Aufgrund der rasch zunehmenden elektrischen Verluste mit zunehmender Frequenz und immer kleiner werdender Strukturen auf den Halbleitern und Modulen ist eine präzise Messung der Hochfrequenzeigenschaften schon bei 80 GHz eine sehr schwierige und kostenintensive Aufgabe. Bei 145 GHz werden bereits die physikalischen Grenzen für eine praktisch sinnvolle Anwendung von Koaxialkabeln erreicht und es muss bei noch höheren Frequenzen mit Hohlleitern gearbeitet werden. Es reicht heute nicht mehr aus, den Baustein mit 50-Ohm-Verbindungen wellenwiderstandsgerecht mit dem Messgerät (zum Beispiel dem Spektrumanalysator oder dem Netz­werkanalysator) zu verbinden: für heute geforderte Rauscheigenschaften, Linearitäts­merkmale und Wirkungsgrade von Halbleiterverstärkern als Schlüsselbauelementen, werden Tuner benötigt, die den Aufbau der Probe Station maßgeblich beeinflussen.

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Bild 1: Prinzip der GSG-Probe. BSW

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Die am häufigsten verwendeten Probes sind vom Typ GSG, die zwei GND-Kontaktfedern und eine Signal-Kontaktfeder in der Mitte besitzen (Bild 1). Damit kann eine einzelne HF-Signalleitung kontaktiert werden. Entscheidend ist nicht nur eine möglichst störstellenfreie Kontaktierung des Signalpins, sondern auch der Masseflächen des Chips über die GND-Pads. Die HF-Chips werden mit Kontaktflächen (Pads) hergestellt. Diese dienen zur Herstellung von Bondkontakten zu Gehäuse, Modul oder einer Leiterplatte, auf die der Chip später aufgebaut wird. Gleichzeitig können auf den Pads die Kontaktfedern der Probe aufgesetzt werden, um einen Test auf dem gesamten Wafer oder auf bereits ausgesägten Chips vorzunehmen.

Daneben gibt es auch GS- und SG-Probes, die nur mit einer GND-Kontaktfeder ausgestattet sind und verwendet werden, wenn auf dem Chip nicht genügend Fläche für die beiden GND-Pads pro Signalleitung verfügbar ist (Bild 2). Besonders bei Frequenzen über 40 GHz ist die Übertragungsqualität mit den vereinfachten Typen problematisch und kann zu schwer interpretierbaren Messergebnissen führen.

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Bild 2: Prinzip der GS- und SG-Probe. BSW

Als Pitch wird der Abstand zwischen der Signal- und der GND-Kontaktfeder bezeichnet. Er sollte bei 40 GHz, je nach Auslegung des Chips oder der Streifenleitung auf dem Substrat des Prüflings, im Bereich von 100 bis 200 µm liegen. Wird der Pitch zu groß, muss der hochfrequente GND-Strom über einen großen Umweg von dem GND-Pad zu der GND-Kontaktfeder fließen. Das hat ähnliche Auswirkungen wie das Einfügen einer Induktivität im Signalpfad und kann die Übertragungsqualität empfindlich stören. Für die sehr hohen Frequenzen sollte daher der Pitch so klein wie möglich gewählt werden.

Die Halbleiter-Pads werden in den meisten Fällen mit einer feinen Oberfläche aus Aluminium oder Gold hergestellt. Die Oberfläche der Probe-Kontaktfedern müssen zur Pad-Oberfläche des Chips passen: für Aluminium werden bevorzugt Federn mit Wolfram-, für Gold Federn mit Gold- oder Beryllium-Kupfer-Oberfläche verwendet. Das Kontaktieren auf verzinnte Oberflächen ist problematisch, da die Kontaktfedern dann schnell verunreinigen.

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Bild3: GSG-Probe mit 1-mm-Stecker für DC bis 110 GHz. GGB Inc.

GSG-Probes mit Koaxialstecker

Kommerziell verfügbare GSG-Probes mit Koaxialstecker sind heute bis 145 GHz verfügbar (mit 0,8 mm Koaxialanschluss). Mit den nun auch verfügbaren Kabeln können Messgeräte mit etwas Abstand von der Probe positioniert werden, wenn dies baulich bedingt nötig ist. Nachteilig sind die hohen ohmschen Verluste des 0,8-mm-Koaxialsystems. Schon bei den Probes mit 1,0-mm-Koaxialstecker sind die erheblichen Verluste der HF-Kabel ein großes Problem für die Charakterisierung von rauscharmen Vorverstärkern und Leistungs­verstärkern (Bild 3). Mit neuen Steckersystemen wie dem 1,25-mm-Steckersystem bis 90 GHz versucht man gangbare Zwischenlösungen für Spezialanwendungen zu finden.

Probes mit Koaxialkonnektoren sind für Multiportkonfigurationen verfügbar.  Datensignale auf Chips und Leiterplatten werden bevorzugt differenziell ausgeführt, da die kritischen Übergänge von den Chip-Pads zur differenziellen Streifenleitung auf der Leiterplatte wesentlich bessere Übertragungseigenschaften haben. Zur Kontaktierung gibt es dazu GSSG- oder GSGSG-Probes (Bild 4). Es wurden aber auch bereits Probes mit einer noch höheren Anzahl an HF-Ports bis zu 110 GHz auf den Markt gebracht, die zum Beispiel bei der Optimierung von Phased-Array-Radarsystemen und MIMO-Schaltungen der 5G-Systeme Anwendung finden.

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Bild 4: Zusammenfügen eines GS- und SG-Probes zu einem GSSG-Probe. GGB Inc.

GSG-Probes mit Hohlleiteranschluss

Müssen verlustfreiere Verbindungen oder noch höhere Frequenzen erreicht werden, empfiehlt sich die Verwendung von GSG-Probes mit Hohlleiteranschluss. Hier gibt es bereits Lösungen bis zu 1100 GHz (Bild 5). Allerdings ist jeder Hohlleiter nur für ein begrenztes Frequenzband verwendbar. Daher sind diese Lösungen nicht für Messungen an Chips für die hochbitratige optische Datenübertragung geeignet, für die eine breitbandige Übertragung von zum Beispiel 100 kHz bis hin zu maximal 145 GHz in einer einzigen Signalleitung benötigt wird. Mit dem Hohlleiter kann kein Gleichstrom übertragen werden. Dafür wird ein in der Probe integriertes Bias-T mit einem Koaxialstecker verwendet.

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Bild 5: GSG-Probe mit WR-1.0 Hohlleiteranschluss und Bias-T für 750 bis 1100 GHz. GGB Inc.

Kalibration von Probes

Die Kalibration von Probes für die Netzwerkanalyse erfolgt mit Kalibriersubstraten. Wie bei koaxialen Kalibrierkits können die üblichen Standards wie Leerlauf (Open), Kurzschluss (Short), angepasste Last (Load) und kurze verlustarme Verbindungsleitung (Thru) verwendet werden. Dazu gibt es Kalibriersubstrate mit TRL-Strukturen (TRL: Transmit-Reflect-Line, meist aufgebaut aus Verbindungsleitung, Kurzschluss und HF-Leitung mit Kurzschluss). Die einzelnen Kalibrierstandards werden als Streifenleitungsschaltung auf dem Substrat realisiert und müssen zur Kalibration einzeln kontaktiert und gemessen werden. Gegenüber hochohmigen Tastköpfen für Oszilloskope und DC-Probes mit Kontakt­nadeln werden HF-Probes auf eine eindeutige Referenzebene kalibriert. Damit können präzise S-Parameter und Impedanzmessungen gemacht werden, was gegenüber allen anderen Kontaktierungsmethoden der entscheidende Vorteil ist.