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专利名称：一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法
技术领域：
本发明涉及半导体芯片封装外壳性能的测试方法，具体为一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法
背景技术：
GaAs, GaN及SiC等半导体材料因其具有禁带宽、高热导率、高载流子饱和漂移速度等优良特性，决定了将它们大量应用在半导体微波功率器件制作之中。GaAs、GaN及SiC等半化合物导体材料可制作微波功率芯片，微波功率芯片经过封装外壳封装后称为器件。器件的微波性能主要包括功率、增益及效率等三项内容。封装外壳由底座、陶瓷件、封帽环、输入端子、输出端子构成。底座作用是为芯片提供机械支撑和提供散热，并提供芯片共地端，陶瓷件实现底座、输入、输出端子三者之间的隔离，因为输入端子、输出端子通常与半导体芯片的栅极、漏极相连，底座与芯片源极相连，芯片的栅极、漏极及源极在电学上是相互隔离的。微波性能主要包括热性能与微波性能，封装外壳的热性能对器件微波性能有着重要影响，例如封装外壳底座散热的好坏直接影响器件功率输出大�。庾巴饪瞧德侍匦远云骷β�、增益及效率有着重要影响。封装外壳的微波性能主要由陶瓷件、输入端子及输出端子的微波特性决定，端子、底座、封帽环三者构成带状线电路，此带状线电路的微波性能对封装外壳的微波性能有很大影响。封装外壳的微波性能主要指其频率特性，封装外壳的频率特性主要是指封装外壳插入损耗随频率的变化趋势。如果封装外壳在器件工作频带内插入损耗较大，则会严重影响器件输出功率及增益。例如，器件工作频带为3. 1-3. 4GHz，芯片在此频带内输入功率为38dBm，输出功率为47dBm(50W)，增益为9dB，增益等于输出功率减去输入功率，封装外壳在此频带内插入损耗为3dB，器件增益等于芯片增益减去封装外壳插入损耗，则器件增益为6dB,输出功率等于输入功率加增益，在输入功率为38dBm时，器件输出功率为44dBm(25W)，由此可芯片封装前后输出功率降低50%。目前半导体微波功率芯片封装外壳性能评价是封装外壳制作的难点之一。常用的评价方法为封装外壳模拟及对采用芯片及封装外壳制作的模块进行微波性能测试的方法。采用模拟的方法无法真实反映管壳性能。采用对采用芯片及封装外壳制作�？榻形⒉ㄐ阅懿馐缘姆椒ㄎ薹ㄆ兰酃芸堑恼媸滴⒉ú问荒芷兰坌酒头庾巴饪呛铣梢桓瞿？楹蟮奈⒉ㄐ阅埽掖酥址椒ㄐ枰褂冒汗蟮男酒杀咎撸诜庾巴饪谴罅砍膳渭煅槭备侨绱�。

发明内容
针对半导体微波功率芯片封装外壳性能评价中存在的问题，本发明提供了一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，该方法属于低成本封装外壳性能评价方法，降低了封装外壳制作成本，提高了封装外壳性能测试的准确度。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，包括如下步骤
1)准备微波测试�？楹椭绷髌媚？椋礁瞿？榈髡敛馐宰刺�
2)制作陶瓷介质基片微带电路，用上述第I)步中的微波测试�？椴馐蕴沾山橹驶⒋缏返奈⒉ㄐ阅懿问齀 ;
3)将上述第2)步中的陶瓷介质基片微带电路与目标半导体微波功率芯片封装外壳组成封装外壳测试�？椋�
4)制作放置上述第3)步中封装外壳测试模块的微波测试夹具，利用微波测试�？楹椭绷髌媚？椴馐运� 微波测试夹具的微波性能参数2 ；
5)将上述第4)步中的微波测试夹具和第3)步中的封装外壳测试�？樽楹闲纬勺楹咸澹梦⒉ú馐阅？楹椭绷髌媚？槎源俗楹咸褰行阅懿馐圆⒓锹嘉⒉ㄐ阅懿问�3 ；
6)将上述第5)步得到的微波性能参数3、第4)步中的微波性能参数2和第2)步中的微波性能参数I进行运算，得到所述目标半导体微波功率芯片封装外壳的微波性能参数。所述目标半导体微波功率芯片封装外壳包括外壳底座、输入端子和输出端子，将上述第2)步中陶瓷介质基片微带电路的输入端和输出端分别与目标半导体微波功率芯片封装外壳的输入端子和输出端子电气连接形成上述第3)步中的封装外壳测试�？�。所述陶瓷介质基片微带电路的输入端和输出端通过键合金丝与目标半导体微波功率芯片封装外壳的输入端子和输出端子相连接。上述第4)步的具体包括如下操作步骤
A、制作PCB微带线，并利用所述微波测试�？椴馐訮CB微带线的微波性能参数4；
B、将PCB微带线放置到所述微波测试夹具中形成组合体，利用微波测试�？楹椭绷髌媚？椴馐源俗楹咸宓奈⒉ㄐ阅懿问�5 ；
C、将上述B步中的微波性能参数5和A步中的微波性能参数4相比较，得到微波测试夹具的微波性能参数2。所述PCB微带线的阻抗与陶瓷介质基片微带电路的阻抗相当。所述微波测试夹具包括电路载体、设于电路载体上的测试电路以及实现微波测试夹具与所述直流偏置�？榈缙拥恼ぜ瞬ǖ缏泛吐┘瞬ǖ缏�(6);所述电路载体上设有盛放封装外壳测试�？榈钠骷潭ú郏谒霾馐缘缏飞仙栌杏肫骷潭ú巯喽杂Φ娜笨凇Ｋ霾馐缘缏钒≒CB底板和设于PCB底板上的传输线和偏置线，所述栅极滤波电路和漏极滤波电路分别通过偏置线与测试电路相连接，且又通过鳄形夹和导线与所述直流偏置模块相连。在所述微波测试夹具的两端对称设有同轴转微带同轴接头。本发明使用微波测试夹具真实再现了微波功率芯片封装外壳使用环境，其上包含的栅极滤波电路、漏极滤波电路和位于测试用夹具两侧的同轴转微带同轴接头均为半导体微波功率芯片封装外壳使用时所处的真实环境，考虑了封装外壳的使用环境，考虑了直流偏置�？槎酝饪切阅芷兰鄣挠跋欤岣吡瞬馐越峁木范�。本发明在封装外壳微波性能评价中引入陶瓷介质基片微带电路及微波测试夹具， 成功实现了封装外壳的微波性能测试，同时降低了封装外壳的制作成本，大大提高了封装外壳的测试效率，为封装外壳特性的表征积累了宝贵数据，为半导体微波功率器件性能的提高提供了可靠保障。


图I为本发明中封装外壳测试�？榈母┦� 图2为图I沿A-A向的剖视 图3为本发明中微波测试夹具的俯视 图4为图3沿B-B向的剖视 图5为本发明一个实施例的组合示意图； 其中，I、电路载体，2、PCB底板，3、传输线，4、偏置线，5、栅极滤波电路，6、漏极滤波电路，7、鳄形夹，8、器件固定槽，9、隔直电容，10、同轴转微带同轴接头，11、压块，12、同轴电缆线，13、外壳底座，14、陶瓷介质基片微带电路，15、输入端子，16、输出端子，17、键合金丝，B、直流偏置�？椋珻、封装外壳测试�？椋珼、微波测试�？�。
具体实施例方式由图I到图5所示可知一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，包括如下步骤
I)准备微波测试�？楹椭绷髌媚？椋礁瞿？榈髡敛馐宰刺�
在此实施例中，直流偏置模块B的型号为N5770A，微波测试�？镈的型号为N5242A。设定微波测试�？镈的测试频率及输入功率，将微波测试�？镈的测试频率调制为50MHz-26GHz。2)制作陶瓷介质基片微带电路14，用上述第I)步中的微波测试�？椴馐蕴沾山橹驶⒋缏�14的微波性能参数I ;
利用微波测试�？镈对所述陶瓷介质基片微带电路14进行性能测试并记录陶瓷介质基片微带电路14的插入损耗、驻波等微波性能参数I。3)将上述第2)步中的陶瓷介质基片微带电路14与目标半导体微波功率芯片封装外壳组成封装外壳测试�？椋�
所述目标半导体微波功率芯片封装外壳包括外壳底座13、输入端子15和输出端子16,将上述第2)步中陶瓷介质基片微带电路14的输入端和输出端分别通过键合金丝17与目标半导体微波功率芯片封装外壳的输入端子15和输出端子16电气连接形成上述第3)步中的封装外壳测试�？镃。如图I和图2所示可知，所述封装外壳测试�？镃由两部分构成一陶瓷介质基片微带电路14和目标半导体微波功率芯片封装外壳，陶瓷介质基片微带电路14由陶瓷介质基片材料通过薄膜加工工艺制作而成，其输入端和输出端通过键合金丝17与目标半导体微波功率芯片封装外壳的输入端子15和输出端子16相连。目标半导体微波功率芯片封装外壳主要包括外壳底座13、输入端子15和输出端子16,输入端子15负责接收外界输入的微波信号，此微波信号通过键合金丝17、陶瓷介质基片微带电路14后传送到输出端子16。与目标半导体微波功率芯片封装外壳组合后，目标半导体微波功率芯片封装外壳的输入端子15和输出端子16便成为封装外壳测试�？镃的输入端和输出端。4)制作放置上述第3)步中封装外壳测试�？榈奈⒉ú馐约芯撸梦⒉ú馐阅？楹椭绷髌媚？椴馐运鑫⒉ú馐约芯叩奈⒉ㄐ阅懿问�2 ；
如图3和图4所示可知，所述微波测试夹具包括电路载体I、设于电路载体I上的测试电路以及实现微波测试夹具与所述直流偏置�？锽电气连接的栅极滤波电路5和漏极滤波电路6 ;所述电路载体I上设有盛放封装外壳测试模块C的器件固定槽8，在所述测试电路上设有与器件固定槽8相对应的缺口。器件固定槽8与电路载体I采用一块铜材料加工而成，在所述测试电路上还设有与器件固定槽8相对应的缺口。所述测试电路包括PCB底板 2和设于PCB底板2上的传输线3和偏置线4，所述测试电路上的与器件固定槽8相对应的缺口设置在PCB底板2上。所述栅极滤波电路5和漏极滤波电路6分别通过偏置线4与测试电路相连接，两者又通过鳄形夹7和导线与所述直流偏置模块B相连；所述PCB底板2为 PCB微带电路板。所述栅极滤波电路5和漏极滤波电路6由一系列贴片电阻、贴片电容、贴片电感构成。所述传输线3之间设有隔直电容9，在微波测试夹具的两端对称设有同轴转微带同轴接头10，所述隔直电容9和同轴转微带同轴接头10为通用的微波元件。
优选的，所述器件固定槽8的尺寸应当与封装外壳测试�？镃的尺寸相当。测试微波测试夹具微波性能参数2时具体包括如下操作步骤
A、制作PCB微带线，利用微波测试�？镈测试所述PCB微带线的插入损耗、驻波等微波性能参数4 ；
B、将PCB微带线放置到所述微波测试夹具的器件固定槽8中形成组合体，利用微波测试�？镈和直流偏置�？锽测试此组合体的微波性能参数5 ；
在此实施例中，微波测试夹具与直流偏置模块B、微波测试模块D等配合使用。微波测试夹具通过同轴电缆线12和同轴转微带同轴接头10实现与微波测试�？镈的连接，直流偏置模块B通过鳄形夹7和导线与微波测试夹具上的栅极滤波电路5和漏极滤波电路6相连接。将PCB微带线放置到微波测试夹具中的器件固定槽8中后，启动直流偏置�？锽和微波测试�？镈进行测试并记录下PCB微带线和微波测试夹具组合体的插入损耗、驻波等微波性能参数5 ；
C、将上述B步中的微波性能参数5和A步中的微波性能参数4相比较，得到微波测试夹具的微波性能参数2。优选的，上述A步中,PCB微带线的尺寸应当与器件固定槽8的尺寸相当。所述PCB 微带线的阻抗与陶瓷介质基片微带电路14的阻抗相当。所述PCB微带线与微波测试夹具活动连接，这样方便微波测试夹具进行下步的测试。5)将上述第4)步中的微波测试夹具和第3)步中的封装外壳测试�？樽楹闲纬勺楹咸澹梦⒉ú馐阅？楹椭绷髌媚？槎源俗楹咸褰行阅懿馐圆⒓锹嘉⒉ㄐ阅懿问� 3 ；
所述器件固定槽8的尺寸应当与封装外壳测试�？镃的尺寸相当，这样便可将封装外壳测试模块C放置到器件固定槽8。封装外壳测试�？镃与微波测试夹具活动连接。将封装外壳测试�？镃放置到微波测试夹具上，微波测试夹具上的测试电路与封装外壳测试�？镃的输入端子15、输出端子16通过压块11相连接，目标半导体微波功率芯片封装外壳的外壳底座13通过螺钉固定于微波测试夹具的器件固定槽8中，安装好后，启动微波测试�？镈和直流偏置�？锽对两者的组合体进行测试并记录组合体的插入损耗、 驻波等微波性能参数3。
6)将上述第5)步得到的微波性能参数3、第4)步中的微波性能参数2和第2)步中的微波性能参数I进行运算，得到所述目标半导体微波功率芯片封装外壳的微波性能参数；
将封装外壳测试�？镃和微波测试夹具组合体的微波性能参数3与微波测试夹具的微波性能参数2做差即可得到封装外壳测试�？镃的微波性能参数6，将微波性能参数6与陶瓷介质基片微带电路14的微波性能参数I做差即可得到目标半导体微波功率芯片封装外壳的微波性能参数。测试PCB微带线与微波测试夹具的组合体、封装外壳测试�？镃与微波测试夹具的组合体的微波性能参数时，直流偏置�？锽的栅极电压和漏极电压信号通过鳄形夹7和导线传送到微波测试夹具的栅极滤波电路5和漏极滤波电路6，并经由偏置线4和传输线3 施加到微波测试夹具上的器件固定槽8上，以此模拟目标半导体微波功率芯片封装外壳的真实使用状态。传输线3之间的隔直电容9实现了微波测试�？镈与来自直流偏置�？锽 的栅极直流电压和漏极直流电压信号的隔离，保护了微波测试模块D。同轴转微带同轴接头 10的作用为实现微波测试�？镈与微波测试夹具的连接。测试过程中，加到封装外壳测试�？镃和PCB微带线上的微波信号自微波测试夹具左侧输入，从右侧输出，通过调整微波测试夹具中传输线3的尺寸参数，可消除封装外壳测试模块C中键合金丝17引入的插损、驻波等影响。在本发明中，PCB微带线的目的是为了测试微波测试夹具的微波性能，陶瓷介质基片微带电路14的目的是为了便于测试目标半导体微波功率芯片封装外壳的微波性能，因此，PCB微带线和陶瓷介质基片微带电路14的微波性能如驻波、插损应接近于理想状态，其微波性能越接近于理想状态，对微波测试夹具和目标半导体微波功率芯片封装外壳的性能影响也就越�。秸叩奈⒉ㄐ阅懿馐越峁喽远砸簿驮阶既�。而微波测试夹具在整个方法中起的作用为将目标半导体微波功率芯片封装外壳置于含有微波测试�？镈和直流偏置�？锽的测试环境中，模仿目标半导体微波功率芯片封装外壳的工作环境，以提高测试精度。因此，为了保证测试结果更加精确，PCB微带线、陶瓷介质基片微带电路14和微波测试夹具的工作频带应保持一致，且与要封装的目标半导体微波功率芯片的工作频带一致。 且PCB微带线、陶瓷介质基片微带电路14和微波测试夹具均是采用混合集成电路制作工艺制成，且尺寸可根据目标半导体微波功率芯片封装外壳进行适应性调整。采用上述方案，在目标半导体微波功率芯片封装外壳的微波性能测试过程中引入微波测试夹具、直流偏置�？锽，可以模拟半导体微波功率芯片在微波工作状态下的状态， 提高了整个测试过程的准确性，保证了得到的目标半导体微波功率芯片封装外壳的微波性能的准确性。本发明中某些操作步骤的顺序可以调换，如微波测试夹具的微波性能参数的测量步骤与陶瓷介质基片微带电路14的制作步骤、封装外壳测试�？镃的制作步骤可以互换， 只要能得到最后结果即可。本发明中主要部分的制作过程如下
陶瓷介质基片微带电路14由陶瓷介质基片材料通过薄膜加工工艺制作而成，该微带电路的具体制作包括以下步骤 X对介质基片进行清洗；
.2在介质基片上下表面制作规定厚度的金属层；iS按照规定的微带线宽度制作微带电路上表面微带电路及下表面金属底层；
④通过介质基片分片工艺按照封装外壳内腔尺寸制作具有一定长度的微带电路。其中上述的陶瓷介质基片微带电路14烧结在封装外壳的内腔内，采用金丝楔焊技术实现陶瓷介质基片微带电路14与封装外壳的输入端子15、输出端子16压焊区的电气连接，最后将陶瓷介质基片微带电路14固定在目标半导体微波功率芯片封装外壳的内腔中，其中陶瓷介质基片微带电路14下表面与封装外壳内腔相连采用的是氮气保护共晶烧结技术。优选的，步骤②中所述的金属层由镍、铬、金三层金属构成。优选的，金属层的制作工艺采用磁控溅射及电镀工艺。优选的，步骤③制作陶瓷介质基片微带电路14微带线采用的工艺为精度为Iym的光刻工艺、制作下表面金属底层采用的工艺为电镀工艺。通过上述步骤，实现陶瓷介质基片微带电路14与目标半导体微波功率芯片封装外壳的电气连接。带有陶瓷介质基片微带电路14的封装外壳称为封装外壳测试�？镃。所述微波测试夹具的制作方法中包括PCB底板2的微带电路设计及加工工艺、电路载体I的设计及机械加工工艺、微波测试夹具装配工艺，其中微波测试夹具制作工艺步骤为
①PCB底板2的微带电路、电路载体I的设计与制作；
②对PCB底板2的微带电路及电路载体I进行清洗；
③PCB底板2的微带电路与电路载体I的装配；
④PCB底板2的微带电路与贴片电阻、贴片电容、贴片导线等元件的连接，完成测试电路的制作；
⑤隔直电容9、同轴转微带同轴接头10的连接。其中上述的PCB底板2的微带电路、电路载体I的设计与制作采用了 Protel、AutoCAD软件，采用了薄膜电路及机械加工技术。优选的，步骤①制作电路载体I的材料为黄铜。优选的，步骤③PCB底板2的微带电路与电路载体I的连接采用铅锡焊接或螺钉紧固的方法实现。优选的，步骤④PCB底板2的微带电路与贴片电阻、贴片电容、导线等元件的连接，采用铅锡焊接的方法实现，完成测试电路的制作，电阻阻值及电容的容值经过优化，用于消除器件自激。优选的，步骤⑤中引入了隔直电容9、同轴转微带同轴接头10。表I以河北半导体研究所生产的管壳QF051B的为例，给出了原有测试方法与本发明的方法在对管壳QF051B的性能测试上存在的差别。表I
权利要求
1.一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于包括如下步骤1)准备微波测试�？楹椭绷髌媚？椋礁瞿？榈髡敛馐宰刺�2)制作陶瓷介质基片微带电路(14)，用上述第I)步中的微波测试�？椴馐蕴沾山橹驶⒋缏�(14)的微波性能参数I ;3)将上述第2)步中的陶瓷介质基片微带电路(14)与目标半导体微波功率芯片封装外壳组成封装外壳测试�？椋�4)制作放置上述第3)步中封装外壳测试�？榈奈⒉ú馐约芯撸梦⒉ú馐阅？楹椭绷髌媚？椴馐运鑫⒉ú馐约芯叩奈⒉ㄐ阅懿问�2 ；5)将上述第4)步中的微波测试夹具和第3)步中的 封装外壳测试�？樽楹闲纬勺楹咸澹梦⒉ú馐阅？楹椭绷髌媚？槎源俗楹咸褰行阅懿馐圆⒓锹嘉⒉ㄐ阅懿问�3 ；6)将上述第5)步得到的微波性能参数3、第4)步中的微波性能参数2和第2)步中的微波性能参数I进行运算，得到所述目标半导体微波功率芯片封装外壳的微波性能参数。
2.根据权利要求I所述的一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于所述目标半导体微波功率芯片封装外壳包括外壳底座(13)、输入端子(15)和输出端子(16)，将上述第2)步中陶瓷介质基片微带电路(14)的输入端和输出端分别与目标半导体微波功率芯片封装外壳的输入端子(15)和输出端子(16)电气连接形成上述第3)步中的封装外壳测试�？�。
3.根据权利要求2所述的一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于所述陶瓷介质基片微带电路(14)的输入端和输出端通过键合金丝(17)与目标半导体微波功率芯片封装外壳的输入端子(15)和输出端子(16)相连接。
4.根据权利要求I所述的一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于上述第4)步具体包括如下操作步骤A、制作PCB微带线，并利用所述微波测试�？椴馐訮CB微带线的微波性能参数4；B、将PCB微带线放置到所述微波测试夹具中形成组合体，利用微波测试�？楹椭绷髌媚？椴馐源俗楹咸宓奈⒉ㄐ阅懿问�5 ；C、将上述B步中的微波性能参数5和A步中的微波性能参数4相比较，得到微波测试夹具的微波性能参数2。
5.根据权利要求4所述的一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于所述PCB微带线的阻抗与陶瓷介质基片微带电路(14)的阻抗相当。
6.根据权利要求I或4所述的一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于所述微波测试夹具包括电路载体(I)、设于电路载体(I)上的测试电路以及实现微波测试夹具与所述直流偏置�？榈缙拥恼ぜ瞬ǖ缏�(5)和漏极滤波电路(6);所述电路载体(I)上设有盛放封装外壳测试�？榈钠骷潭ú�(8)，在所述测试电路上设有与器件固定槽(8 )相对应的缺口。
7.根据权利要求6所述的一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于所述测试电路包括PCB底板(2)和设于PCB底板(2)上的传输线(3)和偏置线(4)，所述栅极滤波电路(5)和漏极滤波电路(6)分别通过偏置线(4)与测试电路相连接，且又通过鳄形夹(7)和导线与所述直流偏置�？橄嗔�。
8.根据权利要求I所述的一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，其特征在于在所述微波测试夹具的两端对称设有同轴转微带同轴接头(10)。
全文摘要
本发明公开了一种半导体微波功率芯片封装外壳性能测试方法，属于半导体芯片封装外壳性能的测试方法领域。本发明制作了陶瓷介质基片微带电路、PCB微带线和微波测试夹具，并利用微波测试�？�、直流偏置�？橛胛⒉ú馐约芯呦嗯浜隙訮CB微带线、陶瓷介质基片微带电路以及目标封装外壳及其组合进行微波性能测试，对测试结果进行处理后得到目标封装外壳的微波性能参数。本发明用简单的方法实现了封装外壳的微波性能测试，降低了封装外壳的制作成本，提高了封装外壳的测试效率，同时为封装外壳特性的表征积累了宝贵数据，为半导体微波功率器件性能的提高提供了可靠保障；且本发明的测试方法模拟了封装外壳的使用环境，提高了测试结果精确度。
文档编号G01R31/26GK102621470SQ201210094978
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者付兴昌, 崔玉兴, 李亮, 李静强, 杨克武, 蔡树军, 马杰, 默江辉 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所