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Einfluss parasitärer Probe-Effekte in On-Wafer-Messungen von koplanaren Wellenleitern mit Rückseitenmetallisierung

03.10.2022

Feldbild zur Demonstration des PPL-Modes bei der On-Wafer-Messung eines Offset-Shorts.

 

Die PTB hat koplanare Wellenleiter mit Rückseitenmetallisierung untersucht und empirische Formeln zur Beschreibung parasitärer Probe-Effekte entwickelt. Die empirischen Formeln wurden durch elektromagnetische 3D-Vollwellensimulationen validiert und mit Messungen bis 110 GHz überprüft.

 

On-Wafer-Messungen sind maßgebend für die Charakterisierung von aktiven und passiven Bauelementen bei Millimeterwellen-Frequenzen. Es ist allgemein bekannt, dass sie verschiedene parasitäre Effekte aufweisen, die von Messspitzen, Mehrmodenausbreitung, Übersprechen zwischen benachbarten Strukturen und Abstrahlung herrühren. Während viele Untersuchungen für konventionelle koplanare Wellenleiter (CPW) durchgeführt worden sind, sind die parasitäre Effekte von koplanaren Wellenleiter mit Rückseitenmetallisierung bisher noch nicht vollständig untersucht worden.

Die Koplanarleitungen mit Rückseitenmetallisierung sind von grundlegender Bedeutung, weil sie in vielen Anwendungen für monolithische Mikrowellenschaltungen (MMICs), hybride integrierte Schaltungen und PCBs eingesetzt werden. Außerdem bieten sie Vorteile im Hinblick auf die mechanische Stabilität und Wärmeableitung.

Aufgrund der Rückseitenmetallisierung breitet sich der sogenannte Parallelplattenleitungsmode (PPL-Mode) aus, der das Übertragungsverhalten der CPW-Leitung in unerwünschter Weise beeinträchtigt (Bild 1). Die Interaktion des PPL-Modes mit dem gewünschten CPW-Mode führt zur destruktiven Interferenz sowie zu Resonanzeffekten, die die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen (Bild 2).

 

Bild 1: Feldbild zur Demonstration des PPL-Modes bei der On-Wafer-Messung eines Offset-Shorts.

 

 

 Bild 2: Messung des Transmissionsverhaltens (Betrag) einer koplanaren Leitung mit Rückseitenmetallisierung (auf Metall-Chuck) und ohne Rückseitenmetallisierung auf Keramik-Chuck (oberes Teilbild), Differenz bezogen auf Keramik-Chuck (unteres Teilbild).

 

 

Bild 3: Analytische Beschreibung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der CPW-Leitungslänge im Vergleich zu gemessenen Daten.

 

Um diese Resonanzeffekte zu beschreiben, wurden die geometrischen Abmessungen der Messpitzen sowie die Materialeigenschaften der Substrate systematisch variiert. Aus den Ergebnissen dieser Studie wurde eine empirische Formel zur Vorhersage der PPL-Resonanzeffekte unter Berücksichtigung der Messpitzeneigenschaften entwickelt.

Bild 3 zeigt das analytisch berechnete Ergebnis im Vergleich zu den aus Messungen mit GGB-Probes extrahierten Daten. Damit hat die PTB zum ersten Mal eine empirische Formel zur Beschreibung der parasitären Effekte in On-Wafer-Messungen von koplanaren Wellenleitern mit Rückseitenmetallisierung entwickelt. Diese Formel trägt nicht nur zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Phänomene bei, sie sie kann außerdem auch für den Entwurf von integrierten Schaltungen eingesetzt werden.

 

 

Ansprechperson:

Gia Ngoc Phung

Fachbereich 2.2 „Hochfrequenz und Felder“

gia.phung@ptb.de

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