墨菲定律不可不知的生存法则，不可不知的射频测试探针基本知识

很多朋友对墨菲定律不可不知的生存法则，不可不知的射频测试探针基本知识不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

传统上，射频探针的触点由铍铜合金(BeCu)制成。而且，人们最早采用的射频探头技术与今天的工具有很大不同。之后，工程师们在确定射频探头的基本要求和工作原理之前，在探头技术上取得了突破。

射频(RF)探头在RF产品生命周期的几乎每个阶段都发挥着重要作用：从技术开发、模型参数提取、设计验证和调试到小规模生产测试和最终生产测试。通过使用射频探针，有可能在晶圆级测量射频元件的真实特性。这样可以缩短研发时间，大大降低开发新产品的成本。

在短短30年间，射频探针技术取得了惊人的进步，从低频测量到适合各种应用的商用解决方案，如110GHz高频高温环境下的阻抗匹配、多端口、差分和混合信号测量器件、连续波模式下高达60W的高功率测量以及高达750GHz的太赫兹应用。

人们最早使用的射频探头技术与今天的工具有很大的不同。在早期，探针使用50微带线，该微带线从一个非常短的导线尖端逐渐收敛，并通过探针基板上的一个小孔接触被测器件(DUT)的焊盘。此时技术难点在于突破4GHz时如何实现可重复测量。

尽管可以通过校准过程消除接触线尖端的相对较大的串联电感的影响，但是当圆形晶片的夹具移动时，线尖端的辐射阻抗将会发生很大的变化。高频测量中使用的极尖设计不同于DC和低频测量中使用的极尖设计，50环境必须尽可能靠近DUT压力点。

之后，工程师们在探针技术上取得了突破。确定了射频探头的基本要求和工作原理：1)探头的50平面传输线应与DUT压力点直接接触，不接触导线。对于微带线和后续的共面探针设计，探针的接触是用一个小金属球来实现的，这个小金属球足够大，可以保证可靠的可重复接触。

2)为了同时接触DUT的信号压点和接地压点，需要倾斜探头。这个过程被称为“探针的平面化”。3)探头的接触重复性比同轴连接器好得多。便于探针针尖和片上标准及特殊校准方法的开发。

4)具有高重复性的接触可以精确地校准探针，并将测量参考平面移动到其极限尖端。探针从探针线的损耗和反射以及到同轴连接器的转换以类似的方式被RF电缆和连接器的误差抵消。5)由于其几何尺寸较小，人们可以假定平面标准件的等效模型是纯集总的。此外，人们可以很容易地从标准件的几何尺寸预测模型参数。

随着探头的设计从微带线变为共面波导(CPW)，探头的制造变得容易了(图1)。Tektronix最终将探头从“自己动手”的工具转变为射频半导体行业的真正产品(图2)。这标志着晶圆级射频测量时代的开始。图1基于陶瓷共面线的晶圆探针设计图2(a)共面探针的俯视图和侧视图(b)修正后的各种片上阻抗标准件的单口测量。

80年代初，泰克公司推出了最早的射频晶圆探针型号TMP9600和蓝宝石校准衬底CAL96(图3)。探头的主要开发者Eric Strid和Reed Gleason于1983年创建了Cascade Microtech，并推出了WPH探头。这两家公司曾经提供了几年非常相似的RF探针，直到泰克公司最终在20世纪90年代初退出了圆形晶片探针业务。

在这样的机遇下，CascadeMicrotech凭借与惠普的良好关系，成为工业射频探头最重要的供应商。

图3 (a)第一商业上可获得的蓝宝石校准衬底CAL96；(b)射频圆形晶体探针TMP9600来自泰克公司；(Cascade Microtech公司的WPH探测器。

WPH探针的频率在短时间内扩展到26GHz，1987年达到50GHz，以满足迅速发展的单片微波集成电路(MMIC)的需要。v波段和W波段探头分别出现在1991年和1993年。1988年，Cascade推出了一系列用于大规模生产应用的26.5GHz可更换探针(RTP)。现在，人们可以快速更换陶瓷探针，而无需将探针体从测试台上移开。

WPH探测器为20世纪80年代和90年代微波技术的发展做出了贡献，但也存在一些技术局限性。最关键的限制是易碎的陶瓷CPW线。即使施加高于推荐值的最小力(例如，为了获得更好的接触)也会损坏探头。许多工程师将这一时刻称为“死亡之声”。陶瓷探针破裂的声音通常会将整个项目推到最后，因为对于大学和小型研究实验室来说，探针非常昂贵。

虽然推出了RTP系列，但是陶瓷探头被其他技术挤出了市场。

当GGB工业公司为基于微型同轴电缆的射频探头申请专利时，1988年成为另一个里程碑。使用微型同轴电缆作为中间过渡介质具有以下优点：1)机械方面的显著改进延长了探头的寿命。2)损坏的探针可以以相对容易和便宜的方式被再次敲除。3)电气特性得到了改善。4)简化制造工艺。5)降低成本。

1993年，GGB在IEEE理论与技术研究所的国际微波年会(IMS)上推出了W波段探头。1999年，他们的探头达到220GHz，2006年进一步扩展到325GHz，2012年达到500GHz。加上与供应商的密切合作，如卡尔苏斯(后来的苏斯微技术)，GGB工业公司已成为世界射频市场上最有影响力的公司之一。

与此同时，Cascade公司在1994年春季的第43届ARFTG会议上展示了一种新型的40 GHz空气共面探头(ACP)(图5)。几年之内，ACP探头迅速达到110 GHz(1mm连接器型号)和140GHz(基于波导型号)，取代了WPH生产线。到目前为止，许多工程师喜欢使用ACP来检测黄金压力点，因为它的接触柔和且无损。图4来自GGB工业公司的Picoprobe探针图5来自Cascade Microtech公司的ACP探针图6Z-探针模型。

图7 Cascade Microtech公司的Infinity探针2000年，Rosenberger公司强势推出PCB应用的射频探针新概念，明显优于传统技术，将探针的几何尺寸缩小到晶圆级所要求的水平。2001年，它推出了一种新的射频晶圆探针Z-探针。Z-该探头可以覆盖40GHz的范围，并实现了几个创新的想法。

1)本探头不使用微型同轴电缆。实现了从同轴连接到空气绝缘共面接触线的直接过渡。2)这种过渡在探头主体中进行，这允许过渡点的精确优化，从而最小化可能的不连续性。

3)通过紫外线光刻和电镀工艺(UV-LIGA)制造共面接触，这类似于制造MEMS产品的工艺。其高精度和可重复性可以形成形状非常精确的CPW线和恒定气隙。

20世纪90年代中期，硅被广泛应用于射频领域。这给射频探针的制造带来了一些挑战。传统上，射频探针的触点由铍铜合金(BeCu)制成。这种材料在检测硅器件和电路的铝触点压力点时会变得非常麻烦。BeCu极尖的快速氧化和污垢的堆积会大大降低铝触点压力点的接触重复性。为了解决这个问题，供应商提供了一个钨(W)尖的射频探头。

操作多用途测量设备的测试工程师在每次更换DUT(硅或III-V族化合物半导体)类型时都被迫更换探头，即使测试的频率范围保持不变。Z-探针也致力于解决这一不便。共面触点由镍(Ni)制成，在与铝和金的接触压力点处表现出最佳的接触性能。随后，其他射频探针供应商开始提供由镍或镍合金制成的多用途探针。

随着对MOS和BICMOS器件射频特性要求的不断提高和DUT接触尺寸的减小，CascadeMicrotech公司在2002年第59届自动射频技术组-ARFG微波测量会议上推出了一种基于薄膜技术的新型圆形晶体探头。该方法基于Cascade公司的金字塔探针卡技术。软聚酰亚胺薄膜衬底上的微带线通过非氧化稀有金属探针的尖端将信号从同轴线传输到DUT。

镍探针尖端的接触面积约为12 m12微米，因此它可以检测非常小的接触压力点。这种新的Infinity探针显示出优异的接触一致性和低探针间串扰。

Cascade公司提供工作在110GHz的不同规格的Infinity探头。用于220 GHz和325GHz测量的波导探头分别于2005年和2007年推出。2009年末，Cascade开始提供500GHz频段的Infinity探头。

在2009-2011年期间，两个新成员进入了成熟的探针市场：微加工探针DMPI瞄准了新兴的亚太赫兹市场。* * *的Allstron公司为110GHz以下的应用提供廉价的探头，其中降低测试成本是最重要的要求。Allstron公司的探头是基于微型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，但极尖的形状可以通过一个小的钝化窗口来检测铝夹点。

图8 all stron公司的射频探头

射频圆形晶体探针的现代设计将测试信号从三维介质(同轴电缆或矩形波导)转换为二维(共面)探针的接触。这种操作需要仔细处理传输介质的特征阻抗Z0，以及不同传播模式之间电磁能量的正确转换。尽管晶片探针的输入是标准化的同轴或波导接口，但是其输出(探针尖端)可以实现不同的设计概念。

这些接口，尤其是探针尖端，会给测量信号路径带来不连续性。这种不连续性本身将产生更高阶的传播模式。因此，晶片探针和DUT激励必须仅支持单个准TEM传播模式，并且排除高阶模式或者对高阶模式表现出更高的阻抗。

EM场模式的转换由单个探针组件中的几个RF转换措施来维持。传统的RF探针由以下部分组成：1)测试器的接口(同轴或波导)2)从测试接口到微同轴电缆的过渡3)从微同轴电缆到平面波导的过渡，例如CPW或微带线4)面向晶片上DUT的共面接口(或极尖)。

几个探头或者结合3)和4)或者不使用微型同轴电缆(图9)。同轴连接器是65GHz以下射频探头的常用测试系统接口。在50到110GHz的频率范围内，同轴和波导连接方案都是可能的接口。在单次扫描中，覆盖从DC到110GHz的宽带测试系统使用最小尺寸(1毫米)的同轴连接器。不同尺寸的矩形波导与110GHz以上的测量系统相连。

图9 (a)基于微型同轴电缆的RF探针(b)波导接口(c)从同轴到共面线的直接转换探针技术的自然寿命约为12年。推动探针技术发展的主要因素有两个：1)提高高端应用中的测量精度，2)降低主流应用中的测试成本。

除了主流(Allstron)和高端应用(DMPI)新型探头供应商，射频微波行业的一些中小型服务提供商也在提供低频和宽带领域的产品。提供的MP系列同轴探头满足DC-20GHz的测量要求，其特点如下：1 .DC-20GHz带宽2。超低插入和回波损耗3。GSG和GS配置(0.8/1.5/2.5mm间距范围)优点：1。很容易检测和测试任何焊接电路板信号。

2.pogo兼容引脚允许探测非平面结构。3.探头的使用寿命更长。4.较少的测试时间用于：1)射频和微波模块的信号插入、检测和测量输出；2)高频电路板的电气性能分析；3)高速数字电路分析

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