一种微波探针可靠性测试系统设计_谷帆.pdf

54|电子制作 2023 年 6月信息工程0 引言随着微波射频技术的快速发展，微电子产品的集成度在不断提高，微波集成电路的测试需求也越来越大。在射频、微波探针应用之前，对未贴装的单片微波集成电路缺乏科学有效的测试方法，测试过程往往会导致电路表面受损，功能完整性无法保障。而在片测试技术的应用能够直接测量芯片器件的电气特性和元件参数，微波探针可以作为微波集成电路在片测试的重要工具。在微波探针研制生产过程中，需要一种测试方法和系统实现探针产品的可靠性验证和测试。1 虚拟仪器技术与传统的电子仪器不同，虚拟仪器利用了计算机软件技术，使得测量系统具有更高的灵活性和可扩展性，且能够克服传统仪器成本高、数据显示、分析和存储不够强大等弱点，从而实现了对传统仪器功能的扩展和提升。其中，美国 NI公司的 LabVIEW 语言是广泛应用于虚拟仪器领域的一种计算机语言，具有图形化编程和数据流驱动等特点，可用于工业控制、仪表测量等领域，提高了工作效率并增强了科学和工程系统的构建能力。2 系统设计与实现 2.1 系统设计原理该测试系统设计包含硬件和软件两部分，其中系统硬件部分主要包括工控计算机、矢量网络分析仪、自动插拔力测试机改装的运动平台、GPIB 控制卡、光学显微镜等，软件部分以 LabVIEW 开发平台为基础，GPIB 接口总线，基于VISA 库和标准化 SCPI 指令集，建立软硬件通信，配置测试参数，实现被测件 S 参数连续测量，记录和分析测试数据。微波探针可靠性测试系统的组成框图如图 1 所示。2.2 系统硬件设计工控计算机通过 GPIB 控制卡与矢网连接，以控制测试状态和读取解析数据；通过 USB 连接光学显微镜，用于测试前辅助初始位置参数的确定，和观察测试前后触点变化；通过 COM 与自动插拔力测试机改装的运动平台通讯，传递参数和触发运动。图 1 系统组成框图2.2.1 工控计算机工 控 计 算 机 采 用 研 华 科 技 610L，主 要 用 来 安 装LabVIEW 开发平台和插拔力测试机、光学显微镜等的控制程序。计算机通过 COM 口和 USB 口分别连接插拔力测试机和光学显微镜，通过 GPIB 控制卡连接矢量网络分析仪。作为可靠性测试软件的运行载体控制运动平台、程控矢网和使用光学显微镜辅助定义初始位置参数，存储和分析可靠性测试数据。2.2.2 矢量网络分析仪测试系统使用 3672 型矢量网络分析仪进行被测件的S 参数测量。3672 型矢量网络分析仪的设计工作频率按型号可以覆盖 10MHz13.5GHz/26.5GHz/43.5GHz/50GHz/67GHz，其动态范围可达 130dB，灵活的配置方式可以实现微波部组件在一次连接的情况下完成复杂的综合多参数测试。其通过配置高性能微处理器芯片的嵌入式计算机和基于 Windows 操作系统的平台环境，保障整机的互联性和易用性。迹线噪声小，测量精度高。具有优异的高纯多通道激励源和高灵敏度高稳定性的多通道接收机；具有一体化脉冲S 参数测量、时域测量、混频器测量、增益压缩二维扫描测量、有源互调失真测量、信号完整性物理层分析、频谱分析、夹具自动移除、支持THz扩频、天线与RCS测量接收等功能。3672 系列矢网可支持多达 64 个通道，可同时显示最多 16一种微波探针可靠性测试系统设计谷帆，詹永卫，唐昱龙（中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛，266555）基金项目：青岛市高端研发机构项目“微弱突发宽带电磁信号微波光子快速探测技术”（No.21-7-3-9-jch）。摘要：本文阐述一种基于LabVIEW，以改造的插拔力测试机、矢量网路分析仪为基础的微波探针可靠性测试系统设计。通过运动控制、S参数测量、数据存储分析等功能，实现对微波探针插损、驻波比等指标的持续测试记录，以分析验证产品可靠性。关键词：LabVIEW；微波探针；可靠性；测试系统DOI:10.16589/11-3571/|55信息工程个测量窗口。每个窗口最多可同时显示 8 条测试轨迹。无需多次仪器状态调用，即可实现被测件多个参数测量，简化测试过程。3672 系列矢网提供符合 IEEE-488 标准的 GPIB接口，用于发送和接收 GPIB/SCPI 命令。2.2.3 运动平台系统的运动平台由连接器自动插拔力测试机改装，改装后的插拔力测试仪如图 2 所示。在工控机的控制下，可动支架带动共面波导上下运动，并使其和两个探针接触和分离。共面波导又称共面微带传输线，其主要结构是在介质基片同一面制作中心导体带和紧邻两侧的导体平面，两探针同时压在直通线上时可作为一个被测整体测试 S 参数。两侧探针使用同轴电缆接入矢量网络分析仪的两个端口。图 2 插拔力测试机改造的运动平台2.2.4 被测微波探针微波探针是实现微波同轴传输系统到待测半导体芯片压焊点之间宽频带匹配传输的过渡器。在射频集成电路在片测试、管结参数提取、MEMS 器件测试等领域有广泛应用，是高端射频微波测量仪器发展的必备工具。同轴探针应当具有宽频带、低插损、良好匹配的电性能，对寿命和对被测芯片低损伤有设计要求，需要进行测试验证。微波探针的多个微小接触簧片与被测试芯片压焊点的间距相匹配，接触簧片主要有 GS、GSG 等形式。在本系统设计中，为了方便被测探针的 S 参数测试，需要使两个探针与共面波导触接，形成被测整体。GSG100 探针与共面波导的接触如图 3 所示。2.3 系统软件设计LabVIEW 支持多种接口的通信，具有灵活的可扩展性，可以便捷地集成测试系统；具有便利的界面设计基础和多样的报表生成、曲线三维图绘制控件。系统软件设计基于 LabVIEW 实现测试参数配置、运动控制、仪器程控、数据存储和分析等功能。并通过使用队列技术，将运动控制和数据采集置于生产者循环，数据处理与记录置于消费者循环，先入先出的数据结构有序、时间准确可控地完成持续大数据量的可靠性测试。2.3.1 运动平台控制系统软件设计对运动平台的控制操作主要集中于初始化过程，完成的目标是向硬件配置运动参数，并在测试过程中按配置控制插拔力测试机可动支架往复运动，以配合矢量网络分析仪的测量。通过测试机提供的 API 接口和 COM 口通讯向改装的插拔力测试机输入测试用户配置的原始位置、运动行程、测定速度和测定总次数等信息。在可靠性测试执行过程中，单次测试时首先使可动支架带动共面波导向上运动，并使其和探针接触，此时可动支架保持不动，矢网读取 S 参数；S 参数读取后，可动支架下移到设定位置，接触断开。重复执行单次测试，可动支架如此往复运动，实现探针接触可靠性和寿命的自动测试。2.3.2 S 参数测量和解析本系统采用的矢量网络分析仪工作频段覆盖被测探针设计频段，可完成被测件通道插损，端口驻波比，相位差等S 参数测量，具备 GPIB 远程接口。S 参数是一种用于描述线性电路传输特性的指标，也称为散射参数（Scattering Parameters）。它描述了一个网络（如放大器、滤波器、天线等）对电磁波的散射和传输情况，包括反射系数和传输系数。本测试系统主要通过被测探针的S 参数表征其设计指标，并通过连续多次测量的重复性表征其可靠性。工控计算机通过 SCPI 指令与矢网通信，完成仪器初始化，曲线定义，起始终止频率、中频带宽、扫描点数等设置。在测试执行中，配合运动平台状态，在每次二探针与共面波导完全接触时，触发矢网单次扫描，使用查询指令读取已定义的 S12 对数幅度与相位，S11、S22 驻波比格式数据。2.3.3 数据存储和分析测试曲线数据的存储使用 excel 模板表格，LabVIEW 对Excel 的操作基于 ActiveX 技术。当 LabVIEW 作为 ActiveX自动控制客户端时，可以控制作为 ActiveX 服务端的 Office应用程序。通过自动化引用句柄实现与 Excel 的接口，控制工作表的选择与单元格的写入，按照既定格式在四个工作表中记录曲线原始数据和测试运行次数。在报表模板中定义公式，实时统计曲线最差值点、同频点多次测试的均值标准差图 3 探针与共面波导接触56|电子制作 2023 年 6月信息工程的数据。并能通过 XY Graph 控件、3D Graph 控件生成二维三维波形图表。以被测件 2.4mm GSG100 微波探针测试结果为例，经持续测试，失效前最大驻波比约 1.7，插损 1.4以内，经开方可求得单个探针指标。测试发现与国外同类产品指标相当，且可靠性符合设计要求。系统测试界面如图 4所示，矢网单次测试界面如图 5 所示。3 测试流程(1)在显微镜下，手动调节探针高度，使其和共面波导形成可靠接触。(2)软件调试界面读取插拔力测试仪当前位置记录为初始位置，设置可动支架（共面波导）行程，一般为00.05mm，可选择设置运行速度等其他参数。(3)在测试参数配置界面输入测试频段，矢网中频带宽、扫描点数、单次等待时间、判断阈值、测试总次数等必要参数，点击开始，运行测试。(4)共面波导往复和探针实现接触或断开，并在接触时读取 S 参数，记录到测试模板表格内。(5)完成测试，提示保存测试报表，可选择生成二维、三维图表。软件运行流程如图 6 所示。4 结论微波探针的可靠性测试是一项测试项目简单但需要数万次重复的试验项目，仅凭人工几乎无法实现，本文阐述的自动测试系统为验证探针产品指标可靠性提供了一种有效可行的方法，该自动测试系统从控制矢网数据采集、控制运动平台及计算机对曲线数据处理分析均很好地利用了基于 LabVIEW 虚拟仪器技术的优点。证明了该项技术在测试测量领域特别是微波部组件的可靠性验证方面有着显著优势和科学的应用。可以消除人工测试中的主观因素，提高测试结果的可靠性和准确性，为实现持续的大数据量的测试验证提供了可能。参考文献 1 方葛丰,刘毅,韩敬伟等.自动测试系统软件平台技术 J.仪器仪表学报,2009,30(10 增刊):195-199.2 张猛,刘长春,赵秉玉,文春华.微波探针的设计 J.电子测试,2020,12.3 孙伟,田小建,何炜瑜,张大明,李德辉,衣茂斌.共面微波探针在片测试技术研究 J.电子学报,2001.02.4 胡绍海,高亚峰,肖坦.基于 LabVIEW 的Excel 报表生成技术研究 J.测控技术,2007,10.图 5 矢网单次测试曲线开始选择是否重新调试运动平台参数需要Y等待人工配合显微镜调整初始接触位置查询记录初始位置，获取用户输入的行程、速度参数；保存为配置文件N读取上次保存的配置文件允许用户输入测试参数（测试频段、测试次数、扫描点数等）打开模板表格x测试次数控制运动平台托盘起落一次Y判断是否接触解析轨迹读取S参数YN是否导出报表Y保存测试报表结束N图 6 软件运行流程图 4 系统测试界面