הקדמה:

מעגלים היברידיים לגלי מיקרו בנויים, בדרך כלל, משילוב של כמה שבבים בדידים, מחוברים באמצעות חוטים (wire bonding). מתכנני המעגלים ניצבים בפני המשימה הכרוכה בחיזוי הביצועים של התקנים היברידיים, אשר תלויים במספר מסוים של אתגרים.

רוב שבבי MMIC לת”ר (RF) ולגלי מיקרו בנויים עם רפידות חיבור (bonding pads) מסוג    “הארקה–אות–הארקה” בכל נקודות חיבורי ה-RF, על מנת שיתאימו לחיבורים של גשש (probe) השבב, ויאפשרו הפקה של פרמטרי S. אך עם זאת, בשבבים מסוימים, רפידות ההארקה מבוטלות, בדרך כלל על מנת להקטין את גודל השבב. במקרים כאלה, החיבור של גשוש השבב אינו אפשרי, מדידה מדויקת של ביצועי השבב הופכת להיות יקרה וגוזלת זמן.

בנוסף, בלי קשר לתצורה רפידות החיבור, המתכננים חייבים ליצור מודל של השפעות השבבים ושל חיבורי החוטים המחברים ביניהם. מדידה דרך גשש השבב, באותם מקרים שבהם אפשר לבצע מדידה כזו, לא מאפשרת ללכוד את השפעות חיבורי החוטים.

שיטה לבדיקת שבבים אשר (1) באמצעותה אפשר יהיה לקחת בחשבון את השפעות חיבורי החוטים ו- (2) תאפשר ביצוע קל של מדידות בשבב ללא רפידות בתצורה של “הארקה–אות–הארקה”, יכולה להיות שימושית ביותר עבור מתכנני מעגלים היברידיים. מאמר זה מציג שיטה לאפיון ביצועי שבבים באמצעות שבב מנחת/ Thru–Line (KAT–0–DG+) של Mini-Circuits, הזמין באופן מסחרי, אשר עונה באופן יעיל על שני נושאים אלו.

תצורות של רפידות חיבור בשבבים

תכנוני שבבים מתחלקים בדרך כלל לשתי קטגוריות:

• שבבים עם רפידות הארקה–אות–הארקה בחיבורי ה-RF
• שבבים ללא רפידות הארקה–אות–הארקה בחיבורי ה-RF

שבבים עם רפידות הארקה–אות–הארקה בחיבורי ת”רה-RF

איור 1 מציג את מערך רפידות החבור של שבב MMIC מפצל דו-דרכי עם 0º (דגם EPKA–DG+ של Mini-Circuits), עם שלושה חיבורי RF. הרפידות המסומנות ב- 1, 2 ו- 3 הן חיבורי RF והרפידות שאינן מסומנות וסמוכות לכל אחת מרפידות ה-RF, הן רפידות הארקה. שבבים עם חיבורי ה-RF בתצורה כזו מתאימים לחיבור אל גששי השבב לצורך ביצוע מדידות והפקה של פרמטרי S.

איור 1: שבב עם רפידת הארקה–אות–הארקה

שבבים ללא רפידות הארקה–אות–הארקה בחיבורי ה-RF

איור 2 מציג את מערך רפידות החיבור של שבב המגבר PHA–1H–DG+ של Mini-Circuits. יש לשים לב שלחיבורי ה-RF בדגם זה אין רפידות בתצורת הארקה–אות–הארקה, ולכן, מדידה ישירה של ביצועי השבב דרך גשש השבב אינה אפשרית.

איור 2: שבב ללא רפידות הארקה–אות–הארקה

הדרך המשמשת לאפיון שבב ללא רפידות הארקה–אות–הארקה בתעשייה, היא הדרך שבה משתמשים במנשא מתכתי יציב ובמעגל מודפס (איור 3). המעגל המודפס מתוכנן באופן מיוחד עם פתח, שבתוכו מציבים את השבב. אפשר להוסיף מחברים בקצוות של קווי התמסורת, או אם מבנה המעגל המודפס נמצא במישור אחד, אפשר להוסיף חיבורי הארקה–אות–הארקה כדי להתחבר לבדיקה בקצוות קווי התמסורת. עם זאת, לשיטה זו נדרשים תכנון וייצור של מעגל מודפס, בהתאמה אישית, והלחמה של מנשא השבב אל המעגל המודפס, ושני התהליכים האלה יקרים וצורכים זמן.

איור 3: שבב מורכב על מנשא מתכתי. מעגל מודפס בהתאמה אישית מאפשר חיבור כניסות ויציאות.

בדיקת שבבים עם שבב מנחת (Thru–Line) של 0 dB
לרוחב פס נרחב ביותר

KAT–0–DG+ של Mini-Circuits הוא שבב מנחת/ Thru–Line של 0 dB לרוחב הפס הרחב ביותר הקיים במלאי. שבב זה הוא חלק ממשפחת שבבי המנחת KAT המוגדרת לפעולה ממתח ישר
(DC) עד 43.5 ג’יגה הרץ. מידות השבב הן 0.7 x 0.75 מ”מ בלבד ויש לו רפידות הארקה–אות–הארקה לחיבורי כניסות ויציאות RF (איור 4). הרפידות 2 ו- 5 הן רפידות RF–IN ו- RF–OUT בהתאמה. הרפידות 1, 3, 4 ו- 6 הן רפידות הארקה.

איור 4: השבב KAT-0-DG+

KAT–0–DG+ מספק הפסדי מעבר נמוכים ביותר עם שטיחות (flatness) מצוינת בתלות התדר. היג”ע (VSWR) שלו הוא 1.2:1 עד 32 ג’יגה הרץ ו- 1.37:1 עד 40 ג’גה הרץ.

הביצועים האופייניים של דגם זה בהפסדי המעבר וביג”ע מוצגים באיור 5. ביצועים אלו הופכים את KAT–0–DG+ למתאים לשימוש עבור אפיון שבבים.

תצורה של רפידות הארקה–אות–הארקה של השבב הופכת אותו לשימושי גם כאמצעי למדידת השפעות חיבורי החוטים (wire bonding) על הביצועים וכאמצעי להתחברות פשוטה לשבבים שאינם בעלי הארקה–אות–הארקה. יתרונות אלו יבוארו במקרים הבאים.

איור 5: הפסדי מעבר ויג”ע (VSWR) של שבב thru–line
דגם KAT–0–DG+

מדידות עם גשש שבב, של יחידה נבדקת (DUT) עם רפידות הארקה–אות–הארקה, באמצעות  KAT–0–DG+

נניח, למען הדוגמה, שאנו מעונינים לאפיין את הביצועים של פרמטרי S של שבב המפצל הדו-דרכי המוצג באיור 1. באיור 6 מוצג מערך עם שבב KAT–0–DG+ כשהוא מחובר בחוטים לכל אחד מבין שלושת חיבורי ה-RF של היחידה הנבדקת. גששי השבב מחוברים לחיבורים האחרים של השבב KAT–0–DG+. כל השבבים המופיעים באיור מותקנים על לוחית מתכת עם אפוקסי מוליך. מאחר ששבבי ה-KAT פועלים כשבבי Thru–Line עם השפעה מזערית על הביצועים, תצורה זו מאפשרת אפיון מדויק של היחידה הנבדקת, לרבות ההשפעות של חיבורי החוטים שהיו יכולות להיות חסרות באפיון, אם היו בודקים את היחידה הנבדקת באופן ישיר.

איור 6: שבב מפצל דו-דרכי (EP-2KA-DG+) עם שבב KAT-0-DG+ שהוספו בחיבורי ה-RF,
מאפשרים אפיון כולל ההשפעות של חיבורי החוטים.

מדידות עם גשש שבב של יחידה נבדקת ללא רפידות            הארקה–אות–הארקה באמצעות KAT-0-DG+

ביחידות הנבדקות ללא רפידות מסוג הארקה–אות–הארקה, חלק מחוטי ההארקה או כולם מוסרים בתלות תכנון השבב ושאר התהליך זהה לזה המתואר לעיל. שבב המגבר  מאיור 2 (PHA-1-D+) מופיע באיור 7 עם שבבי KAT-0-DG+ המחוברים בחוטים לחיבורי RF–IN ו- RF–OUT של המגבר. כאן, התוספת של שבבי thru-line כוללת את ההשפעות של חיבורי החוטים על ביצועי היחידה הנבדקת, וכן מתפקדת בעיקרו של דבר כמתאם בין התצורה של רפידות היחידה הנבדקת לבין התצורה של החיבור מסוג הארקה-אות-הארקה של גשוש השבב. כך התבטל הצורך בתכנון וייצור של מעגל מודפס בהתאמה אישית, ונחסכים זמן ועלות במידה משמעותית.

איור 7: שבב מגבר (PHA-1-D+) עם KAT-0-DG+ המחוברים
ל- RF–IN ו- RF–OUT של המגבר, כך שמתאפשר אפיון לרבות
השפעות של חיבורי החוטים ומדידה פשוטה דרך גשש שבב.

מסקנות:

שיטות מסורתיות לאפיון שבבים מציבות אתגרים הכרוכים בהתחשבות בהשפעות של חיבורי חוטים על הביצועים ושל מדידות שבבים בתצורה ללא רפידות הארקה–אות–הארקה בחיבורי ה-RF. מתכנני מעגלים היברידיים יכולים להשתמש בשבב thru-line KAT-0-DG+ של Mini-Circuits הזמין באופן מסחרי, כפי שמוצג במאמר זה לצורך אפיון שבבים, לרבות ההשפעות של חיבורי חוטים ולצורך פישוט של מדידות של שבבים ללא רפידות הארקה–אות–הארקה.