淺談射頻探針的發(fā)展

淺談射頻探針的發(fā)展射頻探針的發(fā)展射頻（RF）探針在射頻產(chǎn)品生命周期中幾乎每一種階段都起著重要作用：從技術(shù)開發(fā)，模型參數(shù)提取，設(shè)計驗證及調(diào)試始終到小規(guī)模生產(chǎn)測試和最后的生產(chǎn)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。這能夠?qū)⒀芯亢烷_發(fā)時間縮短并且大大減少開發(fā)新產(chǎn)品的成本。在僅僅三十年的時間里，射頻探針技術(shù)便獲得了驚人的進步，從低頻測量到合用多個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，持續(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(shù)與今天的工具是很不相似的，早期探針使用了由一種很短的線極尖(wiretip)而逐步收斂的50-Ω微帶線，通過探針基片上一種小孔而與被測器件(DUT)的壓點（pad）相接觸。此時，其技術(shù)難度在于如何突破4GHz時實現(xiàn)可重復測量。即使有可能通過校準過程來剔除一種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(shè)計與用于直流和低頻測量的極尖不同，并且必須使50-Ω環(huán)境盡量地靠近于DUT壓點。之后工程師在探針技術(shù)上獲得了突破。擬定了射頻探針的基本規(guī)定和工作原理：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。對于微帶線和隨即的共面探針設(shè)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確保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原則及專用校準辦法的開發(fā)。4）含有很高重復性的接觸能夠進行探針的精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(chǎn)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，人們能夠假設(shè)平面原則件的等效模型純正是集總式的。另外，人們能夠從原則件的幾何尺寸來很容易地預測模型參數(shù)。隨著探針的設(shè)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公司最后將探針從“自己動手”的工具轉(zhuǎn)換為逐步形成的射頻半導體工業(yè)的一種真正的產(chǎn)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(shè)計圖2（a）共面探針的頂視圖和側(cè)視圖（b）通過修正的多個在片阻抗原則件的一端口測量在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）。探針的重要開發(fā)者EricStrid和ReedGleason于1983年開辦了CascadeMicrotech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，始終到Tektronix公司于90年代初最后退出了圓晶片探針這個業(yè)務(wù)。在這樣的機會下，CascadeMicrotech憑借著與HewlettPackard公司之間的良好關(guān)系，便成為工業(yè)界射頻探針最重要的供應商。圖3（a）第一種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CascadeMicrotech公司的WPH探針。WPH探針的頻率在很短的時間內(nèi)就擴大到26GHz，并且在1987年達成了50GHz，以滿足快速開發(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(chǎn)應用的26.5GHz系列極尖可替代的探針（RTP）?，F(xiàn)在，人們無需從測試臺上將探針主體移動便能夠快速更換陶瓷極尖。WPH探針對80年代和90年代微波技術(shù)開發(fā)做出了奉獻，但存在若干個技術(shù)上的局限。最核心的局限在于脆弱的陶瓷CPW線。即使施加高于建議值的一種最小的力（例如，為了達成更加好的接觸）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普通還會將整個項目推向窮途末路，由于對于大學和小的研究室來說探針是非常昂貴的。即使引入了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年便成為另一種里程碑。采用微同軸電纜作為中間過渡媒質(zhì)含有下列這些好處：1）機械方面的明顯改善延長了探針的壽命。2）被損壞的探針能夠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）減少成本。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，它們的探針達成了220GHz，在又進一步擴展到325GHz，在又達成了500GHz。加上與供應商的親密合作，如KarlSuss（后來的SUSSMicroTech），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探針快速達成了110GHz（1-mm連接器模型）和140GHz（基于波導模型），替代了WPH生產(chǎn)線。到現(xiàn)在為止，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5CascadeMicrotech公司的ACP探針圖6∣Z∣-探針模型。圖7CascadeMicrotech公司的Infinity探針在，Rosenberger公司強勢推出了一種用于PCB應用、含有明顯超出傳統(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規(guī)定的水平，并于推出了新的射頻圓晶探針∣Z∣-探針。∣Z∣-探針能夠覆蓋40GHz范疇并且實現(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(nèi)制作的，這便允許對過渡點進行一種精確的優(yōu)化，從而將可能的不持續(xù)性減到最小。3）共面接觸是采用一種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性能夠形成CPW線和一種恒定的空氣氣隙非常精確的形狀。在90年代中期，硅被大量應用于射頻領(lǐng)域。這給射頻探針的制作帶來某些挑戰(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極尖的快速氧化和臟物的累積會造成對鋁接觸壓點的接觸重復性的極大減少。為理解決這個問題，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變化DUT類型（硅或III-V族復合物半導體）時，都被迫要更換探針，即使測試的頻率范疇保持不變。∣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。隨即，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接觸點尺寸不停增加的需求，CascadeMicrotech公司在的第59屆春季自動射頻技術(shù)組織（AutomaticRFTechniquesGroup-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。這個辦法是基于Cascade公司的PyramidProbeCard技術(shù)。在一種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概為12μmx12μm，從而能夠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和推出的。在Cascade于后期開始提供用于500GHz-波段的Infinity探針。在-間，兩個新組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下列的應用提供了并不昂貴的探針，其中，測試成本的減少是最重要的規(guī)定。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。接觸構(gòu)造是空氣絕緣的CPW線。它類似于ACP，但是極尖被做成一定的形狀來探測含有很小鈍化窗口（passivationwindows）的鋁壓點。圖8Allstron公司的射頻探針當代對于射頻圓晶探針的設(shè)計將測試信號從一種三維媒質(zhì)（同軸電纜或矩形波導）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進行認真的解決，并且要在不同傳輸模式之間進行電磁能量的對的轉(zhuǎn)換。即使晶片探針的輸入是一種原則化同軸或波導界面，但它的輸出（探針極尖）則能夠?qū)崿F(xiàn)不同的設(shè)計概念。這些界面，特別是探針極尖，會將不持續(xù)性帶入到測量信號途徑中。這種不持續(xù)性本身會產(chǎn)生高階傳輸模。因此，圓晶探針和DUT激勵必須只能支持單個準-TEM傳輸模式并且要排除高階模或者對高階模呈現(xiàn)出更高的阻抗。EM場分布圖的轉(zhuǎn)換是由處在單個探針組裝內(nèi)的若干個射頻過渡方法來維持的。一種傳統(tǒng)的射頻探針是由下列幾個部分構(gòu)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）從微同軸電纜到一種平面波導的過渡，如CPW或微帶線4）面對晶片上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）。一種同軸連接器是低于65GHz的射頻探針慣用的測試系統(tǒng)界面。同軸和波導這兩種連接方案均是50到110GHz頻率范疇內(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)運用了最小尺寸（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。圖9（a）基于一種微同軸電纜的射頻探（b）波導界面（c）從同軸到共面線的直接過渡一種探針技術(shù)的自然壽命大概是。有兩個重要因素推動著探針技術(shù)的發(fā)展：1）改善高端應用中的測量精度2）減少主流應用的測試成本。除了主流（Allstron公司）和高端應用（DMPI公司）的新的探針供應商以外，某些射頻微波行業(yè)的中小型服務(wù)商也在提供用于低頻及寬