浅谈射频探针的发展

2017-03-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

射频探针的发展

射频(RF)探针在射频产品生命周期中几乎每一个阶段都起着重要作用:从技术开发,模型参数提取,设计验证及调试一直到小规模生产测试和最终的生产测试。通过使用射频探针,人们便有可能在晶片层次上测量射频组件的真正特性。这可以将研究和开发时间缩短并且大大降低开发新产品的成本。

在仅仅三十年的时间里,射频探针技术便取得了惊人的进步,从低频测量到适用多种应用场合的商用方案:如在110GHz高频和高温环境进行阻抗匹配,多端口,差分和混合信号的测量装置,连续波模式中直到60W的高功率测量,以及直到750GHz的太赫兹应用,都能见到射频探针的身影。

人们最早采用射频探针技术与今天的工具是很不相同的,早期探针使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)相接触。此时,其技术难度在于如何突破4GHz时实现可重复测量。虽然有可能通过校准过程来剔除一个接触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化。高频测量使用的极尖设计与用于直流和低频测量的极尖不同,而且必须使50-Ω环境尽可能地接近于DUT压点。

之后工程师在探针技术上取得了突破。确定了射频探针的基本要求和工作原理:

1) 探针的50-Ω平面传输线应当直接与DUT压点相接触而不用接触导线。对于微带线和随后的共面探针设计,探针的接触是用小的金属球来实现的,这个金属球要足够大以保证可靠且可重复性的接触。

2) 为了能同时接触到DUT的信号压点和接地压点,需要将探针倾斜。这个过程被称为“探针的平面化”。

3) 探针的接触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发。

4)具有很高重复性的接触可以进行探针的准确校准并将测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误差相类似的方式而抵消的。

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容易地预测模型参数。

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容易了(图1)。 Tektronix公司最终将探针从“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测量时代的开始。

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)经过修正的各种在片阻抗标准件的一端口测量

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)。探针的主要开发者Eric Strid和Reed Gleason于1983年创办了Cascade Microtech公司并推出了WPH探针。这两个公司曾经在若干年间提供着非常类似的射频探针,一直到Tektronix公司于90年代初最终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主要的供应商。

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时间内就扩大到26GHz,并且在1987年达到了50GHz,以满足迅速开发的单片微波集成电路(MMIC)的需要。V-波段和W-波段探针分别于1991年和1993年出现。1988年,Cascade推出了用于规模化生产应用的26.5GHz系列极尖可替换的探针(RTP)。现在,人们无需从测试台上将探针主体移动便可以迅速更换陶瓷极尖。WPH探针对80年代和90年代微波技术开发做出了贡献,但存在若干个技术上的局限。最关键的局限在于脆弱的陶瓷CPW线。即使施加高于建议值的一个最小的力(例如,为了达到更好的接触)都会损坏探针。许多工程师将这个时刻称为“死亡之声”。陶瓷探针破裂的声音通常还会将整个项目推向穷途末路,因为对于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术挤出了市场。

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。采用微同轴电缆作为中间过渡媒质具有下列这些好处:

1) 机械方面的显著改善延长了探针的寿命。

2) 被损坏的探针可以通过一种相对较为容易且并不昂贵的方式而重新敲打出来。

3) 电器特性得到了改善。

4) 简化制造工艺。

5) 降低成本。

在1993年,GGB公司在IEEE理论和技术协会的国际微波年会上(IMS)介绍了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合作,如Karl Suss(后来的SUSS MicroTech),GGB工业公司成为全世界射频市场上最有影响力的公司之一。

同时期,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的柔软及无损式接触,许多工程师喜欢将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应用、具有明显超过传统技术的射频探针的新概念,将探针的几何尺寸缩小到圆晶片层次所要求的水平,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范围并且实现了若干种创新思想。

1) 这个探针没有使用微同轴电缆。实现了从同轴连接到空气绝缘共面接触线的直接过渡。

2) 这个过渡是在探针体内制作的,这便允许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) 共面接触是采用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,硅被大量应用于射频领域。这给射频探针的制作带来一些挑战。从传统上讲,射频探针的接触是用铍(beryllium)-铜(BeCu)制作的。在探测硅器件和电路的铝接触压点时,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接触压点的接触重复性的极大降低。为了解决这个问题,供应商提供了带有钨(W)极尖的射频探针。操作多用途测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,都被迫要更换探针,即使测试的频率范围保持不变。∣Z∣-探针也致力于解决这种不便之处。共面接触是由镍(Ni)来制作的,在与铝和金的接触压点上均展示出最佳的接触性能。随后,其它射频探针的供应商也开始提供用Ni或Ni合金来制作极尖的多用途探针。

随着对MOS和BICMOS器件的射频特性及缩小DUT接触点尺寸不断增长的需求, CascadeMicrotech公司在2002年的第59届春季自动射频技术组织(Automatic RF Techniques Group-ARFTG)微波测量大会上介绍了基于薄膜技术的新的圆晶探针。这个方法是基于Cascade公司的Pyramid Probe Card 技术。在一个柔软的聚酰亚胺薄膜基片上的微带线从同轴线通过非氧化稀有金属探针极尖向DUT传输信号。Ni探针极尖的接触面积大约为12μm x12 μm,从而可以探测极小的接触压点。这个新型的Infinity 探针展示了卓越的接触的一致性和探针-到-探针的很低的串扰。

Cascade公司提供了工作在110GHz一下不同规格的Infinity探针。用于220和325GHz 测量的基于波导的探针是分别于2005和2007年推出的。在Cascade于2009年后期开始提供用于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:带有微机械加工的探针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以下的应用提供了并不昂贵的探针,其中,测试成本的降低是最主要的要求。来自于Allstron公司的探针是一种基于微同轴电缆的传统设计。接触结构是空气绝缘的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

现代对于射频圆晶探针的设计将测试信号从一个三维媒质(同轴电缆或矩形波导)转换到两维(共面)探针的接触上。这种操作需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正确转换。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概念。这些界面,特别是探针极尖,会将不连续性带入到测量信号路径中。这种不连续性本身会产生高阶传播模。因此,圆晶探针和DUT激励必须只能支持单个准-TEM传播模式并且要排除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若干个射频过渡措施来维持的。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)

若干种探针或者将3)和4)组合在一起,或者不使用微同轴电缆(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以上的测量系统对接的。