREE)公司的氮化镓功率器件CGH40010F为例，利用ADS软件完成仿真设计和测量过程。

图8为该大功率半导体器件在不同频率下的最佳源阻抗和最佳负载阻抗，本次试验选择2GHz作为测试频率，从下图中可以估计出该器件在2GHz处最佳的源阻抗和最佳的负载阻抗约为6～10Ω，利用宽阻抗高精度测试方法设计阻抗转换时并不需要知道其精准的阻抗值，只需要设计到一个合理范围之内即可。

首先，利用ADS软件中的阻抗渐变线设计控件DA_TLMatch1_TEST设计阻抗渐变线作为测试夹具，将50Ω阻抗转换至10Ω，如图9所示，设计中用到的板材为罗杰斯RO4350B，其介电常数为3.66，板材厚度为1mm。

仿真得到其S参数如表4所示。

表4测试夹具的S参数

接下来，将CGH40010F器件的ADS模型导入ADS中，设置合适的直流工作点，这里选择的直流工作点为数据手册推荐的工作环境，即：Vds＝28V，Vgs＝-2.9V，Ids＝100mA，然后，加入上一步设计好的阻抗渐变线作为测试夹具，得到测试***整体的原理图，如图10所示。

仿真得到其S参数如表5所示。

表5夹具夹持下的被测件整体的S参数

利用上一小节中研究的测量方法，将表4和表5两组S参数转换为T参数，利用式(10)反求出被测件的T参数，最后将T参数转换为S参数，得到被测件S参数的数据如表6所示。

表6利用新方法得到的被测件的S参数：

为了验证通过宽阻抗高精度测试方法得到的被测件S参数是否准确，可以利用ADS软件直接仿真得到被测件真实的S参数，如图11所示，不使用测试夹具，直接测试被测件S参数，故将测试夹具做短路处理，将这种情况下仿真得到的数据作为被测件真实的S参数。

仿真得到其S参数如表7所示。

表7被测件真实的S参数

进一步求出表7测试数据的幅度值和相位值，将其绘制在图中做一个对比分析，如图12所示。

从图12(a)、图12(b)、图12(c)、图12(d)中，不难发现，利用宽阻抗高精度测试方法测量求解得到的被测件的S参数和直接仿真得到的被测件真实的S参数几乎一致，其中S₂₁的数据吻合结果最好，个别数据存在细微的误差，分析是计算求解时的舍入误差造成的，所以，抛开舍入误差的影响，可以认为此宽阻抗范围高精度测试方法是完全正确可行的大功率半导体器件的测试方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法，其特征在于，所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法利用具有阻抗转换作用的输入/输出端口阻抗转换测试夹具将矢量网络分析仪的输入/输出阻抗50Ω变换为接近被测件的输入/输出阻抗，以扩展阻抗测试范围。

2.如权利要求1所述的大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法，其特征在于，所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法具体包括：

第一步，被测件测试阻抗的预估，估计出器件在最佳的源阻抗和最佳的负载阻抗；

第二步，测试夹具和校准件的设计，在HFSS软件中建立阻抗渐变线模型作为测试夹具，测试夹具均将50Ω的端口阻抗转换至6～10Ω接近被测件的输入/输出阻抗；

第三步，使用SOLT校准法对矢量网络分析仪进行校准；

第四步，测试夹具S参数的提取；

第五步，被测件S参数的提取，首先将测试夹具和被测器件整体的S参数转换至T参数，记为T_t；将得到的输入端口和输出端口测试夹具的S参数也转换为T参数，分别记为T₁,T₂，那么被测器件的T参数为：

将被测器件的T参数转换至S参数完成测量和计算，得到了被测件的S参数，完成全部的测量过程。

3.如权利要求2所述的大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法，其特征在于，所述第四步测试夹具S参数的提取具体包括：

(1)直通标准件S参数方程的建立；对于直通标准件，等效为两个二端口网络级联；第一个网络和第二个网络的散射参数关系式分别为：

利用分块矩阵将式分解，表示如下：

内部接口之间有b₂＝a’₁,b’₁＝a₂的相互关系，将此关系式代入可得级联后总的网络的散射参数矩阵为：

因为：

所以级联后新的双端口网络的散射参数为：

将两个测试夹具直接连接在一起，直接连接后的网络将是对称互易网络，S₂₂得到下列表达式：

考虑到S₁₂＝S₂₁，得到两个复数方程和三个未知数，已知通过测量得到；只有S₁₁,S₁₂和S₂₂为未知数；

(2)反射标准件S参数方程的建立；双端口网络的入射波和反射波之间的关系表示为：

Γ_in是通过直接测量该反射标准件的S₁₁参数获得的，将反射标准件设计加工成开路或短路的形式,Γ_L实际值采用HFSS仿真得到,得到如下方程组：

考虑到S₁₂＝S₂₁，利用三个未知数和三个方程，求解出测试夹具完整的S参数。

4.一种基于权利要求1所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法的大功率半导体器件宽阻抗范围测试***，其特征在于，所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试***包括：矢量网络测试仪、输入端口阻抗转换测试夹具、被测件、输出端口阻抗转换测试夹具；

矢量网络分析仪，作为测试仪器；

输入端口阻抗转换测试夹具、输出端口阻抗转换测试夹具，起到夹持被测件和阻抗转换作用，将矢量网络分析仪的输入阻抗和输出阻抗50Ω变换为接近被测件的输入阻抗和输出阻抗。

5.一种应用权利要求1～3任意一项所述大功率半导体器件宽阻抗范围测试方法的半导体器件测试装置。