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，微波集成電路的測試需求也越來越大。在射頻、微波探針應(yīng)用之前，對未貼裝的單片微波集成電路缺乏科學(xué)有效的測試方法，測試過程往往會導(dǎo)致電路表面受損，功能完整性無法保障。而在片測試技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)過程中，需要一種測試方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探針產(chǎn)品的可靠性驗證和測試。

1 虛擬儀器技術(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

■2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

該測試系統(tǒng)設(shè)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(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、自動插拔力測試機(jī)改裝的運(yùn)動平臺、GPIB 控制卡、光學(xué)顯微鏡等，軟件部分以LabVIEW 開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，GPIB 接口總線，基于VISA 庫和標(biāo)準(zhǔn)化SCPI 指令集，建立軟硬件通信，配置測試參數(shù)，實(shí)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(shè)計

工控計算機(jī)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(xué)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(diǎn)變化；通過COM 與自動插拔力測試機(jī)改裝的運(yùn)動平臺通訊，傳遞參數(shù)和觸發(fā)運(yùn)動。

2.2.1 工控計算機(jī)

工控計算機(jī)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(jī)、光學(xué)顯微鏡等的控制程序。計算機(jī)通過COM 口和USB 口分別連接插拔力測試機(jī)和光學(xué)顯微鏡，通過GPIB 控制卡連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。作為可靠性測試軟件的運(yùn)行載體控制運(yùn)動平臺、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)，存儲和分析可靠性測試數(shù)據(jù)。

2.2.2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

測試系統(tǒng)使用3672 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行被測件的S 參數(shù)測量。3672 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)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(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)測試。其通過配置高性能微處理器芯片的嵌入式計算機(jī)和基于Windows 操作系統(tǒng)的平臺環(huán)境，保障整機(jī)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(jī)；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(diào)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(kuò)頻、天線與RCS 測量接收等功能。3672 系列矢網(wǎng)可支持多達(dá)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(diào)用，即可實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的GPIB接口，用于發(fā)送和接收GPIB/SCPI 命令。

2.2.3 運(yùn)動平臺

系統(tǒng)的運(yùn)動平臺由連接器自動插拔力測試機(jī)改裝，改裝后的插拔力測試儀如圖2 所示。在工控機(jī)的控制下，可動支架帶動共面波導(dǎo)上下運(yùn)動，并使其和兩個探針接觸和分離。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，兩探針同時壓在直通線上時可作為一個被測整體測試S 參數(shù)。兩側(cè)探針使用同軸電纜接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口。

評點(diǎn)式閱讀教學(xué)強(qiáng)調(diào)了學(xué)生對文本的直接感悟，這是與中國古代哲學(xué)相通的。哲學(xué)家馮友蘭說：“中國哲學(xué)家以對于事物的直接領(lǐng)悟作為他們哲學(xué)的出發(fā)點(diǎn)?！倍u點(diǎn)式閱讀教學(xué)恰好以學(xué)生對文本的直接領(lǐng)悟為出發(fā)點(diǎn)。這在中國古已有之，“早在唐代，就有了詩的評點(diǎn)，宋代出現(xiàn)了文的評點(diǎn)，后來又出現(xiàn)了小說評點(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在明清時代大規(guī)模地評點(diǎn)小說，并且創(chuàng)下一門學(xué)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?！?/p>

圖2 插拔力測試機(jī)改造的運(yùn)動平臺

2.2.4 被測微波探針

微波探針是實(shí)現(xiàn)微波同軸傳輸系統(tǒng)到待測半導(dǎo)體芯片壓焊點(diǎn)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(jié)參數(shù)提取、MEMS 器件測試等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)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(yīng)當(dāng)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(shè)計要求，需要進(jìn)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(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(dǎo)觸接，形成被測整體。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

LabVIEW 支持多種接口的通信，具有靈活的可擴(kuò)展性，可以便捷地集成測試系統(tǒng)；具有便利的界面設(shè)計基礎(chǔ)和多樣的報表生成、曲線三維圖繪制控件。系統(tǒng)軟件設(shè)計基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)測試參數(shù)配置、運(yùn)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(shù)，將運(yùn)動控制和數(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、時間準(zhǔn)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(yùn)動平臺控制

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

通過測試機(jī)提供的API 接口和COM 口通訊向改裝的插拔力測試機(jī)輸入測試用戶配置的原始位置、運(yùn)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(dǎo)向上運(yùn)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(shè)定位置，接觸斷開。重復(fù)執(zhí)行單次測試，可動支架如此往復(fù)運(yùn)動，實(shí)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(luò)分析儀工作頻段覆蓋被測探針設(shè)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(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）。它描述了一個網(wǎng)絡(luò)（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(shè)計指標(biāo)，并通過連續(xù)多次測量的重復(fù)性表征其可靠性。

工控計算機(jī)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(diǎn)數(shù)等設(shè)置。在測試執(zhí)行中，配合運(yùn)動平臺狀態(tài)，在每次二探針與共面波導(dǎo)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(shù)。當(dāng)LabVIEW 作為ActiveX自動控制客戶端時，可以控制作為ActiveX 服務(wù)端的Office應(yīng)用程序。通過自動化引用句柄實(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工作表中記錄曲線原始數(shù)據(jù)和測試運(yùn)行次數(shù)。在報表模板中定義公式，實(shí)時統(tǒng)計曲線最差值點(diǎn)、同頻點(diǎn)多次測試的均值標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(nèi)，經(jīng)開方可求得單個探針指標(biāo)。測試發(fā)現(xiàn)與國外同類產(chǎn)品指標(biāo)相當(dāng)，且可靠性符合設(shè)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(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試儀當(dāng)前位置記錄為初始位置，設(shè)置可動支架（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)在測試參數(shù)配置界面輸入測試頻段，矢網(wǎng)中頻帶寬、掃描點(diǎn)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(diǎn)擊開始，運(yùn)行測試。

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

(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(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試是一項測試項目簡單但需要數(shù)萬次重復(fù)的試驗項目，僅憑人工幾乎無法實(shí)現(xiàn)，本文闡述的自動測試系統(tǒng)為驗證探針產(chǎn)品指標(biāo)可靠性提供了一種有效可行的方法，該自動測試系統(tǒng)從控制矢網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)動平臺及計算機(jī)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)。證明了該項技術(shù)在測試測量領(lǐng)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(xué)的應(yīng)用?？梢韵斯y試中的主觀因素，提高測試結(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)量的測試驗證提供了可能。