淺談射頻探針的發(fā)展

2017-03-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

射頻探針的發(fā)展

射頻(RF)探針在射頻產品生命周期中幾乎每一個階段都起著重要作用:從技術開發(fā),模型參數(shù)提取,設計驗證及調試一直到小規(guī)模生產測試和最終的生產測試。通過使用射頻探針,人們便有可能在晶片層次上測量射頻組件的真正特性。這可以將研究和開發(fā)時間縮短并且大大降低開發(fā)新產品的成本。

在僅僅三十年的時間里,射頻探針技術便取得了驚人的進步,從低頻測量到適用多種應用場合的商用方案:如在110GHz高頻和高溫環(huán)境進行阻抗匹配,多端口,差分和混合信號的測量裝置,連續(xù)波模式中直到60W的高功率測量,以及直到750GHz的太赫茲應用,都能見到射頻探針的身影。

人們最早采用射頻探針技術與今天的工具是很不相同的,早期探針使用了由一個很短的線極尖(wire tip)而逐漸收斂的50-Ω微帶線,通過探針基片上一個小孔而與被測器件(DUT)的壓點(pad)相接觸。此時,其技術難度在于如何突破4GHz時實現(xiàn)可重復測量。雖然有可能通過校準過程來剔除一個接觸線極尖相對較大的串聯(lián)電感的影響,但當圓晶片的夾具被移動時,線極尖的輻射阻抗會有較大的變化。高頻測量使用的極尖設計與用于直流和低頻測量的極尖不同,而且必須使50-Ω環(huán)境盡可能地接近于DUT壓點。

之后工程師在探針技術上取得了突破。確定了射頻探針的基本要求和工作原理:

1) 探針的50-Ω平面?zhèn)鬏斁€應當直接與DUT壓點相接觸而不用接觸導線。對于微帶線和隨后的共面探針設計,探針的接觸是用小的金屬球來實現(xiàn)的,這個金屬球要足夠大以保證可靠且可重復性的接觸。

2) 為了能同時接觸到DUT的信號壓點和接地壓點,需要將探針傾斜。這個過程被稱為“探針的平面化”。

3) 探針的接觸重復性比同軸連接器的可重復性要好得多。便于進行探針極尖和在片標準及專用校準方法的開發(fā)。

4)具有很高重復性的接觸可以進行探針的準確校準并將測量參考平面移向其極尖處。來自探針線和到同軸連接器的過渡所產生的探針的損耗及反射是通過由射頻電纜和連接器的誤差相類似的方式而抵消的。

5) 由于其很小的幾何尺寸,人們可以假設平面標準件的等效模型純粹是集總式的。此外,人們可以從標準件的幾何尺寸來很容易地預測模型參數(shù)。

隨著探針的設計從微帶線變換到共面波導(CPW),探針的制造就變得很容易了(圖1)。 Tektronix公司最終將探針從“自己動手”的工具轉換為逐漸形成的射頻半導體工業(yè)的一種真正的產品(圖2)。這預示著圓晶片層次射頻測量時代的開始。

圖1 基于陶瓷共面線的晶片探針設計

圖2(a)共面探針的頂視圖和側視圖

(b)經過修正的各種在片阻抗標準件的一端口測量

在80年代初,Tektronix公司推出了最早的射頻圓晶片探針模型TMP9600和藍寶石校準基片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。在這樣的機會下,CascadeMicrotech憑借著與Hewlett Packard公司之間的良好關系,便成為工業(yè)界射頻探針最主要的供應商。

圖3 (a)第一個商用的藍寶石校準基片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就擴大到26GHz,并且在1987年達到了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)模化生產應用的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年代微波技術開發(fā)做出了貢獻,但存在若干個技術上的局限。最關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目推向窮途末路,因為對于大學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擠出了市場。

當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具有下列這些好處:

1) 機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,它們的探針達到了220GHz,在2006年又進一步擴展到325GHz,在2012年又達到了500GHz。加上與供應商的密切合作,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,ACP探針迅速達到了110GHz(1-mm連接器模型)和140GHz(基于波導模型),代替了WPH生產線。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。

圖4來自GGB 工業(yè)公司的Picoprobe 探針

圖5 Cascade Microtech 公司的ACP 探針

圖6∣Z∣-探針模型。

圖7 Cascade Microtech 公司的Infinity 探針

在2000年,Rosenberger公司強勢推出了一個用于PCB應用、具有明顯超過傳統(tǒng)技術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制作的,這便允許對過渡點進行一個準確的優(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 產品的工藝類似。其極高的精度和可重復性可以形成CPW線和一個恒定的空氣氣隙非常準確的形狀。

在90年代中期,硅被大量應用于射頻領域。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致對鋁接觸壓點的接觸重復性的極大降低。為了解決這個問題,供應商提供了帶有鎢(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族復合物半導體)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上均展示出最佳的接觸性能。隨后,其它射頻探針的供應商也開始提供用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組織(Automatic RF Techniques Group-ARFTG)微波測量大會上介紹了基于薄膜技術的新的圓晶探針。這個方法是基于Cascade公司的Pyramid Probe Card 技術。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。這個新型的Infinity 探針展示了卓越的接觸的一致性和探針-到-探針的很低的串擾。

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,兩個新成員進入了成熟的探針市場:帶有微機械加工的探針DMPI 瞄準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)設計。接觸結構是空氣絕緣的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。

圖8 Allstron 公司的射頻探針

現(xiàn)代對于射頻圓晶探針的設計將測試信號從一個三維媒質(同軸電纜或矩形波導)轉換到兩維(共面)探針的接觸上。這種操作需要對傳輸媒質的特性阻抗Z0進行仔細的處理,并且要在不同傳播模式之間進行電磁能量的正確轉換。雖然晶片探針的輸入是一個標準化同軸或波導界面,但它的輸出(探針極尖)則可以實現(xiàn)不同的設計概念。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-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場分布圖的轉換是由處于單個探針組裝內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)

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。同軸和波導這兩種連接方案均是50 到110GHz頻率范圍內可能的界面。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是與110GHz以上的測量系統(tǒng)對接的。