Innovative Verfahren zur Erweiterung der Mess- und Prüftechnik von MMICs

Abstract

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Erweiterung der Mess- und Prüftechnik von MMICs hinsichtlich der Lokalisierung von Design- oder Schaltungsfehlern während der Prototypen-Phase. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Vermeidung von Störeinflüssen (auf das Testobjekt) durch die Messung selbst sowie auf eine Berücksichtigung der Schaltungsstruktur zur bestmöglichen Ortsauflösung in Hinblick auf die Fehler-Lokalisierung gelegt. Ein Hindernis für zeitnahe Entwicklungszyklen im Bereich der Mikrowellen- und Hochfrequenz-Komponenten ist das Fehlen innovativer Hilfsmittel zur umfassenden Analyse neuer Schaltungs-Komponenten auf potenzielle Fehlfunktionen. Bisherige Messtechniken sind entweder kontaktgebunden (an zuvor festgelegte Messpunkte) und damit sowohl wenig flexibel als auch unzuverlässig, da die gesuchten Schaltungsfehler von dem (durch die Messkontaktierung) verursachten Fehlverhalten nicht immer eindeutig zu unterscheiden sind oder erlauben es nur eine Fehlfunktion festzustellen, ohne diese lokalisieren zu können. Die vorgestellte Erweiterung der Messmöglichkeiten bei MMICs erstreckt sich auf eine Ortsauflösung, die im µm-Bereich liegt, auf die Verminderung bzw. Kontrollierbarkeit des Störeinflusses der Messung auf das Testobjekt sowie auf den "Informationsgehalt" der Messdaten, die mittels inverser Feldtransformation einen Rückschluss auf Betrag, Phase und Richtung des Signalflusses zulassen. Zentrale Idee dieses Ansatzes ist die Kombination aus einem nahfeldoptischen Mikrokop (zur Berücksichtigung feiner Oberflächenstrukturen) und elektromagnetischer Nahfeldmesstechnik relativ niedriger Auflösung mit dem Ziel einer hochauflösenden Nahfeldmessung. Die feldtheoretische Verarbeitung der Messdaten zur Bestimmung und "Bildschärfung" der Signalflussverteilung ermöglicht in einem zweiten Schritt eine Lokalisierung von Störstellen. Beginnend mit den Grundlagen im Bereich der elektromagnetischen Feldtheorie soll in Kapitel 2 der Weg, zur Bestimmung einer Signalflussverteilung auf einer Schaltung aus den Feldstärkeverteilungen im Nahfeld dicht über dieser Schaltung unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften, aufgezeigt werden. Die Kenngrößen von Nahfeldsonden werden behandelt, um später die Qualität der realisierten Nahfeldsonden quantifizieren und bewerten zu können. Im Anschluss an diese feldtheoretischen Grundlagen erfolgt eine grundlegende Einführung in die Schaltungstechnik im Bereich der Mikrowellen- und Mikrostreifenleitungs-Technik, um die Alternativen beim Entwurf und bei der Realisierung von Anpassungsverstärkern für die Feldsonden aufzuzeigen. Ein Einblick in die Regelungstechnik zur Beschreibung des Verfahrens zur Nahfeld-optischen Berücksichtigung der Oberfächenstruktur schließt dieses Kapitel ab. Die "erweiterte Messtechnik", die im Mittelpunkt dieser Arbeit steht, wird anschließend in Kapitel 3 konkret an Hand des realiserten Prototyps in ihrem Aufbau, ihren Komponenten und deren Funktionen im Zusammenspiel ausführlich behandelt. Die numerischen Methoden fokusieren sich in Kapitel 4 zum Einen auf die analytisch nicht lösbare Rücktransformation von beliebigen Funktionen aus dem Fourier-Bessel-Oberbereich und zum Anderen auf die inverse Feldtransformation zur Bestimmung einer äquivalenten Signalflussverteilung aus gemessenen (und damit verrauschten) Feldstärkeverteilungs-Messdaten unter Berücksichtigung der Substrat-Parameter. Die Berechnungs- und Realisierungsmöglichkeiten sowie die Ergebnisse der Modellierung und des Aufbaus der Feldsonden bzw. deren Anpassungsverstärker werden in Kapitel 5 beschrieben. Die Entwurf-Kriterien und die Dimensionierung der Mikrowellen-Schaltungen werden ebenso behandelt, wie die Verfahren und Messgrößen zur quantitativen Charakterisierung der Feldsonden mittels Kalibration. Zur Berücksichtigung der Oberflächenstruktur der zu charakterisierenden Schaltungen dienen Verfahren aus dem Bereich der Regelungstechnik und der Nahfeld-Optik. Die Beschreibung eines hier genutzten physikalischen Effektes aus der Nahfeld-Optik steht im Mittelpunkt der Betrachtung von Kapitel 6, wie auch die Konzeption und digitale Realisierung eines Fuzzy-Regelkreises zur Abtastung des Höhenprofils mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors. Die Ergebnisse von Messungen und deren Bewertung sowie die Perspektiven der vorgestellten Messtechnik werden anhand ausgewählter Anwendungen in Kapitel 7 zusammengefasst. Hierbei steht die Vorstellung der erreichbaren Auflösung, Genauigkeit, Dynamik sowie des Störeinflusses auf die untersuchte Schaltung ebenso im Mittelpunkt, wie die Untersuchung einer aktiven integrierten Schaltung. Erstere erfolgt durch den Vergleich zwischen Messung und Berechnung -- basierend auf der Untersuchung einer einfachen passiven Schaltung. Kapitel 8 fasst die Erkenntnisse und Erfahrungen zusammen und schließt diese Arbeit mit einem Ausblick auf mögliche künftige Entwicklungen ab.

This thesis presents an enhancement of the measurement and test techniques for MMICs enabling the localization of design faults or of sources of a circuit’s failure during its prototyping. The circuit’s topography has to be considered in order to achieve the optimum resolution in the localization of a circuit’s failure source. Special care is taken to avoid an interference of the measurement with the device under test. One obstacle for a fast, sustainable and competitive development process in the field of new microwave and radio frequency circuit components and devices is the lack of innovative tools for an overall analysis of these new circuit components as to their potential failure. Present measurement techniques of testing circuits are based on contacting probes (aligned onto predefined contact pads) and cannot be considered as flexible or as reliable due to the interference caused by these contacts. In addition, these techniques tend to state the circuit’s failure only without providing any localization. The measurement technique presented here not only establishes an extension of the resolution to within the µm-range, but also avoids or controls the interference of the measurement on the device under test and extends the 'information content' of the measurement data. The latter, by using an inverse field transform, also enables the determination of the signal flow in magnitude, phase and direction. The introduction in Chapter 1 describes state of the art test techniques with their present limitations and leads to the necessity of innovative ideas. The concept of the enhanced measurement and test technique, which is in the focus of this thesis, is presented together with an application. The basic approach of this idea is a combination of a nearfield optical microscope (to sample the circuit’s topography) and of a microwave nearfield measurement technique with relatively low resolution resulting together in a high resolution nearfield measurement technique. A theoretical field evaluation of the measurement data determines and sharpens the signal flow image to enable in a second step a failure source localization. Starting with the basics of field theory and under consideration of the substrate parameters, Chapter 2 shows the way how to determine the signal flow distribution in a circuit from the measured nearfield distribution close to the circuit. The properties of active nearfield antennas are quantified. An introduction into microwave theory and microstrip technology is given to show alternatives to the design and realization of the matching amplifiers for the active nearfield antennas. A short description of the monitor- and control technique used with the nearfield optical concept for considering the circuit topography close this chapter. The 'enhanced measurement technique' which is in the focus of this thesis is treated in more detail in Chapter 3 by discussing the realized prototype set-up and its components and their functions within their combination. Seperate Chapters (4 to 6) are devoted to topics such as 'numerical evaluation', 'active nearfield antennas' and 'topography sampling'. The numerical methods in Chaper 4 are focused on the fourier-bessel backtransform, which cannot be solved analytically, as well as on the inverse field transform for determination of an equivalent signal flow distribution from measured (and therefore noisy) fieldstrength distributions under consideration of the substrate parameters. The possibilities for the design and realization of the miniaturized nearfield antennas and their matching amplifieres are described in Chapter 5 and results given. The design criteria and the dimensions of these microwave circuits are treated together with the measurement methods and the physical quantities used to characterize the antenna characterictics for calibration. For consideration of the circuit topography methods of control technique and nearfield optics are employed. A description of the nearfield optics physical effect exploited here forms one central part of Chapter 6 as does the digital realization of a fuzzy controller to sample the topography by help of a digital signal processor. Measurement results and their evaluation as well as the future perspectives of the measurement techniques presented are summarized in Chapter 7 with the help of selected applications. The presentation of the resolution, accuracy, dynamic range and the evaluation of the interference on the device under test achieved with the 'enhanced measurement technique' is the in focus as is the investigation of an active integrated circuit. The first is realized by the comparison of measured and calculated results for a simple passive cicrcuit structure. Chapter 8 summarizes the knowledge and experiences gained and concludes with an outlook on possible future developments.