1. 传统的射频参数测试方法局限
如前所述，射频测试来源于产品研发，用于描述常见的传输线特性等器件性能，例如双端/四端S参数（s11、s12、s21、和s22）和噪声参数（NF、1/F噪声）。人们在配置了直流测试设备的机架中增加微波器件测试仪器，从而实现从直流到射频频率的测量。但是，这些机架堆叠式测试系统在使用过程中通常都需要在晶圆上插入多个探针，才能同时满足校准和测量的需求。我们需要进行大量单独的测量工作才能完全分析出某个器件在直流和射频频率下的特性，因此这类系统的设计就导致非常长的测试时间。例如，采用矢量网络分析仪（VNA），我们通常要花几分钟到几个小时的时间才只能完成系统的初始校准工作，而在这类配置中只在一次校准之后是无法进行测量操作的。
与传统机架堆叠式系统相关的漫长的校准与测试时间是由于手工测试方法造成的，这种手工方法需要大量操作人员的介入才能完成测试系统的性能验证工作。尽管人们已经建立了射频测试方法，但是真正的实现非常复杂，可能需要非常专业的人员才能获得比较精确的校准和测量结果。采用传统的设备和方法完成一套完整的电池测试可能需要几天的时间。这对于产品研发过程中的原始器件特征分析或许是可以忍受的，但是对于过程监控的应用环境是不可行的：
需要特殊的探针和夹盘
没有测试执行程序；每种测试程序通常都是用BASIC编写的
需要多次手工校准；可重复性较差
手工去嵌入1操作容易受污染（谐振）的影响而导致探测偏差
测量速度、数据传输和参数提取较慢
需要专业人员从S参数数据中提取射频参数
数据完整性差，导致反复的测量和较低的产能
耗材成本较高（例如探针尖）
无法应用于生产监测，只能进行器件特征分析
2. 解决办法：
利用合适的仪器和探测硬件，加上测试执行软件，可以大大缩短校准和测试时间。现在单次测量的时间已经降为几个毫秒的量级，因此可以将射频参数提取应用于过程监控领域了。
自动探针包硬件和软件
为了确保高度的可靠性和可重复性，自动探针台所使用的探针、探针卡和互连线路必须在从直流到所关心的最高频率的范围内都能够表现出较低的损耗和反射特性。目前无线设备的上限频率是40GHz左右。对于这样宽的半导体测试频率范围，人们在互连方面通常使用精密的50Ω微型同轴线缆来连接探针和连接器接口。这种同轴线缆的设计相比平面的线缆设计具有更低的损耗和更少的辐射，测量可重复性可以到达-80dB的偏离度（isolation）。
可重复性也受稳定校准的影响，这与VNA的架构、探针设计和探针包软件有关。单独带弹簧的铍-铜或钨探针能够确保探测点反复接触而不失效，最大限度地减少电路损伤，增加探针寿命。最好的设计可以实现30万次以上的接触寿命。这些硬件所使用的探测控制算法应该自动产生一定量的过激励（overdrive），那么探测点不需要过分擦洗接触盘的表面，就能够实现可靠的探针接触，而不受灰尘、污垢和氧化物污染的影响。轻微擦洗以及所提供的精密接触区域观察功能能够进一步简化探针定位工作，提高精确校准所需的精度。为了增强数据完整性，某些探针卡的控制程序还提供了进行探针自动清洁的抛光例程（burnishing routine）。
通过测试执行程序中的自动校准算法，我们可以将一个系统级的校准过程缩短到两分钟左右。通过系统化的校准测试仪器、互连线路、探针卡、探针卡适配器和校准基片（calibration substrate），我们能够确保获得最高的总体精度。当测试频率或数据点发生变化时，我们不需要再次进行重新校准，手工校准会花费大量的时间。
VNA在射频测量中应用
S参数测量系统的核心是矢量网络分析仪（VNA）。对于这种VNA，我们主要关心它的白噪声（<-90dBm）、扫描的同步方式（每频率点锁定）、高速数据传输能力、内部大容量存储器、软件初始化校准和较高的MTBF指标（>50000小时）。对于在微波频率下有源和无源多端口器件的自动反向S参数测量中，VNA能够实现很高的精度。在350ms之内，VNA能够以1KHz的分辨率采集100个以上的数据集。如果测试执行程序中含有一个合适的射频宏函数库，那么我们可以利用VNA的S参数测量功能快速提取正确的射频参数（例如ft、fmax、fmin、Q、C、Rb、L、负载拉移（Load Pull）以及多种其他射频特征参数）。这些参数可以用表格、史密斯图、X-Y图等形式表现出来。
3. 应用例子：
目前吉时利已经将上面所介绍的设计方法成功应用于其最新的S600DC/RF APT系统中，用于实现过程监控。其关键的性能指标包括：
基于吉时利S600 APT带固态转换开关的直流测试系统以及Anritsu VNA技术，高速的射频测量能力实现了1KHz的频率分辨率、稳定自动校准以及从20到110GHz频率的模块化升级功能；
Anritsu VNA集成了快速扫描源、自动反向S参数测试装置和四通道接收器；
GGB的自对准G-S-G探针技术具有从直流到200GHz的测量能力，探针接触次数可达30万次以上（相比原来的系统提高了100多倍）；
吉时利System 41型射频开关技术是实现多DUT测试的一种方案，能够支持20GHz的测量；
可以在PASS/FAIL测试中使用单一界限或分段界限；可以对数据进行1到4096次求均值；
完全生产自动化、高效测试编程和高效率工具为所有直流和射频参数的测量提供了高产能和高精度。
APT系统的设计可以与任意自动探测器结合使用，能够在测试过程中快速执行全自动的一遍校准——不需要人工验证。校准过程包括对可能会影响数据完整性的探针盘/互连阻抗的自动去嵌入处理，执行时间只有大约两分钟。（传统机架式系统的手工校准过程需要进行四遍，耗时两个小时。而且，手工去嵌入操作会由于污染的影响而容易出现探测偏差，导致较低的数据完整性而不得不进行反复测量，降低了效率。）探针的自动清洁功能也在这一系统中实现了。
|
楼主
标题置顶
标题高亮
