原创 32GHz带宽实时示波器技术揭秘(二)

保证示波器自身信号完整性的核心技术：快膜封装和三维设计

 杜吉伟   安捷伦科技有限公司

        90000 X 系列示波器中共采用了六种不同的磷化铟芯片，下面是其中三个芯片的照片，前置放大器和采样保持芯片带宽是32GHz, 触发芯片的带宽超过22GHz 。

图一  用在90000  X系列示波器上的磷化铟芯片举例

       通常工程师十分重视高带宽实时示波器的指标，包括带宽、采样率、存储深度等，在这些方面，安捷伦90000 X系列示波器，作为新产品已经做到业界最好；最好的指标和最受用户欢迎很多时候是两件不同的事情；苹果iPhone今天的成功，不是因为其内部使用的CPU速度最快，电子元件、液晶面板最好，而是最能迎合用户的实际体验需要；示波器市场和手机市场不同，关键指标如带宽等一定要满足基本需求，90000 X系列示波器选用最快速的半导体材料和工艺，也迎合用户的实际体验需要，高端示波器用户一个体验基本要求是仪器自身够干净、够稳定，这正是90000  X系列示波器追求的，技术上的术语，我们叫做仪器自身信号完整性。

        示波器自身信号完整性体现在两个方面，一是垂直系统，对示波器噪声底贡献最大，另一个是水平系统，对示波器自身固有抖动贡献最大( 实际上，垂直系统的噪声也影响水平抖动)，另外不同的芯片或器件之间的互联和串扰等因素在射频微波段也会影响这两个方面的表现， 90000 X 系列示波器里面有两块采集电路板，每一块采集电路板支持两个通道，该采集电路板上最高速技术含量最高的部分是前置电路，它是一个高速模块，大小是5cmx5cm左右，如图二所示，右手边的模块中含有5个磷化铟芯片，包括两个前置放大器芯片、两个触发芯片、一个采样保持芯片，一个模块支持两个示波器通道，90000 X中共有两个这样的模块。大家看到红颜色圈出来的三个地方，是3维设计的实际例子，最上面是示波器输入信号接入该模块的其实电路，实际上一段具有同轴电缆特性的一段三维传输线，上面黄色是镀金部分，右下角是高速时钟差分线，用类似波导原理设计和屏蔽，当你看到90000  X示波器的固有抖动指标远优异于同行、甚至接近于采样示波器时，与这部分电路的设计息息相关，中间的那个模块是用一金属盖将该模块完全封装，形成类似微波暗室效应，大大提高EMC/EMI方面的性能，四周是BGA焊盘，该快膜三维模块，最后会透过这些BGA点被焊接到PCB上，包括电源信号、控制、时钟和数据信号，左手边的图是该模块的反面，示波器两个输入端由这里接入。

图二  右手边图示90000 X 系列示波器的前置电路模块将5个芯片封装到一起(从左至右，2个前置放大器芯片、2个触发芯片、1个采样保持芯片)，中间图示用一个金属盖将所有电路和芯片完全封装，形成微波暗室效应，左边图是其背面，两个SMP阳性连接头引出，示波器的两个通道信号从这里接入。

       所有的高频信号都在该模块里面处理完成，快膜和晶粒之间用的是键合线 ( wire bond)，快膜封装和三维设计技术的一个固有好处是晶粒是嵌入到腔体设计中的，周围的键合线 ( wire bond)和IC表面平齐，并且靠得很近，使得晶粒和快膜间的高频特性表现优异，再加上衬底上面的地平面设计免除了过孔，过孔电感参数就不存在了，示波器的本底噪声和自身信号完整性领先业界与这点息息相关。

图三   磷化铟前置放大器晶粒嵌入到快膜腔体的特写照片，在芯片上面可以看到一行旁路电容(在它们自己的快膜腔体中)

      散热的处理一直是高速电路设计的一个必须面對的挑战，从技术的角度来看，安捷伦的快膜封装技术可以使用氧化铝基片衬底，也可使用氮化铝基片衬底；最后决定采用氮化铝衬底是因为氮化铝衬底的热传导性更加优异，接近合金的水平，但要采用氮化铝衬底，需要解决厚膜生产的相关材料问题，幸好经过多年的努力和不断尝试，安捷伦做出了对应的材料，对于磷化铟这种功率密度较高，需要很好的散热管理的芯片，是一个里程碑式的突破，每一个磷化铟晶粒直接放到腔体的氮化铝衬底上面，氮化铝的热传导能力有效地保证磷化铟高速高功率芯片的可靠性，与氧化铝衬底相比，可用的工作温度范围提高50多摄氏度！

        由以上分析可见，90000 X 系列示波器的自身信号完整性，很大程度上是由其半导体材料、制程工艺和封装技术保证的，它也使得示波器的整体硬件架构设计变得简单，体现安捷伦的核心能力，下一篇，我们将揭示90000示波器的硬件架构设计。

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