06.12.2011
Um teure Gehäusekosten einzusparen, werden heutzutage integrierte Schaltungen in der Mikroelektronik und in der Millimeterwellentechnik überwiegend mit On-Wafer-Messmethoden auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft. Zur Kalibrierung von On-Wafer-Streuparametermessungen verwendet man meist kommerziell erhältliche Substrate, die verschieden lange koplanare Wellenleiter, Opens, Shorts und Loads beinhalten. Die Genauigkeit, mit der die elektromagnetischen Eigenschaften dieser Kalibriernormale bestimmt werden können, entscheidet letztendlich über die erzielbare Messunsicherheit.
Bei höheren Frequenzen spielt die Berücksichtigung der Umgebung der zu testenden Schaltung bzw. des Kalibriersubstrats eine zunehmende Rolle. Neben Abstrahlungseffekten können unerwünschte Resonanzen und Wellenausbreitungsvorgänge (Moden) auftreten, die nicht nur die Funktion der Schaltung beeinträchtigen, sondern auch die Genauigkeit der Kalibrierung beeinflussen, zumal letztere im Regelfall eine einzige ausbreitungsfähige Mode voraussetzt.
In koplanaren Schaltungsumgebungen kann die rückseitige Substratmetallisierung die Ausbreitung sogenannter Parallelplattenmoden zur Folge haben. Diese entstehen durch Potentialdifferenzen zwischen den koplanaren Leitern auf der Substratoberseite und dem Leiter auf der Rückseite des Substrats. Sobald sich der Wert der Ausbreitungskonstanten der Parallelplattenmoden in der Nähe der Ausbreitungskonstanten der (erwünschten) Koplanarmode befindet, entstehen zusätzliche Verluste durch Modenkopplung. Bei höheren Frequenzen werden diese Phänomene durch Kopplung zu Oberflächenmoden verstärkt.
Bild 1:
Gemessene und numerisch berechnete Dämpfungskonstante eines kommerziell erhältlichen koplanaren Kalibrierstandards.
Bild 1 zeigt die aus Messungen und numerischen Simulationen extrahierte Dämpfungskonstante von koplanaren Leitungsstandards auf einem kommerziell erhältlichen Kalibriersubstrat. Sowohl in der Messung als auch in der Simulation ist eine Restwelligkeit zu beobachten, die auf die Interaktion zwischen Koplanar- und Parallelplattenmoden zurückzuführen ist. Der starke Anstieg der Dämpfung bei höheren Frequenzen ist auf den Einsatz von Absorbermaterial zurückzuführen, das eigentlich das Auftreten parasitärer Moden verhindern soll, ohne die Koplanarmode zu beeinträchtigen. Stattdessen ist ein starker Anstieg der Verluste zu verzeichnen.
Ansprechpartner: U. Arz
Fachbereich 2.2 : Hochfrequenz und Felder