射频探针的发展史

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