在片微波测量与去嵌技术：理论与实践结合

一、引言：实验与测量的意义

著名物理学家普朗克曾说：“实验是科学向自然提出的问题，测量是记录自然的回答。” 在射频与微波领域，这句话有着直接的体现。微波测量的本质，是在高频交流信号下，准确捕捉器件或电路的电气性能。

在现代通信和电子产业中，特别是 5G、汽车雷达、多Gbps SoC 等应用场景，对高频器件的建模与验证精度要求极高。这就引出了在片微波测量与去嵌技术的核心价值：不仅要测量，还要从复杂的寄生效应中分离出器件的真实特性。

二、测量设备与网络分析仪基础

在片测量的核心设备是矢量网络分析仪（VNA），它能够捕捉小信号下的网络参数（S 参数），从而描述反射和传输特性。

VNA 的特点：

• 双端口测量：常用于无源器件（如电感、电容、传输线）的刻画；

• 参考平面与校准：通过校准，将测量“零点”准确移动到器件端口；

• 误差模型：对系统误差进行建模与修正。

常见校准方法包括：

• SOLT（开短负载直通）：应用最广；

• TRL（直通反射传输线）：高频段更准确；

• LRRM（线-反射-反射-匹配）：适合复杂场景。

校准的精度直接决定了后续测量的可靠性。

三、硅片无源器件与 BEOL 特性

现代 CMOS 工艺的 后端金属互连（BEOL） 是构建片上无源器件的核心区域。

• 片上电感：频率高时 Q 值衰减明显，需要优化结构。

• 片上电容：存在不可忽略的寄生电阻和寄生电感。

• 传输线：分布参数必须通过精确测量与建模获取。

这些器件在高频下表现复杂，仅依靠“原始数据”不足以刻画，需要进一步处理。

四、去嵌技术：消除寄生效应

在片测量中，器件端口通常包含探针接触焊盘、走线等寄生结构，这些会严重扭曲测量结果。去嵌（De-embedding） 的目的，就是从“原始器件”中分离出“净化后的真实器件”。

常见方法包括：

• 开短去嵌：简便，但高频段精度受限；

• 开短直通去嵌：适合毫米波频段；

• L-2L 方法：基于分布式传输线理论，在 40GHz 以上表现突出。

通过去嵌，设计者可以获得与真实器件接近的性能数据，用于后续建模与电路设计。

五、实测案例与工程应用

书中基于 28nm 与 40nm CMOS 工艺，对片上电感、电容和传输线进行了实际制备与测量：

• 电感：不同去嵌方法下，提取的 Q 值与频率特性差异明显；

• 电容：对比开短法与直通法，展示了不同算法的优劣；

• 传输线：通过 L-2L 方法，得到更接近电磁仿真的结果。

这些案例验证了去嵌方法的实用性，并强调了“实验+仿真”结合的重要性。

六、行业与市场趋势

在片微波测量和去嵌技术不仅是学术研究的内容，更是半导体产业链的关键环节。

• 5G/6G 通信：射频前端芯片需要高精度建模，才能满足高频传输要求。

• 汽车雷达：毫米波雷达芯片在可靠性和一致性上高度依赖准确的去嵌测试。

• 高速 SoC：在数十 GHz 的互连与封装中，寄生效应必须得到有效控制。

未来，随着毫米波和太赫兹器件的广泛应用，可靠的在片测量和去嵌技术将成为晶圆厂和设计公司的核心竞争力。

七、结语：连接理论与实践的桥梁

《On-Wafer Microwave Measurements and De-embedding》不仅提供了理论基础，还给出了面向实际工程的指南。从设备原理到算法应用，从实验案例到最佳实践，它帮助工程师在复杂的高频测试中获得可靠数据。

行业专家认为，随着射频与微波技术不断深入到通信、汽车、安防和计算等领域，掌握在片测量与去嵌方法，将是工程师走向未来智能硬件设计的必修课。

一、导言：晶圆级毫米波测量的重要性与挑战

随着5G通信、汽车雷达、毫米波成像等高频应用的迅速发展，芯片内部高速信号的准确测量成为设计与验证的核心任务。特别是在28nm、40nm先进工艺制程中，集成无源器件如电感、电容、传输线等的高频性能直接关系到整个射频集成电路（RFIC）的表现。

“晶圆级（On-Wafer）测量”即直接在硅晶圆表面对器件进行表征，是保证器件性能与设计模型一致性的重要环节。然而，毫米波频段的测量不仅设备要求严苛，误差源众多，而且测量数据本身也夹杂着探针、焊盘等寄生效应，必须采取科学的去嵌（De-embedding）技术，剥离非器件本身影响，才能获得真实数据。

行业专家认为，系统掌握晶圆级毫米波测量及去嵌技术，对加速我国射频芯片自主研发和提升产品竞争力具有战略意义。

二、测量设备基础与网络分析仪校准原理

毫米波测量的核心仪器是向量网络分析仪（VNA）。本书详细讲解VNA的内部架构、工作原理以及误差模型。VNA主要用于捕获器件两端的S参数—即反映器件反射和传输特性的矩阵参数。

校准是确保测量准确的关键步骤，其目的是消除仪器本身和测试环境引入的误差，通常采用标称已知参数的校准标准件，如开路（OPEN）、短路（SHORT）、负载（LOAD）、透射线（THRU）。书中特别介绍了多种重要算法：

• SOLT（Short-Open-Load-Thru）
• TRL（Thru-Reflect-Line）
• LRRM（Line-Reflect-Reflect-Match）

并结合实际晶圆测试数据，展示了这些校准方法的流程和优缺点。

竞技场上，较为先进的TRL和LRRM算法在毫米波领域表现出更高的校准精度和稳定性，成为工业界的标准技术。

三、集成无源器件设计与工艺背景

针对集成电感、电容和传输线的物理结构及电气参数进行了深入探讨，特别聚焦CMOS工艺的后端多层金属堆叠（BEOL）结构。行业专家指出：

• 金属层厚度、间距和介电层特性，直接决定器件的寄生参数和有用信号传输效率。
• 精心设计的器件形状与布局不仅促进测试便利，也为后续基于测量的模型提取奠定基础。

高质量的设计辅助成功的高频表征，是技术流程中不可分割的环节。

四、去嵌技术：获取真实器件参数的核心方法

测量得到的“裸器件”（RAW device）数据往往包含探针、引线、焊盘的寄生影响，这些非理想因素会掩盖器件的真实特性。

**去嵌技术（De-embedding）**通过构建校准标准的等效电路模型，利用多组测试数据剥除寄生参数，得到纯净的器件响应。

本书系统介绍了多种常见的去嵌算法：

• OPEN-SHORT
• THRU Only
• OPEN-SHORT-THRU
• L-2L 法（基于分布式传输线理论）

通过与电磁仿真数据对比，验证各方法优劣及适用场景，强调选择恰当去嵌方法对测试精度至关重要。

五、实际案例：28nm及40nm CMOS无源器件测量与分析

结合尖端工艺流程下制造的实物样品，行业专家详细展现了电感、电容和传输线的设计、测试及去嵌过程：

• 采用多种校准算法进行数据处理，对比不同去嵌方案对测量结果的影响。
• 通过反复实验，强调标准件的设计规范和测试环境对结果稳定性的作用。
• 实际测量数据揭示先进CMOS无源器件在毫米波频率下的性能，助力模型优化和工艺改进。

这些实战内容为从业人员提供了宝贵的技术指导。

六、高频测量成功指南与常见误区

最后总结了有效进行晶圆级毫米波测量的“秘诀”：

• 充分理解被测器件物理特性，制定合理测试方案；
• 避免探针接触不良、环境电磁噪声等问题，保证数据的准确性和可重复性；
• 熟练掌握校准、去嵌及数据处理，提升测量质量；
• 结合仿真与实测数据，实现设计与制造的闭环优化。

行业专家建议新手工程师重视这些实践准则，做好技术积累。

七、总结与市场展望

本书将理论基础和工业实操完美结合，系统介绍了毫米波频段晶圆级测量及数据处理全流程。随着我国芯片设计和制造能力的快速提升，高频射频集成电路的性能严重依赖精准表征和建模。

未来，随着5G/6G通信、智能汽车雷达、卫星通信等应用激增，测量技术和标准将持续升级。更高精度、更自动化的晶圆测量和去嵌技术，将成为推动射频芯片设计创新和市场竞争力提升的关键。

行业专家认为，掌握该领域核心技术的工程师，将在未来无线通讯和高频电子产业中占据领先地位。

通过本书的深入学习，读者不仅能够系统理解毫米波晶圆级测量的理论，还可以掌握一线工程师的实战技巧，为我国高性能射频芯片的研发和产业化发挥推动作用。