随着 AI 算力集群、高速光互连(800G/1.6T)及先进 SerDes 总线技术的演进,芯片内外的数据传输速率已逼近电域物理层的极限。差分信号架构凭借其共模抑制能力,已成为当前高速数字与毫米波集成电路设计的主流选择。
在设计验证与量产测试环节,在片差分 S 参数测量的准确性直接决定了芯片的流片成功率与最终良率。然而,在探针选型与测试系统搭建过程中,工程团队长期面临一个技术取舍困境,而该困境的核心,聚焦于 GSSG(Ground-Signal-Signal-Ground)型探针的固有串扰特性。
行业惯性与技术痛点:GSSG串扰问题的由来
在晶圆级差分测试中,探针的针尖配置直接影响信号完整性:
- GSGSG结构(地-信号-地-信号-地):由于在两条信号线之间插入了地线,实现了良好的电磁隔离,被视为差分测试的"黄金标准"。但其代价是需要更大的焊盘间距(通常>150μm),且配套校准件成本高昂。
- GSSG结构(地-信号-信号-地):去除了信号线之间的中间地,显著缩小了探针所需的最小物理间距,能够适应更紧凑的芯片布局。然而,缺少地隔离导致两条信号线之间存在不可忽略的同侧串扰(S31/S42)。
根据 FormFactor、MPI 及 Rohde & Schwarz 等厂商的公开技术资料,该串扰会严重污染 Mixed-Mode S 参数,且传统的 SOLT(短路-开路-负载-直通)校准模型因不包含串扰误差项,无法从算法层面消除这一物理耦合。实测数据表明,常规 GSSG 探针的串扰普遍在 -10dB 至 -15dB 范围内。在此条件下,增益/损耗测量结果将出现高达 ±1.7dB 的显著误差(具体对应关系见表1),这使得业界普遍将 GSSG 探针定性为仅适用于定性观察,而不宜用于定量精准测试。
表1 GSSG串扰水平对测量误差的影响
| 同侧串扰(S31) | 未经修正的典型测量误差 |
|---|---|
| -15 dB | 1.42 dB / -1.7 dB |
| -20 dB | 0.83 dB / -0.92 dB |
| -25 dB | 0.48 dB / -0.5 dB |
| -30 dB | 0.27 dB / -0.28 dB |
| -35 dB | 0.15 dB / -0.15 dB |
现有校准修正方案的局限性
针对 GSSG 探针串扰问题,业界已提出两种主要的修正路径,但均存在一定局限性:
增加串扰项校准
(如 R&S/FormFactor 方案):在 VNA 误差模型中增加串扰项。
局限性:串扰是边界条件(温度、频率、探针落点)的敏感函数。一旦测试环境或状态发生漂移,修正项的有效性将下降。
使用专用低串扰校准件
(如 MPI 方案):使用 GSGSG 结构传输线作为校准标准。
局限性:校准件自身的低串扰特性不等于探针本身的低串扰。当转换回 GSSG 探针测量实际 DUT 时,探针自身的串扰问题并未被消除。
Open-reflect TRL 校准(团队早期探索)
用开路(Open)替代短路(Short)作为反射标准。
局限性:该方法在宽频段内稳定性不足,且存在过校准风险,对操作人员的理论要求较高。
上述方法的共同特点是在算法与后处理层面进行修正,属于"扬汤止沸",未能从物理上降低串扰源。
硬件层面的解决方案:微增材制造与三维结构重构
为解决上述根本问题,我们回归电磁场物理本质。依托西安交通大学科研团队的五年技术积累(获国家自然科学基金项目支持)及自主微金属增材制造(Metal Additive Manufacturing)工艺,对 GSSG 探针的内部三维结构与电磁场分布进行了重新设计。
- 设计逻辑:通过物理结构优化来抑制串扰,而非依赖校准算法进行事后修正。
- 实现路径:采用专利的三维立体屏蔽结构,优化信号线与地之间的物理场约束路径,从源头抑制两条信号线间的辐射耦合与共地耦合。同时,微增材工艺的一体化成型特性避免了传统多部件组装带来的结构误差与辐射泄漏。
- 对比结果:传统工艺 GSSG 探针串扰普遍在 -10dB 至 -15dB;新型结构探针的串扰则得到了显著抑制。
实测数据与性能验证
以下数据来自矢量网络分析仪及太赫兹扩频模块的实测验证:
当 GSSG 探针的串扰被压低至 -30dB 以下时,由串扰引入的测量误差被压缩至 ±0.3dB 以内。这表明 GSSG 结构在"窄间距"与"高精度"之间不再需要做非此即彼的选择。
工程应用价值与产品现状
除射频性能提升外,该方案在工程易用性方面也具有实际价值:
- 校准流程简化:由于探针自身串扰极低,无需依赖专用差分校准件。用户采用通用的 SOLR(短路-开路-负载-未知直通)校准方法即可完成测试环境搭建。
- 当前覆盖频段:
- 波导系列:110-170GHz / 140-220GHz / 170-260GHz(针间距 100-150μm 可选)。
- 同轴系列:DC-120GHz(串扰 -30dB)/ DC-175GHz(串扰 -25dB)。
- 发展规划:DC-250GHz 同轴 GSSG 探针的量产工艺正在推进中。
结语
串扰是限制 GSSG 探针应用于精准测试的主要障碍。本文探讨了一种基于微增材制造工艺的硬件解法,通过重构三维电磁结构,在 110-170GHz 频段实现了低于 -35dB 的实测串扰,使 GSSG 结构在紧凑间距下仍能保持高精度测量能力。
如需进一步技术交流、获取完整实测报告或探讨具体应用需求,欢迎与我们联系。