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浅谈射频探针的成长_探针_射频

雨夜梧桐 2024-11-29 22:18:21 0

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在仅仅三十年的韶光里,射频探针技能便取得了惊人的进步,从低频丈量到适用多种运用处所的商用方案:如在110GHz高频和高温环境进行阻抗匹配,多端口,差分和稠浊旗子暗记的丈量装置,连续波模式中直到60W的高功率丈量,以及直到750GHz的太赫兹运用,都能见到射频探针的身影。

人们最早采取射频探针技能与本日的工具是很不相同的,早期探针利用了由一个很短的线极尖(wire tip)而逐渐收敛的50-Ω微带线,通过探针基片上一个小孔而与被测器件(DUT)的压点(pad)相打仗。
此时,其技能难度在于如何打破4GHz时实现可重复丈量。
虽然有可能通过校准过程来剔除一个打仗线极尖相对较大的串联电感的影响,但当圆晶片的夹具被移动时,线极尖的辐射阻抗会有较大的变革。
高频丈量利用的极尖设计与用于直流和低频丈量的极尖不同,而且必须使50-Ω环境尽可能地靠近于DUT压点。

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之后工程师在探针技能上取得了打破。
确定了射频探针的基本哀求和事情事理:

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(图片来自网络侵删)

1) 探针的50-Ω平面传输线应该直接与DUT压点相打仗而不用打仗导线。
对付微带线和随后的共面探针设计,探针的打仗是用小的金属球来实现的,这个金属球要足够大以担保可靠且可重复性的打仗。

2) 为了能同时打仗到DUT的旗子暗记压点和接地压点,须要将探针倾斜。
这个过程被称为“探针的平面化”。

3) 探针的打仗重复性比同轴连接器的可重复性要好得多。
便于进行探针极尖和在片标准及专用校准方法的开拓。

4)具有很高重复性的打仗可以进行探针的准确校准并将丈量参考平面移向其极尖处。
来自探针线和到同轴连接器的过渡所产生的探针的损耗及反射是通过由射频电缆和连接器的偏差相类似的办法而抵消的。

5) 由于其很小的几何尺寸,人们可以假设平面标准件的等效模型纯粹是集总式的。
此外,人们可以从标准件的几何尺寸来很随意马虎地预测模型参数。

随着探针的设计从微带线变换到共面波导(CPW),探针的制造就变得很随意马虎了(图1)。
Tektronix公司终极将探针从“自己动手”的工具转换为逐渐形成的射频半导体工业的一种真正的产品(图2)。
这预示着圆晶片层次射频丈量时期的开始。

图1 基于陶瓷共面线的晶片探针设计

图2(a)共面探针的顶视图和侧视图(b)经由改动的各种在片阻抗标准件的一端口丈量

在80年代初,Tektronix公司推出了最早的射频圆晶片探针模型TMP9600和蓝宝石校准基片CAL96(图3)。
探针的紧张开拓者Eric Strid和Reed Gleason于1983年创办了Cascade Microtech公司并推出了WPH探针。
这两个公司曾经在多少年间供应着非常类似的射频探针,一贯到Tektronix公司于90年代初终极退出了圆晶片探针这个业务。
在这样的机会下,CascadeMicrotech凭借着与Hewlett Packard公司之间的良好关系,便成为工业界射频探针最紧张的供应商。

图3 (a)第一个商用的蓝宝石校准基片CAL96;(b)来自Tektronix公司的射频圆晶探针TMP9600;

(c)来自Cascade Microtech公司的WPH探针。

WPH探针的频率在很短的韶光内就扩大到26GHz,并且在1987年达到了50GHz,以知足迅速开拓的单片微波集成电路(MMIC)的须要。
V-波段和W-波段探针分别于1991年和1993年涌现。
1988年,Cascade推出了用于规模化生产运用的26.5GHz系列极尖可更换的探针(RTP)。
现在,人们无需从测试台年夜将探针主体移动便可以迅速改换陶瓷极尖。
WPH探针对80年代和90年代微波技能开拓做出了贡献,但存在多少个技能上的局限。
最关键的局限在于薄弱的陶瓷CPW线。
纵然施加高于建议值的一个最小的力(例如,为了达到更好的打仗)都会破坏探针。
许多工程师将这个时候称为“去世亡之声”。
陶瓷探针分裂的声音常日还会将全体项目推向走投无路,由于对付大学和小的研究室来说探针是非常昂贵的。
虽然引入了RTP系列,但陶瓷探针还是被别的技能挤出了市场。

当GGB工业公司为基于微同轴电缆的射频探针申请专利时,1988年便成为另一个里程碑。
采取微同轴电缆作为中间过渡媒质具有下列这些好处:

1) 机器方面的显著改进延长了探针的寿命。

2) 被破坏的探针可以通过一种相对较为随意马虎且并不昂贵的办法而重新敲打出来。

3) 电器特性得到了改进。

4) 简化制造工艺。

5) 降落本钱。

在1993年,GGB公司在IEEE理论和技能协会的国际微波年会上(IMS)先容了W-波段探针。
在1999年,它们的探针达到了220GHz,在2006年又进一步扩展到325GHz,在2012年又达到了500GHz。
加上与供应商的密切互助,如Karl Suss(后来的SUSS MicroTech),GGB工业公司成为全天下射频市场上最有影响力的公司之一。

同期间,Cascade公司在1994年的第43届春季ARFTG会议上展示了新型的40-GHz空气-共面探针(ACP)(图5)。
几年之内,ACP探针迅速达到了110GHz(1-mm连接器模型)和140GHz(基于波导模型),代替了WPH生产线。
到目前为止,由于ACP的优柔及无损式打仗,许多工程师喜好将ACP用于探测金压点。

图4 来自GGB 工业公司的Picoprobe 探针

图5 Cascade Microtech 公司的ACP 探针

图6∣Z∣-探针模型

图7 Cascade Microtech 公司的Infinity 探针

在2000年,Rosenberger公司强势推出了一个用于PCB运用、具有明显超过传统技能的射频探针的新观点,将探针的几何尺寸缩小到圆晶片层次所哀求的水平,并于2001年推出了新的射频圆晶探针∣Z∣-探针。
∣Z∣-探针可以覆盖40GHz范围并且实现了多少种创新思想。

1) 这个探针没有利用微同轴电缆。
实现了从同轴连接到空气绝缘共面打仗线的直接过渡。

2) 这个过渡是在探针体内制作的,这便许可对过渡点进行一个准确的优化,从而将可能的不连续性减到最小。

3) 共面打仗是采取一个紫外光刻和电镀工艺(UV-LIGA)制作的,这个工艺与制作MEMS 产品的工艺类似。
其极高的精度和可重复性可以形成CPW线和一个恒定的空气气隙非常准确的形状。

在90年代中期,硅被大量运用于射频领域。
这给射频探针的制作带来一些寻衅。
从传统上讲,射频探针的打仗是用铍(beryllium)-铜(BeCu)制作的。
在探测硅器件和电路的铝打仗压点时,这种材料就会变得很麻烦。
BeCu极尖的迅速氧化和脏物的累积会导致对铝打仗压点的打仗重复性的极大降落。
为理解决这个问题,供应商供应了带有钨(W)极尖的射频探针。
操作多用场丈量装置的测试工程师们在每次改变DUT类型(硅或III-V族复合物半导体)时,都被迫要改换探针,纵然测试的频率范围保持不变。
∣Z∣-探针也致力于办理这种不便之处。
共面打仗是由镍(Ni)来制作的,在与铝和金的打仗压点上均展示出最佳的打仗性能。
随后,其它射频探针的供应商也开始供应用Ni或Ni合金来制作极尖的多用场探针。

随着对MOS和BICMOS器件的射频特性及缩小DUT打仗点尺寸不断增长的需求, CascadeMicrotech公司在2002年的第59届春季自动射频技能组织(Automatic RF Techniques Group-ARFTG)微波丈量大会上先容了基于薄膜技能的新的圆晶探针。
这个方法是基于Cascade公司的Pyramid Probe Card 技能。
在一个优柔的聚酰亚胺薄膜基片上的微带线从同轴线通过非氧化罕有金属探针极尖向DUT传输旗子暗记。
Ni探针极尖的打仗面历年夜约为12μm x12 μm,从而可以探测极小的打仗压点。
这个新型的Infinity 探针展示了卓越的打仗的同等性和探针-到-探针的很低的串扰。

Cascade公司供应了事情在110GHz一下不同规格的Infinity探针。
用于220和325GHz 丈量的基于波导的探针是分别于2005和2007年推出的。
在Cascade于2009年后期开始供应用于500GHz-波段的Infinity探针。

在2009-2011年间,两个新成员进入了成熟的探针市场:带有微机器加工的探针DMPI 瞄准的是新兴的亚太赫兹(sub-THz)市场。
来自台湾的Allstron公司为110GHz以下的运用供应了并不昂贵的探针,个中,测试本钱的降落是最紧张的哀求。
来自于Allstron公司的探针是一种基于微同轴电缆的传统设计。
打仗构造是空气绝缘的CPW线。
它类似于ACP,但是极尖被做成一定的形状来探测具有很小钝化窗口(passivation windows)的铝压点。

图8 Allstron 公司的射频探针

当代对付射频圆晶探针的设计将测试旗子暗记从一个三维媒质(同轴电缆或矩形波导)转换到两维(共面)探针的打仗上。
这种操作须要对传输媒质的特性阻抗Z0进行仔细的处理,并且要在不同传播模式之间进行电磁能量的精确转换。
虽然晶片探针的输入是一个标准化同轴或波导界面,但它的输出(探针极尖)则可以实现不同的设计观点。
这些界面,特殊是探针极尖,会将不连续性带入到丈量旗子暗记路径中。
这种不连续性本身会产生高阶传播模。
因此,圆晶探针和DUT勉励必须只能支持单个准-TEM传播模式并且要打消高阶模或者对高阶模展现出更高的阻抗。

EM场分布图的转换是由处于单个探针组装内的多少个射频过渡方法来坚持的。
一个传统的射频探针是由下列几个部分组成的:

1) 测试仪的界面(同轴或波导)

2) 从测试界面到微同轴电缆的过渡

3) 从微同轴电缆到一个平面波导的过渡,如CPW或微带线

4) 面向晶片上DUT的共面界面(或者极尖)

多少种探针或者将3)和4)组合在一起,或者不该用微同轴电缆(图9)。
一个同轴连接器是低于65GHz的射频探针常用的测试系统界面。
同轴和波导这两种连接方案均是50 到110GHz频率范围内可能的界面。
在单次扫描中,覆盖了从直流到110GHz的宽带测试系统利用了最小尺寸(1mm)的同轴连接器。
不同尺寸的矩形波导是与110GHz以上的丈量系统对接的。

图9 (a)基于一个微同轴电缆的射频探(b)波导界面(c)从同轴到共面线的直接过渡

一个探针技能的自然寿命大约是12年。
有两个紧张成分推动着探针技能的发展:

1) 改进高端运用中的丈量精度

2) 降落主流运用的测试本钱。

除了主流(Allstron公司)和高端运用(DMPI公司)的新的探针供应商以外,一些射频微波行业的中小型做事商也在供应用于低频及宽频领域的的产品。

FindRF供应的MP系列同轴探针,知足DC-20GHz的丈量需求,特性如下:

1.DC-20GHz 带宽

2.超低的插入及回波损耗

3.GSG、GS 配置(0.8/1.5/2.5mm 间距范围)

上风:

1. 随意马虎探测测试没有任何焊接过的电路板旗子暗记

2. 兼容 pogo 大头针许可探索non-planar 构造

3. 探针的利用寿命更加长久

4. 较少测试韶光

运用于:

1)射频和微波模块旗子暗记插入,检测和丈量输出;

2)高频电路板电气性能剖析;

3)高速数字电路剖析

该系列探针为运用供应了优秀的电气性能与相邻测试点。
同时探针供应了多种丈量间距知足旗子暗记到地面的打仗。
能够用于多种运用处所,知足多领域的旗子暗记探测测试。

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