從傳統(tǒng)上講,射頻探針的接觸是用鈹(beryllium)-銅(BeCu)制作的。而且人們最早采用射頻探針技術(shù)與今天的工具是很不相同的,之后工程師在探針技術(shù)上取得了突破,才確定了射頻探針的基本要求和工作原理,
射頻(RF)探針在射頻產(chǎn)品生命周期中幾乎每一個(gè)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(jì)驗(yàn)證及調(diào)試一直到小規(guī)模生產(chǎn)測(cè)試和最終的生產(chǎn)測(cè)試。通過使用射頻探針,人們便有可能在晶片層次上測(cè)量射頻組件的真正特性。這可以將研究和開發(fā)時(shí)間縮短并且大大降低開發(fā)新產(chǎn)品的成本。
在僅僅三十年的時(shí)間里,射頻探針技術(shù)便取得了驚人的進(jìn)步,從低頻測(cè)量到適用多種應(yīng)用場(chǎng)合的商用方案:如在110GHz高頻和高溫環(huán)境進(jìn)行阻抗匹配,多端口,差分和混合信號(hào)的測(cè)量裝置,連續(xù)波模式中直到60W的高功率測(cè)量,以及直到750GHz的太赫茲應(yīng)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同的,早期探針使用了由一個(gè)很短的線極尖(wireTIp)而逐漸收斂的50-Ω微帶線,通過探針基片上一個(gè)小孔而與被測(cè)器件(DUT)的壓點(diǎn)(pad)相接觸。此時(shí),其技術(shù)難度在于如何突破4GHz時(shí)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)測(cè)量。雖然有可能通過校準(zhǔn)過程來剔除一個(gè)接觸線極尖相對(duì)較大的串聯(lián)電感的影響,但當(dāng)圓晶片的夾具被移動(dòng)時(shí),線極尖的輻射阻抗會(huì)有較大的變化。高頻測(cè)量使用的極尖設(shè)計(jì)與用于直流和低頻測(cè)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(diǎn)。
1) 探針的50-Ω平面?zhèn)鬏斁應(yīng)當(dāng)直接與DUT壓點(diǎn)相接觸而不用接觸導(dǎo)線。對(duì)于微帶線和隨后的共面探針設(shè)計(jì),探針的接觸是用小的金屬球來實(shí)現(xiàn)的,這個(gè)金屬球要足夠大以保證可靠且可重復(fù)性的接觸。
2) 為了能同時(shí)接觸到DUT的信號(hào)壓點(diǎn)和接地壓點(diǎn),需要將探針傾斜。這個(gè)過程被稱為“探針的平面化”。
3) 探針的接觸重復(fù)性比同軸連接器的可重復(fù)性要好得多。便于進(jìn)行探針極尖和在片標(biāo)準(zhǔn)及專用校準(zhǔn)方法的開發(fā)。
4)具有很高重復(fù)性的接觸可以進(jìn)行探針的準(zhǔn)確校準(zhǔn)并將測(cè)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,人們可以假設(shè)平面標(biāo)準(zhǔn)件的等效模型純粹是集總式的。此外,人們可以從標(biāo)準(zhǔn)件的幾何尺寸來很容易地預(yù)測(cè)模型參數(shù)。
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(lán)寶石校準(zhǔn)基片CAL96。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(gè)公司曾經(jīng)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(gè)業(yè)務(wù)。在這樣的機(jī)會(huì)下,CascadeMicrotech憑借著與Hewlett Packard公司之間的良好關(guān)系,便成為工業(yè)界射頻探針最主要的供應(yīng)商。
WPH探針的頻率在很短的時(shí)間內(nèi)就擴(kuò)大到26GHz,并且在1987年達(dá)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(chǎn)應(yīng)用的26.5GHz系列極尖可替換的探針(RTP)。現(xiàn)在,人們無(wú)需從測(cè)試臺(tái)上將探針主體移動(dòng)便可以迅速更換陶瓷極尖。WPH探針對(duì)80年代和90年代微波技術(shù)開發(fā)做出了貢獻(xiàn),但存在若干個(gè)技術(shù)上的局限。最關(guān)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(gè)最小的力(例如,為了達(dá)到更好的接觸)都會(huì)損壞探針。許多工程師將這個(gè)時(shí)刻稱為“死亡之聲”。陶瓷探針破裂的聲音通常還會(huì)將整個(gè)項(xiàng)目推向窮途末路,因?yàn)閷?duì)于大學(xué)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(shù)擠出了市場(chǎng)。
當(dāng)GGB工業(yè)公司為基于微同軸電纜的射頻探針申請(qǐng)專利時(shí),1988年便成為另一個(gè)里程碑。采用微同軸電纜作為中間過渡媒質(zhì)具有下列這些好處:
1) 機(jī)械方面的顯著改善延長(zhǎng)了探針的壽命。
2) 被損壞的探針可以通過一種相對(duì)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(jiǎn)化制造工藝。
5) 降低成本。
在1993年,GGB公司在IEEE理論和技術(shù)協(xié)會(huì)的國(guó)際微波年會(huì)上(IMS)介紹了W-波段探針。在1999年,它們的探針達(dá)到了220GHz,在2006年又進(jìn)一步擴(kuò)展到325GHz,在2012年又達(dá)到了500GHz。加上與供應(yīng)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(chǎng)上最有影響力的公司之一。
來自GGB 工業(yè)公司的Picoprobe 探針
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