Método de extracción de modelos circuitales de dispositivos encapsulados de microondas

This work is the result of the investigations in the modelling of microwave packaged devices made by our group. A robust and accurate-straightforward electrical small signal modelling technique for radiofrequency and microwave packaged devices, is shown. This method called DICOMPAK is based on previous works made by us [1-2], and can be used for the electrical modelling of two types of packaged devices: ceramic packaged devices and low cost plastic encapsulated devices. The technique employs analytically derived expressions and it is based on analysis of the measured scattering parameters over an adequate frequency range. Very good agreement is shown between measured and simulated scattering parameters for different ceramic and plastic packaged devices from several foundries. I. INTRODUCCION Asi como, paulatinamente la mayoria de los fabricantes de componentes de microondas se han dado cuenta de la importancia de suministrar a sus clientes medidas de parametros de scattering, y/o modelos circuitales de pequena o gran senal de los componentes que comercializan, estos no se han percatado todavia de la importancia de suministrar modelos del empaquetado de los mismos. Por ello, uno de los grandes problemas con que se suele enfrentar el disenador de sistemas de RF y microondas es que, desafortunadamente los fabricantes no suelen proporcionar modelos del encapsulado de ningun tipo (matematicos, electromagneticos o electricos) susceptibles de ser introducidos en el software comercial usualmente utilizado en el diseno de sistemas de comunicacion. Todo ello alarga el proceso de diseno, debido que al no tenerse en cuenta los efectos parasitos del encapsulado los disenos simulados tienden a parecerse “mas bien poco”, aunque se hayan tenido en cuenta el efecto de los hilos de soldadura o “bond-wire” a las medidas del dispositivo realizadas en el laboratorio. Por otro lado, en la ultima decada ha habido un espectacular incremento de dispositivos que utilizan encapsulado plastico, cada vez a frecuencias mas elevadas [1], y por ello existen fabricantes de circuitos monoliticos de microondas (MMICs) y de circuitos integrados de RF (RFICs) que ofertan dispositivos con este tipo de encapsulado de bajo coste como alternativa a los circuitos con encapsulado ceramico. La Fig. 1 muestra la seccion de una capsula plastica hermetica del tipo SOT-23 mostrando sus componentes internos. Brown y Hiller [2] han modelado un tipo similar de capsula para diodos de microondas (red de 1 puerta) hasta 10GHz. Conscientes de todo lo anterior, nuestro grupo de investigacion ha decidido retomar las labores de modelado y metodologia de extraccion automatica de modelos circuitales del empaquetado de los componentes mejorando las anteriores tecnicas desarrolladas [3-4], presentando el trabajo que se muestra a continuacion. Die (MMIC) Hilos de Bonding Encapsulado plastico de bajo coste Contactos para montaje superficial Fig. 1. Corte esquematico de un dispositivo con encapsulado SOT-23. II. MODELOS CIRCUITALES DE CAPSULAS DESARROLLADOS Haciendo uso de la experiencia acumulada dentro del grupo en el modelado de dispositivos MESFET y HEMT encapsulados, se ha mejorado el modelo circuital de 7 elementos para dispositivos bipuerta, presentado con anterioridad [3]. Desarrollando el modelo de 9 elementos presentado en esta comunicacion. En la Fig. 2 (a) y Fig. 2 (b) se muestra el esquema circuital para los modelos de capsula de 9 y 7 elementos propuestos por nuestro grupo, respectivamente. Los 9 componentes que modelan la capsula (ceramica o plastica) del dispositivo de microondas son: RpIN, RpOUT, LpIN, LpOUT, CIN, COUT, CpIN, CpOUT y CpIN-OUT el sufijo p indica dispositivo encapsulado “packaged”. Si el proceso tecnologico del transistor en chip o “die” posee accesos directos a masa denominados “bias holes”, como habitualmente ocurre en las tecnologias basadas en AsGa (no asi en las basadas en el silicio, o aquellas que utilicen tecnologia coplanar), o si dicho proceso posee un plano de masa directamente conectado a la tierra de la capsula, los elementos parasitos CpIN y CpOUT pueden ser despreciados y el modelo de 7 elementos puede utilizarse sin problemas. La presencia de estos 9 elementos parasitos degrada el comportamiento frecuencial de los dispositivos encapsulados en mayor grado que el deterioro de dicho comportamiento sufrido por los dispositivos sin encapsular o “die”. A continuacion se justificara el significado fisico de estos elementos parasitos. La causa de las resistencias parasitas RpIN, y RpOUT debe buscarse en la resistencia ohmica de los hilos de soldadura o XXI Simposium Nacional de la Union Cientifica Internacional de Radio 1648 Libro de Actas URSI2006 “bonding” que unen el dispositivo en chip a los pads de la capsula y a la resistencia introducida por este patillaje metalico. En cuanto al origen de las inducciones parasitas LpIN, y LpOUT, debe buscarse en la inductancia por unidad de longitud presentada por los hilos de bonding que unen el chip con el patillaje de la capsula, por tanto su valor solo depende, en principio, de la longitud de los mismos y de la frecuencia de operacion. Las capacidades parasitas CIN, y COUT se deben al condensador plano paralelo formado entre la superficie y el plano de masa del chip. Las capacidades parasitas CpIN, y CpOUT se deben al condensador plano paralelo formado entre la propia capsula y el substrato del chip. Por ello, los valores de dichas capacidades solo dependen del tipo de capsula utilizada como continente del dispositivo. Analogamente, la capacidad CIN-OUT, se debe al efecto capacitivo existente entre los contactos de entrada y de salida del chip a traves del plano de masa de la capsula. Fig. 2. (a) Modelo de capsula aproximado (7 elementos). (b) Modelo de capsula completo (9 elementos). III. EXTRACCION DIRECTA DE LOS ELEMENTOS PARASITOS: EL NUEVO METODO DICOMPAK El nuevo metodo desarrollado en nuestro laboratorio denominado DICOMPAK ha sido usado para extraer los elementos parasitos de los encapsulados plasticos y ceramicos estudiados en este trabajo. Este metodo habia sido probado con anterioridad en la version de 7 elementos en diferentes dispositivos GaAs MESFET y P-HEMT con encapsulado ceramico con excelentes resultados [4-5]. Ahora la tecnica ha sido generalizada a diferentes tipos de dispositivos MMIC y de redes de dos puertas, tanto con encapsulado plastico como con capsula ceramica. El algoritmo basico de este metodo ha sido fruto de anteriores trabajos [3-4], por ello se focalizara la atencion sobre las novedades implementadas al mismo, en sus dos vertientes DICOMPAK-I y DICOMPAK-II. A. Metodo DICOMPAK-I La tecnica DICOMPAK-I, consiste basicamente en comparar la matriz de parametros de scattering del dispositivo sin encapsular o “die” con la del dispositivo encapsulado, y obtener ecuacionalmente [3] los valores de los valores de los elementos parasitos para el modelo de 7 elementos. En el caso del modelo de 9 elementos se dispone de un sistema lineal de 9 incognitas con 8 ecuaciones, con lo cual se necesita de un proceso de optimizacion, para extraer los nueve elementos. Para ello se ha utilizado MATLAB junto con el algoritmo de Levemberg-Marquard en lugar del algoritmo secuencial cuadratico (Sequential Quadratic Algorithm) utilizado en [4]. Durante todo el proceso de caracterizacion se supone que el “die” o chip de ambos dispositivos es identico. Por otro lado se hace uso de la hipotesis de que los elementos parasitos propios de la capsula no varian con el punto de polarizacion, puesto que usualmente se suele efectuar una extraccion de los elementos parasitos de la capsula a dos o tres puntos de polarizacion, para comprobar la fiabilidad de los valores obtenidos. B. Metodo DICOMPAK-II En el caso de la tecnica DICOMPAK-II, se desconoce el valor de la matriz de Scattering del dispositivo sin encapsular, y se supone que todos los elementos parasitos son nulos en la primera iteracion. Mediante un proceso de optimizacion basado en el algoritmo de LevembergMarquard (en vez del gradiente conjugado utilizado anteriormente en [3]) se determinan los valores de los elementos parasitos de la capsula, el proceso se repite a tres puntos de polarizacion diferentes para determinar de una forma univoca el valor de los mismos. IV. RESULTADOS Y VALIDACION DE LA TECNICA DE EXTRACCION Para validar el modelo de capsula desarrollado se han comparado los parametros de Scattering del dispositivo encapsulado con los del dispositivo sin encapsular mas la capsula, obteniendose excelentes resultados para diversos dispositivos a diferentes puntos de polarizacion hasta frecuencias de 26.5 GHz. A. Validacion para un dispositivo PHEMT CFY77-08 En la Fig. 3 se muestra una comparativa de los parametros de scattering medidos, y modelados segun el modelo de 7 y 9 elementos para el transistor PHEMT CFY77-08 del fabricante Infineon (anteriormente SIEMENS) polarizado en el punto Vds= 2 V, Id= 15mA. Resistances ( ) Inductances (nH) Capacitances (pF) RpIn=3.50 LpIn=0.610 CIn=0.125 RpOut=5.50 LpOut=5.45 COut=0.119 --------------------Cpin=0.115 --------------------CpOut=0.132 --------------------CIn-Out=0.0075 Tabla 1. Resultados de la tecnica DICOMPAK-I con modelo de capsula de 9 elementos para el transistor P-HEMT CFY77-08 de INFINEON Tierra C RpOut LpOut RpIn LpIn C C In Out Dispositivo en Chip In-Out