hfss關(guān)于探針：淺談射頻測試探針的發(fā)展

圖2(a)共面探針的頂視圖和側(cè)視圖

(b)經(jīng)過修正的各種在片阻抗標(biāo)準(zhǔn)件的一端口測量

在80年代初,Tektronix公司推出了最早的射頻圓晶片探針模型TMP9600和藍(lán)寶石校準(zhǔn)基片CAL96(圖3)。探針的主要開發(fā)者Eric Strid和Reed Gleason于1983年創(chuàng)辦了Cascade Microtech公司并推出了WPH探針。這兩個公司曾經(jīng)在若干年間提供著非常類似的射頻探針,一直到Tektronix公司于90年代初最終退出了圓晶片探針這個業(yè)務(wù)。在這樣的機(jī)會下,CascadeMicrotech憑借著與Hewlett Packard公司之間的良好關(guān)系,便成為工業(yè)界射頻探針最主要的供應(yīng)商。

圖3 (a)第一個商用的藍(lán)寶石校準(zhǔn)基片CAL96;

(b)來自Tektronix公司的射頻圓晶探針TMP9600;

(c)來自Cascade Microtech公司的WPH探針。

WPH探針的頻率在很短的時間內(nèi)就擴(kuò)大到26GHz,并且在1987年達(dá)到了50GHz,以滿足迅速開發(fā)的單片微波集成電路(MMIC)的需要。V-波段和W-波段探針分別于1991年和1993年出現(xiàn)。1988年,Cascade推出了用于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用的26.5GHz系列極尖可替換的探針(RTP)?，F(xiàn)在,人們無需從測試臺上將探針主體移動便可以迅速更換陶瓷極尖。WPH探針對80年代和90年代微波技術(shù)開發(fā)做出了貢獻(xiàn),但存在若干個技術(shù)上的局限。最關(guān)鍵的局限在于脆弱的陶瓷CPW線。即使施加高于建議值的一個最小的力(例如,為了達(dá)到更好的接觸)都會損壞探針。許多工程師將這個時刻稱為“死亡之聲”。陶瓷探針破裂的聲音通常還會將整個項(xiàng)目推向窮途末路,因?yàn)閷τ诖髮W(xué)和小的研究室來說探針是非常昂貴的。雖然引入了RTP系列,但陶瓷探針還是被別的技術(shù)擠出了市場。

當(dāng)GGB工業(yè)公司為基于微同軸電纜的射頻探針申請專利時,1988年便成為另一個里程碑。采用微同軸電纜作為中間過渡媒質(zhì)具有下列這些好處:

1) 機(jī)械方面的顯著改善延長了探針的壽命。

2) 被損壞的探針可以通過一種相對較為容易且并不昂貴的方式而重新敲打出來。

3) 電器特性得到了改善。

4) 簡化制造工藝。

5) 降低成本。

在1993年,GGB公司在IEEE理論和技術(shù)協(xié)會的國際微波年會上(IMS)介紹了W-波段探針。在1999年,它們的探針達(dá)到了220GHz,在2006年又進(jìn)一步擴(kuò)展到325GHz,在2012年又達(dá)到了500GHz。加上與供應(yīng)商的密切合作,如Karl Suss(后來的SUSS MicroTech),GGB工業(yè)公司成為全世界射頻市場上最有影響力的公司之一。

同時期,Cascade公司在1994年的第43屆春季ARFTG會議上展示了新型的40-GHz空氣-共面探針(ACP)(圖5)。幾年之內(nèi),ACP探針迅速達(dá)到了110GHz(1-mm連接器模型)和140GHz(基于波導(dǎo)模型),代替了WPH生產(chǎn)線。到目前為止,由于ACP的柔軟及無損式接觸,許多工程師喜歡將ACP用于探測金壓點(diǎn)。

圖7 Cascade Microtech 公司的Infinity 探針

在2000年,Rosenberger公司強(qiáng)勢推出了一個用于PCB應(yīng)用、具有明顯超過傳統(tǒng)技術(shù)的射頻探針的新概念,將探針的幾何尺寸縮小到圓晶片層次所要求的水平,并于2001年推出了新的射頻圓晶探針∣Z∣-探針。∣Z∣-探針可以覆蓋40GHz范圍并且實(shí)現(xiàn)了若干種創(chuàng)新思想。

1) 這個探針沒有使用微同軸電纜。實(shí)現(xiàn)了從同軸連接到空氣絕緣共面接觸線的直接過渡。

2) 這個過渡是在探針體內(nèi)制作的,這便允許對過渡點(diǎn)進(jìn)行一個準(zhǔn)確的優(yōu)化,從而將可能的不連續(xù)性減到最小。

3) 共面接觸是采用一個紫外光刻和電鍍工藝(UV-LIGA)制作的,這個工藝與制作MEMS 產(chǎn)品的工藝類似。其極高的精度和可重復(fù)性可以形成CPW線和一個恒定的空氣氣隙非常準(zhǔn)確的形狀。

在90年代中期,硅被大量應(yīng)用于射頻領(lǐng)域。這給射頻探針的制作帶來一些挑戰(zhàn)。從傳統(tǒng)上講,射頻探針的接觸是用鈹(beryllium)-銅(BeCu)制作的。在探測硅器件和電路的鋁接觸壓點(diǎn)時,這種材料就會變得很麻煩。BeCu極尖的迅速氧化和臟物的累積會導(dǎo)致對鋁接觸壓點(diǎn)的接觸重復(fù)性的極大降低。為了解決這個問題,供應(yīng)商提供了帶有鎢(W)極尖的射頻探針。操作多用途測量裝置的測試工程師們在每次改變DUT類型(硅或III-V族復(fù)合物半導(dǎo)體)時,都被迫要更換探針,即使測試的頻率范圍保持不變。∣Z∣-探針也致力于解決這種不便之處。共面接觸是由鎳(Ni)來制作的,在與鋁和金的接觸壓點(diǎn)上均展示出最佳的接觸性能。隨后,其它射頻探針的供應(yīng)商也開始提供用Ni或Ni合金來制作極尖的多用途探針。

隨著對MOS和BICMOS器件的射頻特性及縮小DUT接觸點(diǎn)尺寸不斷增長的需求, CascadeMicrotech公司在2002年的第59屆春季自動射頻技術(shù)組織(Automatic RF Techniques Group-ARFTG)微波測量大會上介紹了基于薄膜技術(shù)的新的圓晶探針。這個方法是基于Cascade公司的Pyramid Probe Card 技術(shù)。在一個柔軟的聚酰亞胺薄膜基片上的微帶線從同軸線通過非氧化稀有金屬探針極尖向DUT傳輸信號。Ni探針極尖的接觸面積大約為12μm x12 μm,從而可以探測極小的接觸壓點(diǎn)。這個新型的Infinity 探針展示了卓越的接觸的一致性和探針-到-探針的很低的串?dāng)_。

Cascade公司提供了工作在110GHz一下不同規(guī)格的Infinity探針。用于220和325GHz 測量的基于波導(dǎo)的探針是分別于2005和2007年推出的。在Cascade于2009年后期開始提供用于500GHz-波段的Infinity探針。

在2009-2011年間,兩個新成員進(jìn)入了成熟的探針市場:帶有微機(jī)械加工的探針DMPI 瞄準(zhǔn)的是新興的亞太赫茲(sub-THz)市場。來自臺灣的Allstron公司為110GHz以下的應(yīng)用提供了并不昂貴的探針,其中,測試成本的降低是最主要的要求。來自于Allstron公司的探針是一種基于微同軸電纜的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。接觸結(jié)構(gòu)是空氣絕緣的CPW線。它類似于ACP,但是極尖被做成一定的形狀來探測具有很小鈍化窗口(passivation windows)的鋁壓點(diǎn)。

現(xiàn)代對于射頻圓晶探針的設(shè)計(jì)將測試信號從一個三維媒質(zhì)(同軸電纜或矩形波導(dǎo))轉(zhuǎn)換到兩維(共面)探針的接觸上。這種操作需要對傳輸媒質(zhì)的特性阻抗Z0進(jìn)行仔細(xì)的處理,并且要在不同傳播模式之間進(jìn)行電磁能量的正確轉(zhuǎn)換。雖然晶片探針的輸入是一個標(biāo)準(zhǔn)化同軸或波導(dǎo)界面,但它的輸出(探針極尖)則可以實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)概念。這些界面,特別是探針極尖,會將不連續(xù)性帶入到測量信號路徑中。這種不連續(xù)性本身會產(chǎn)生高階傳播模。因此,圓晶探針和DUT激勵必須只能支持單個準(zhǔn)-TEM傳播模式并且要排除高階?；蛘邔Ω唠A模展現(xiàn)出更高的阻抗。

EM場分布圖的轉(zhuǎn)換是由處于單個探針組裝內(nèi)的若干個射頻過渡措施來維持的。一個傳統(tǒng)的射頻探針是由下列幾個部分組成的:

1) 測試儀的界面(同軸或波導(dǎo))

2) 從測試界面到微同軸電纜的過渡

3) 從微同軸電纜到一個平面波導(dǎo)的過渡,如CPW或微帶線

4) 面向晶片上DUT的共面界面(或者極尖)

若干種探針或者將3)和4)組合在一起,或者不使用微同軸電纜(圖9)。一個同軸連接器是低于65GHz的射頻探針常用的測試系統(tǒng)界面。同軸和波導(dǎo)這兩種連接方案均是50 到110GHz頻率范圍內(nèi)可能的界面。在單次掃描中,覆蓋了從直流到110GHz的寬帶測試系統(tǒng)利用了最小尺寸(1mm)的同軸連接器。不同尺寸的矩形波導(dǎo)是與110GHz以上的測量系統(tǒng)對接的。

圖9 (a)基于一個微同軸電纜的射頻探

(b)波導(dǎo)界面

(c)從同軸到共面線的直接過渡

一個探針技術(shù)的自然壽命大約是12年。有兩個主要因素推動著探針技術(shù)的發(fā)展:

1) 改善高端應(yīng)用中的測量精度

2) 降低主流應(yīng)用的測試成本。

除了主流(Allstron公司)和高端應(yīng)用(DMPI公司)的新的探針供應(yīng)商以外,一些射頻微波行業(yè)的中小型服務(wù)商也在提供用于低頻及寬頻領(lǐng)域的的產(chǎn)品。

FindRF

http://www.findrf.com/shop/hhzl/tztz.html

提供的MP系列同軸探針,滿足DC-20GHz的測量需求,特性如下:

1.DC-20GHz 帶寬

2.超低的插入及回波損耗

3.GSG、GS 配置(0.8/1.5/2.5mm 間距范圍)

優(yōu)勢:

1. 容易探測測試沒有任何焊接過的電路板信號

2. 兼容 pogo 大頭針允許探索non-planar 結(jié)構(gòu)

3. 探針的使用壽命更加長久

4. 較少測試時間

應(yīng)用于:

1)射頻和微波模塊信號插入,檢測和測量輸出;

2)高頻電路板電氣性能分析;

3)高速數(shù)字電路分析

內(nèi)容編輯整理自:IEEE雜志2013