一種微波探針可靠性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

谷帆，詹永衛(wèi)，唐昱龍

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

隨著微波射頻技術(shù)的快速發(fā)展，微電子產(chǎn)品的集成度在不斷提高，微波集成電路的測(cè)試需求也越來(lái)越大。在射頻、微波探針應(yīng)用之前，對(duì)未貼裝的單片微波集成電路缺乏科學(xué)有效的測(cè)試方法，測(cè)試過(guò)程往往會(huì)導(dǎo)致電路表面受損，功能完整性無(wú)法保障。而在片測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用能夠直接測(cè)量芯片器件的電氣特性和元件參數(shù)，微波探針可以作為微波集成電路在片測(cè)試的重要工具。在微波探針研制生產(chǎn)過(guò)程中，需要一種測(cè)試方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探針產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證和測(cè)試。

1 虛擬儀器技術(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

該測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含硬件和軟件兩部分，其中系統(tǒng)硬件部分主要包括工控計(jì)算機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、自動(dòng)插拔力測(cè)試機(jī)改裝的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、GPIB 控制卡、光學(xué)顯微鏡等，軟件部分以LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，GPIB 接口總線，基于VISA 庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)化SCPI 指令集，建立軟硬件通信，配置測(cè)試參數(shù)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)件S 參數(shù)連續(xù)測(cè)量，記錄和分析測(cè)試數(shù)據(jù)。微波探針可靠性測(cè)試系統(tǒng)的組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

■2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

工控計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB 控制卡與矢網(wǎng)連接，以控制測(cè)試狀態(tài)和讀取解析數(shù)據(jù)；通過(guò)USB 連接光學(xué)顯微鏡，用于測(cè)試前輔助初始位置參數(shù)的確定，和觀察測(cè)試前后觸點(diǎn)變化；通過(guò)COM 與自動(dòng)插拔力測(cè)試機(jī)改裝的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通訊，傳遞參數(shù)和觸發(fā)運(yùn)動(dòng)。

2.2.1 工控計(jì)算機(jī)

工控計(jì)算機(jī)采用研華科技610L，主要用來(lái)安裝LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)和插拔力測(cè)試機(jī)、光學(xué)顯微鏡等的控制程序。計(jì)算機(jī)通過(guò)COM 口和USB 口分別連接插拔力測(cè)試機(jī)和光學(xué)顯微鏡，通過(guò)GPIB 控制卡連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。作為可靠性測(cè)試軟件的運(yùn)行載體控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、程控矢網(wǎng)和使用光學(xué)顯微鏡輔助定義初始位置參數(shù)，存儲(chǔ)和分析可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2.2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

測(cè)試系統(tǒng)使用3672 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行被測(cè)件的S 參數(shù)測(cè)量。3672 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)計(jì)工作頻率按型號(hào)可以覆蓋10MHz～13.5GHz/ 26.5GHz/ 43.5GHz/ 50GHz/67GHz，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)130dB，靈活的配置方式可以實(shí)現(xiàn)微波部組件在一次連接的情況下完成復(fù)雜的綜合多參數(shù)測(cè)試。其通過(guò)配置高性能微處理器芯片的嵌入式計(jì)算機(jī)和基于Windows 操作系統(tǒng)的平臺(tái)環(huán)境，保障整機(jī)的互聯(lián)性和易用性。跡線噪聲小，測(cè)量精度高。具有優(yōu)異的高純多通道激勵(lì)源和高靈敏度高穩(wěn)定性的多通道接收機(jī)；具有一體化脈沖S 參數(shù)測(cè)量、時(shí)域測(cè)量、混頻器測(cè)量、增益壓縮二維掃描測(cè)量、有源互調(diào)失真測(cè)量、信號(hào)完整性物理層分析、頻譜分析、夾具自動(dòng)移除、支持THz 擴(kuò)頻、天線與RCS 測(cè)量接收等功能。3672 系列矢網(wǎng)可支持多達(dá)64 個(gè)通道，可同時(shí)顯示最多16個(gè)測(cè)量窗口。每個(gè)窗口最多可同時(shí)顯示8 條測(cè)試軌跡。無(wú)需多次儀器狀態(tài)調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)件多個(gè)參數(shù)測(cè)量，簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程。3672 系列矢網(wǎng)提供符合IEEE-488 標(biāo)準(zhǔn)的GPIB接口，用于發(fā)送和接收GPIB/SCPI 命令。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由連接器自動(dòng)插拔力測(cè)試機(jī)改裝，改裝后的插拔力測(cè)試儀如圖2 所示。在工控機(jī)的控制下，可動(dòng)支架帶動(dòng)共面波導(dǎo)上下運(yùn)動(dòng)，并使其和兩個(gè)探針接觸和分離。共面波導(dǎo)又稱共面微帶傳輸線，其主要結(jié)構(gòu)是在介質(zhì)基片同一面制作中心導(dǎo)體帶和緊鄰兩側(cè)的導(dǎo)體平面，兩探針同時(shí)壓在直通線上時(shí)可作為一個(gè)被測(cè)整體測(cè)試S 參數(shù)。兩側(cè)探針使用同軸電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口。

評(píng)點(diǎn)式閱讀教學(xué)強(qiáng)調(diào)了學(xué)生對(duì)文本的直接感悟，這是與中國(guó)古代哲學(xué)相通的。哲學(xué)家馮友蘭說(shuō)：“中國(guó)哲學(xué)家以對(duì)于事物的直接領(lǐng)悟作為他們哲學(xué)的出發(fā)點(diǎn)?！倍u(píng)點(diǎn)式閱讀教學(xué)恰好以學(xué)生對(duì)文本的直接領(lǐng)悟?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)。這在中國(guó)古已有之，“早在唐代，就有了詩(shī)的評(píng)點(diǎn)，宋代出現(xiàn)了文的評(píng)點(diǎn)，后來(lái)又出現(xiàn)了小說(shuō)評(píng)點(diǎn)。天才的張竹坡、金圣嘆、李卓吾、毛綸和毛宗一父子以及脂硯齋們?cè)诿髑鍟r(shí)代大規(guī)模地評(píng)點(diǎn)小說(shuō)，并且創(chuàng)下一門學(xué)派，留下千古妙語(yǔ)，珠磯燦爛，魅力四射，以至文壇上出現(xiàn)了無(wú)書不評(píng)的蔚然奇觀?！?/p>

圖2 插拔力測(cè)試機(jī)改造的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

2.2.4 被測(cè)微波探針

微波探針是實(shí)現(xiàn)微波同軸傳輸系統(tǒng)到待測(cè)半導(dǎo)體芯片壓焊點(diǎn)之間寬頻帶匹配傳輸?shù)倪^(guò)渡器。在射頻集成電路在片測(cè)試、管結(jié)參數(shù)提取、MEMS 器件測(cè)試等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，是高端射頻微波測(cè)量?jī)x器發(fā)展的必備工具。同軸探針應(yīng)當(dāng)具有寬頻帶、低插損、良好匹配的電性能，對(duì)壽命和對(duì)被測(cè)芯片低損傷有設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。微波探針的多個(gè)微小接觸簧片與被測(cè)試芯片壓焊點(diǎn)的間距相匹配，接觸簧片主要有GS、GSG 等形式。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了方便被測(cè)探針的S 參數(shù)測(cè)試，需要使兩個(gè)探針與共面波導(dǎo)觸接，形成被測(cè)整體。GSG100 探針與共面波導(dǎo)的接觸如圖3 所示。

圖3 探針與共面波導(dǎo)接觸

■2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW 支持多種接口的通信，具有靈活的可擴(kuò)展性，可以便捷地集成測(cè)試系統(tǒng)；具有便利的界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和多樣的報(bào)表生成、曲線三維圖繪制控件。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)配置、運(yùn)動(dòng)控制、儀器程控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析等功能。并通過(guò)使用隊(duì)列技術(shù)，將運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集置于生產(chǎn)者循環(huán)，數(shù)據(jù)處理與記錄置于消費(fèi)者循環(huán)，先入先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有序、時(shí)間準(zhǔn)確可控地完成持續(xù)大數(shù)據(jù)量的可靠性測(cè)試。

2.3.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制操作主要集中于初始化過(guò)程，完成的目標(biāo)是向硬件配置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并在測(cè)試過(guò)程中按配置控制插拔力測(cè)試機(jī)可動(dòng)支架往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以配合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量。

通過(guò)測(cè)試機(jī)提供的API 接口和COM 口通訊向改裝的插拔力測(cè)試機(jī)輸入測(cè)試用戶配置的原始位置、運(yùn)動(dòng)行程、測(cè)定速度和測(cè)定總次數(shù)等信息。在可靠性測(cè)試執(zhí)行過(guò)程中，單次測(cè)試時(shí)首先使可動(dòng)支架帶動(dòng)共面波導(dǎo)向上運(yùn)動(dòng)，并使其和探針接觸，此時(shí)可動(dòng)支架保持不動(dòng)，矢網(wǎng)讀取S 參數(shù)；S 參數(shù)讀取后，可動(dòng)支架下移到設(shè)定位置，接觸斷開。重復(fù)執(zhí)行單次測(cè)試，可動(dòng)支架如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探針接觸可靠性和壽命的自動(dòng)測(cè)試。

2.3.2 S 參數(shù)測(cè)量和解析

本系統(tǒng)采用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作頻段覆蓋被測(cè)探針設(shè)計(jì)頻段，可完成被測(cè)件通道插損，端口駐波比，相位差等S 參數(shù)測(cè)量，具備GPIB 遠(yuǎn)程接口。

S 參數(shù)是一種用于描述線性電路傳輸特性的指標(biāo)，也稱為散射參數(shù)（Scattering Parameters）。它描述了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（如放大器、濾波器、天線等）對(duì)電磁波的散射和傳輸情況，包括反射系數(shù)和傳輸系數(shù)。本測(cè)試系統(tǒng)主要通過(guò)被測(cè)探針的S 參數(shù)表征其設(shè)計(jì)指標(biāo)，并通過(guò)連續(xù)多次測(cè)量的重復(fù)性表征其可靠性。

工控計(jì)算機(jī)通過(guò)SCPI 指令與矢網(wǎng)通信，完成儀器初始化，曲線定義，起始終止頻率、中頻帶寬、掃描點(diǎn)數(shù)等設(shè)置。在測(cè)試執(zhí)行中，配合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)狀態(tài)，在每次二探針與共面波導(dǎo)完全接觸時(shí)，觸發(fā)矢網(wǎng)單次掃描，使用查詢指令讀取已定義的S12 對(duì)數(shù)幅度與相位，S11、S22 駐波比格式數(shù)據(jù)。

2.3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析

測(cè)試曲線數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)使用excel 模板表格，LabVIEW 對(duì)Excel 的操作基于ActiveX 技術(shù)。當(dāng)LabVIEW 作為ActiveX自動(dòng)控制客戶端時(shí)，可以控制作為ActiveX 服務(wù)端的Office應(yīng)用程序。通過(guò)自動(dòng)化引用句柄實(shí)現(xiàn)與Excel 的接口，控制工作表的選擇與單元格的寫入，按照既定格式在四個(gè)工作表中記錄曲線原始數(shù)據(jù)和測(cè)試運(yùn)行次數(shù)。在報(bào)表模板中定義公式，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)曲線最差值點(diǎn)、同頻點(diǎn)多次測(cè)試的均值標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)。并能通過(guò)XY Graph 控件、3D Graph 控件生成二維三維波形圖表。以被測(cè)件2.4mm GSG100 微波探針測(cè)試結(jié)果為例，經(jīng)持續(xù)測(cè)試，失效前最大駐波比約1.7，插損1.4以內(nèi)，經(jīng)開方可求得單個(gè)探針指標(biāo)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)與國(guó)外同類產(chǎn)品指標(biāo)相當(dāng)，且可靠性符合設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)測(cè)試界面如圖4所示，矢網(wǎng)單次測(cè)試界面如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試界面

圖5 矢網(wǎng)單次測(cè)試曲線

3 測(cè)試流程

(1)在顯微鏡下，手動(dòng)調(diào)節(jié)探針高度，使其和共面波導(dǎo)形成可靠接觸。

(2)軟件調(diào)試界面讀取插拔力測(cè)試儀當(dāng)前位置記錄為初始位置，設(shè)置可動(dòng)支架（共面波導(dǎo)）行程，一般為0～0.05mm，可選擇設(shè)置運(yùn)行速度等其他參數(shù)。

(3)在測(cè)試參數(shù)配置界面輸入測(cè)試頻段，矢網(wǎng)中頻帶寬、掃描點(diǎn)數(shù)、單次等待時(shí)間、判斷閾值、測(cè)試總次數(shù)等必要參數(shù)，點(diǎn)擊開始，運(yùn)行測(cè)試。

(4)共面波導(dǎo)往復(fù)和探針實(shí)現(xiàn)接觸或斷開，并在接觸時(shí)讀取S 參數(shù)，記錄到測(cè)試模板表格內(nèi)。

(5)完成測(cè)試，提示保存測(cè)試報(bào)表，可選擇生成二維、三維圖表。

軟件運(yùn)行流程如圖6 所示。

圖6 軟件運(yùn)行流程

4 結(jié)論

微波探針的可靠性測(cè)試是一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目簡(jiǎn)單但需要數(shù)萬(wàn)次重復(fù)的試驗(yàn)項(xiàng)目，僅憑人工幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本文闡述的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為驗(yàn)證探針產(chǎn)品指標(biāo)可靠性提供了一種有效可行的方法，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)從控制矢網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及計(jì)算機(jī)對(duì)曲線數(shù)據(jù)處理分析均很好地利用了基于LabVIEW 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。證明了該項(xiàng)技術(shù)在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域特別是微波部組件的可靠性驗(yàn)證方面有著顯著優(yōu)勢(shì)和科學(xué)的應(yīng)用。可以消除人工測(cè)試中的主觀因素，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，為實(shí)現(xiàn)持續(xù)的大數(shù)據(jù)量的測(cè)試驗(yàn)證提供了可能。