一種微波探針可靠性測試系統(tǒng)設計

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

隨著微波射頻技術的快速發(fā)展，微電子產品的集成度在不斷提高，微波集成電路的測試需求也越來越大。在射頻、微波探針應用之前，對未貼裝的單片微波集成電路缺乏科學有效的測試方法，測試過程往往會導致電路表面受損，功能完整性無法保障。而在片測試技術的應用能夠直接測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試的重要工具。在微波探針研制生產過程中，需要一種測試方法和系統(tǒng)實現(xiàn)探針產品的可靠性驗證和測試。

1 虛擬儀器技術

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

■2.1 系統(tǒng)設計原理

該測試系統(tǒng)設計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算機、矢量網(wǎng)絡分析儀、自動插拔力測試機改裝的運動平臺、GPIB 控制卡、光學顯微鏡等，軟件部分以LabVIEW 開發(fā)平臺為基礎，GPIB 接口總線，基于VISA 庫和標準化SCPI 指令集，建立軟硬件通信，配置測試參數(shù)，實現(xiàn)被測件S 參數(shù)連續(xù)測量，記錄和分析測試數(shù)據(jù)。微波探針可靠性測試系統(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)硬件設計

工控計算機通過GPIB 控制卡與矢網(wǎng)連接，以控制測試狀態(tài)和讀取解析數(shù)據(jù)；通過USB 連接光學顯微鏡，用于測試前輔助初始位置參數(shù)的確定，和觀察測試前后觸點變化；通過COM 與自動插拔力測試機改裝的運動平臺通訊，傳遞參數(shù)和觸發(fā)運動。

2.2.1 工控計算機

工控計算機采用研華科技610L，主要用來安裝LabVIEW 開發(fā)平臺和插拔力測試機、光學顯微鏡等的控制程序。計算機通過COM 口和USB 口分別連接插拔力測試機和光學顯微鏡，通過GPIB 控制卡連接矢量網(wǎng)絡分析儀。作為可靠性測試軟件的運行載體控制運動平臺、程控矢網(wǎng)和使用光學顯微鏡輔助定義初始位置參數(shù)，存儲和分析可靠性測試數(shù)據(jù)。

2.2.2 矢量網(wǎng)絡分析儀

測試系統(tǒng)使用3672 型矢量網(wǎng)絡分析儀進行被測件的S 參數(shù)測量。3672 型矢量網(wǎng)絡分析儀的設計工作頻率按型號可以覆蓋10MHz～13.5GHz/ 26.5GHz/ 43.5GHz/ 50GHz/67GHz，其動態(tài)范圍可達130dB，靈活的配置方式可以實現(xiàn)微波部組件在一次連接的情況下完成復雜的綜合多參數(shù)測試。其通過配置高性能微處理器芯片的嵌入式計算機和基于Windows 操作系統(tǒng)的平臺環(huán)境，保障整機的互聯(lián)性和易用性。跡線噪聲小，測量精度高。具有優(yōu)異的高純多通道激勵源和高靈敏度高穩(wěn)定性的多通道接收機；具有一體化脈沖S 參數(shù)測量、時域測量、混頻器測量、增益壓縮二維掃描測量、有源互調失真測量、信號完整性物理層分析、頻譜分析、夾具自動移除、支持THz 擴頻、天線與RCS 測量接收等功能。3672 系列矢網(wǎng)可支持多達64 個通道，可同時顯示最多16個測量窗口。每個窗口最多可同時顯示8 條測試軌跡。無需多次儀器狀態(tài)調用，即可實現(xiàn)被測件多個參數(shù)測量，簡化測試過程。3672 系列矢網(wǎng)提供符合IEEE-488 標準的GPIB接口，用于發(fā)送和接收GPIB/SCPI 命令。

2.2.3 運動平臺

系統(tǒng)的運動平臺由連接器自動插拔力測試機改裝，改裝后的插拔力測試儀如圖2 所示。在工控機的控制下，可動支架帶動共面波導上下運動，并使其和兩個探針接觸和分離。共面波導又稱共面微帶傳輸線，其主要結構是在介質基片同一面制作中心導體帶和緊鄰兩側的導體平面，兩探針同時壓在直通線上時可作為一個被測整體測試S 參數(shù)。兩側探針使用同軸電纜接入矢量網(wǎng)絡分析儀的兩個端口。

評點式閱讀教學強調了學生對文本的直接感悟，這是與中國古代哲學相通的。哲學家馮友蘭說：“中國哲學家以對于事物的直接領悟作為他們哲學的出發(fā)點。”而評點式閱讀教學恰好以學生對文本的直接領悟為出發(fā)點。這在中國古已有之，“早在唐代，就有了詩的評點，宋代出現(xiàn)了文的評點，后來又出現(xiàn)了小說評點。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在明清時代大規(guī)模地評點小說，并且創(chuàng)下一門學派，留下千古妙語，珠磯燦爛，魅力四射，以至文壇上出現(xiàn)了無書不評的蔚然奇觀。”

圖2 插拔力測試機改造的運動平臺

2.2.4 被測微波探針

微波探針是實現(xiàn)微波同軸傳輸系統(tǒng)到待測半導體芯片壓焊點之間寬頻帶匹配傳輸?shù)倪^渡器。在射頻集成電路在片測試、管結參數(shù)提取、MEMS 器件測試等領域有廣泛應用，是高端射頻微波測量儀器發(fā)展的必備工具。同軸探針應當具有寬頻帶、低插損、良好匹配的電性能，對壽命和對被測芯片低損傷有設計要求，需要進行測試驗證。微波探針的多個微小接觸簧片與被測試芯片壓焊點的間距相匹配，接觸簧片主要有GS、GSG 等形式。在本系統(tǒng)設計中，為了方便被測探針的S 參數(shù)測試，需要使兩個探針與共面波導觸接，形成被測整體。GSG100 探針與共面波導的接觸如圖3 所示。

圖3 探針與共面波導接觸

■2.3 系統(tǒng)軟件設計

LabVIEW 支持多種接口的通信，具有靈活的可擴展性，可以便捷地集成測試系統(tǒng)；具有便利的界面設計基礎和多樣的報表生成、曲線三維圖繪制控件。系統(tǒng)軟件設計基于LabVIEW 實現(xiàn)測試參數(shù)配置、運動控制、儀器程控、數(shù)據(jù)存儲和分析等功能。并通過使用隊列技術，將運動控制和數(shù)據(jù)采集置于生產者循環(huán)，數(shù)據(jù)處理與記錄置于消費者循環(huán)，先入先出的數(shù)據(jù)結構有序、時間準確可控地完成持續(xù)大數(shù)據(jù)量的可靠性測試。

2.3.1 運動平臺控制

系統(tǒng)軟件設計對運動平臺的控制操作主要集中于初始化過程，完成的目標是向硬件配置運動參數(shù)，并在測試過程中按配置控制插拔力測試機可動支架往復運動，以配合矢量網(wǎng)絡分析儀的測量。

通過測試機提供的API 接口和COM 口通訊向改裝的插拔力測試機輸入測試用戶配置的原始位置、運動行程、測定速度和測定總次數(shù)等信息。在可靠性測試執(zhí)行過程中，單次測試時首先使可動支架帶動共面波導向上運動，并使其和探針接觸，此時可動支架保持不動，矢網(wǎng)讀取S 參數(shù)；S 參數(shù)讀取后，可動支架下移到設定位置，接觸斷開。重復執(zhí)行單次測試，可動支架如此往復運動，實現(xiàn)探針接觸可靠性和壽命的自動測試。

2.3.2 S 參數(shù)測量和解析

本系統(tǒng)采用的矢量網(wǎng)絡分析儀工作頻段覆蓋被測探針設計頻段，可完成被測件通道插損，端口駐波比，相位差等S 參數(shù)測量，具備GPIB 遠程接口。

S 參數(shù)是一種用于描述線性電路傳輸特性的指標，也稱為散射參數(shù)（Scattering Parameters）。它描述了一個網(wǎng)絡（如放大器、濾波器、天線等）對電磁波的散射和傳輸情況，包括反射系數(shù)和傳輸系數(shù)。本測試系統(tǒng)主要通過被測探針的S 參數(shù)表征其設計指標，并通過連續(xù)多次測量的重復性表征其可靠性。

工控計算機通過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、掃描點數(shù)等設置。在測試執(zhí)行中，配合運動平臺狀態(tài)，在每次二探針與共面波導完全接觸時，觸發(fā)矢網(wǎng)單次掃描，使用查詢指令讀取已定義的S12 對數(shù)幅度與相位，S11、S22 駐波比格式數(shù)據(jù)。

2.3.3 數(shù)據(jù)存儲和分析

測試曲線數(shù)據(jù)的存儲使用excel 模板表格，LabVIEW 對Excel 的操作基于ActiveX 技術。當LabVIEW 作為ActiveX自動控制客戶端時，可以控制作為ActiveX 服務端的Office應用程序。通過自動化引用句柄實現(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工作表中記錄曲線原始數(shù)據(jù)和測試運行次數(shù)。在報表模板中定義公式，實時統(tǒng)計曲線最差值點、同頻點多次測試的均值標準差的數(shù)據(jù)。并能通過XY Graph 控件、3D Graph 控件生成二維三維波形圖表。以被測件2.4mm GSG100 微波探針測試結果為例，經(jīng)持續(xù)測試，失效前最大駐波比約1.7，插損1.4以內，經(jīng)開方可求得單個探針指標。測試發(fā)現(xiàn)與國外同類產品指標相當，且可靠性符合設計要求。系統(tǒng)測試界面如圖4所示，矢網(wǎng)單次測試界面如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)測試界面

圖5 矢網(wǎng)單次測試曲線

3 測試流程

(1)在顯微鏡下，手動調節(jié)探針高度，使其和共面波導形成可靠接觸。

(2)軟件調試界面讀取插拔力測試儀當前位置記錄為初始位置，設置可動支架（共面波導）行程，一般為0～0.05mm，可選擇設置運行速度等其他參數(shù)。

(3)在測試參數(shù)配置界面輸入測試頻段，矢網(wǎng)中頻帶寬、掃描點數(shù)、單次等待時間、判斷閾值、測試總次數(shù)等必要參數(shù)，點擊開始，運行測試。

(4)共面波導往復和探針實現(xiàn)接觸或斷開，并在接觸時讀取S 參數(shù)，記錄到測試模板表格內。

(5)完成測試，提示保存測試報表，可選擇生成二維、三維圖表。

軟件運行流程如圖6 所示。

圖6 軟件運行流程

4 結論

微波探針的可靠性測試是一項測試項目簡單但需要數(shù)萬次重復的試驗項目，僅憑人工幾乎無法實現(xiàn)，本文闡述的自動測試系統(tǒng)為驗證探針產品指標可靠性提供了一種有效可行的方法，該自動測試系統(tǒng)從控制矢網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、控制運動平臺及計算機對曲線數(shù)據(jù)處理分析均很好地利用了基于LabVIEW 虛擬儀器技術的優(yōu)點。證明了該項技術在測試測量領域特別是微波部組件的可靠性驗證方面有著顯著優(yōu)勢和科學的應用。可以消除人工測試中的主觀因素，提高測試結果的可靠性和準確性，為實現(xiàn)持續(xù)的大數(shù)據(jù)量的測試驗證提供了可能。