射频(RF)探针在多个阶段对于射频产品的开发和测试起着至关重要的作用。通过使用射频探针,我们能够在晶片层面上准确测量射频组件的特性,从而缩短研发时间,降低新产品开发成本。
射频探针技术经历了三十年的快速发展,从最初的低频测量到适用于多种应用场景的商用方案。例如,在高频和高温环境下进行阻抗匹配、多端口、差分和混合信号测量、高功率测量以及太赫兹应用等领域都能看到射频探针的应用。
早期的射频探针采用了一根具有逐渐收敛的50Ω微带线的极尖,通过探针基片上的小孔与被测器件(DUT)的压点相接触。然而,面临着实现可重复测量的技术难题,特别是在4GHz以上的高频范围。虽然可以通过校准过程来消除接触线极尖所引入的较大串联电感的影响,但随着圆晶片夹具的移动,线极尖的辐射阻抗会出现较大变化。
随后,工程师们取得了突破性进展并确定了射频探针的基本要求和工作原理。新设计的射频探针采用了直接与DUT压点接触的50Ω平面传输线,并利用小金属球实现可靠且可重复的接触。此外,为了同时接触到DUT的信号压点和接地压点,探针需要倾斜,这个过程被称为"探针的平面化"。与同轴连接器相比,射频探针能够提供更好的接触重复性,并且便于进行极尖校准和开发标准以及专用的校准方法。
随着射频探针设计从微带线转变为共面波导(CPW),探针的制造变得更加容易。特别是WPH探针在短时间内扩展到了26GHz,并且在1987年达到了50GHz,以满足迅速发展的单片微波集成电路(MMIC)的需求。V-波段和W-波段探针分别于1991年和1993年问世。Cascade公司在1988年推出了可替换极尖的26.5GHz系列探针(RTP),适用于规模化生产应用。现在,人们无需将探针本体从测试台上移动即可快速更换陶瓷极尖。WPH探针在80年代和90年代的微波技术开发中做出了重要贡献,但也存在一些技术上的局限。
最关键的限制在于脆弱的陶瓷CPW线。即使施加稍微高于建议值的最小力量(例如为了获得更好的接触),探针就会损坏。许多工程师称之为"死亡之声",因为陶瓷探针的破裂声通常会导致整个项目陷入困境,尤其是对于大学和小型研究室来说,探针的成本非常昂贵。虽然RTP系列的推出为解决这个问题提供了一种替代方案,但陶瓷探针仍然被其他技术挤出市场。
在1988年,GGB工业公司申请了一项基于微同轴电缆的射频探针专利,这标志着另一个里程碑。采用微同轴电缆作为中间过渡介质具有以下优点:
显著改善了机械方面,延长了探针的寿命。
被损坏的探针可以通过相对容易且不昂贵的方式重新修复。
改善了电器特性。
简化了制造工艺。
降低了成本。
1993年,GGB公司在IEEE理论和技术协会的国际微波年会(IMS)上推出了W-波段探针。随后,他们的探针频率达到了220GHz,并在2006年进一步扩展至325GHz,2012年达到了500GHz。与供应商如Karl Suss(后来的SUSS MicroTech)密切合作,GGB工业公司成为全球射频市场上最具影响力的公司之一。
在2000年,Rosenberger公司引入了一种针对PCB应用的全新射频探针概念,该概念具有明显超越传统技术的特点。他们将探针的几何尺寸缩小到适应圆片层次所需的水平,并于2001年推出了新的射频圆片探针-∣Z∣探针。∣Z∣探针能够覆盖40GHz范围,并实现了多种创新思想。
这个新型的射频探针采用直接过渡实现了从同轴连接到空气绝缘共面接触线。这种过渡是在探针体内进行制作的,允许对过渡点进行准确的优化,从而将潜在的不连续性降到最低。
通过采用紫外光刻和电镀工艺(UV-LIGA),共面接触的制造类似于制造MEMS产品的工艺。这种工艺具有极高的精度和可重复性,可以形成具有准确形状的CPW线和恒定空气间隙。
在90年代中期,硅开始广泛应用于射频领域,给射频探针的制作带来了一些挑战。传统上,射频探针的接触部分使用铍-铜(BeCu)制作。然而,当与铝接触压点时,BeCu材料会导致氧化和污染问题,大大降低了与铝接触压点的重复性。为了解决这个问题,供应商提供了使用钨(W)极尖的射频探针。但是,这意味着测试工程师每次更换DUT类型时都需要更换探针,即使测试频率范围保持不变。然而,∣Z∣探针则专门解决了这个问题,其共面接触由镍(Ni)制作,展现出与铝和金的接触压点最佳的接触性能。
在2002年的一次微波测量大会上,CascadeMicrotech公司介绍了基于薄膜技术的新型圆晶探针,该方法是基于他们的Pyramid Probe Card技术。这种探针采用柔软的聚酰亚胺薄膜基片和非氧化稀有金属探针极尖,可以从同轴线传输信号到DUT。这种Infinity探针具有小的接触面积,可以检测到极小的接触压点,并展示出优良的接触一致性和低的串扰。
Cascade公司目前提供适用于110GHz以下不同规格的Infinity探针。用于220GHz和325GHz测量的基于波导的探针分别于2005年和2007年推出。而针对500GHz波段的Infinity探针则于2009年开始提供。
现代射频圆晶探针的设计将测试信号从三维媒介(同轴电缆或矩形波导)转换为二维(共面)探针接触。这需要仔细处理传输媒介的特性阻抗(Z0),并正确转换不同传播模式之间的电磁能量。尽管晶片探针的输入是标准化的同轴或波导界面,但其输出(即探针极尖)可以采用不同的设计概念。这些界面和探针极尖会引入不连续性到测量信号路径中,并产生高阶传播模式。因此,圆晶探针和DUT激励必须支持单个准-TEM传播模式,并排除高阶模式或对高阶模式展现更高的阻抗。
射频探针在EM场分布图的转换中起着重要作用。传统的射频探针由多个部分组成:
测试仪的界面:可以是同轴线或波导,用于与测试设备连接。
过渡到微型同轴电缆:将信号从测试界面传输到微型同轴电缆上。
过渡到平面波导:将信号从微型同轴电缆过渡到平面波导,如共平面波导(CPW)或微带线。
面向芯片上器件(DUT)的共面界面:也称为极尖,用于与DUT进行接触。
随着射频技术的发展,射频探针的发展旨在改善高端应用中的测量精度,并降低主流应用的测试成本。除了主要供应商如Allstron和DMPI,一些中小型服务商也提供适用于低频和宽频领域的产品。
MP系列同轴探针是一种常见的选择,适用于DC-20GHz的测量需求。其特点包括:
带宽范围为DC-20GHz
极低的插入损耗和回波损耗
GSG和GS配置可选(0.8/1.5/2.5mm间距范围)
这些探针的优势包括:
能够轻松检测未焊接的电路板信号
兼容pogo大头针,可用于探测非平面结构
探针使用寿命更长
测试时间更短
MP系列同轴探针适用于以下领域:
射频和微波模块的信号插入、检测和测量输出
高频电路板的电气性能分析
高速数字电路分析