在本期关于测试机-探针台的接口对接和探针台系列博客中，我们将讨论测试设备直接对接的最近发展以及对半导体晶圆探测行业的影响。向直接探测（Direct ProbeTM）的转变有利于最终用户改进测试速度和性能，但是给设备设计人员实施新的接口技术带来了难题。本文是一个系列的延续，第一部分回顾了自动测试设备（ATE）与DUT（待测物）的对接问题。欢迎点击阅读。
图1 是一台自动测试设备（测试机）的通用模型。自动测试设备（ATE）包含以下主要元素：（1）一个用于用户界面和编程的工作站；（2）一个容纳了所有配电源和智能设备以执行测试并收集返回数据的主机；（3）一个测试头，通常由一个测试机支架/机械手夹持。ATE的测试头包含驱动信号，提供工作电源并测量DUT的响应。
模拟仪器存在阻抗挑战，但是基于高速存储和逻辑测试的目的，数字I/O被设计为50欧姆传输线阻抗。为了最大限度地提高信号的保真度，并尽可能减少速度损失，探针卡包含匹配电路，以尽可能靠近DUT的测试连接。即使是通过探针卡的信号路径，也必须设计成内部阻抗尽可能接近50欧姆的传输线。
现代探针卡和设备对接板（DIB）带来额外的复杂性和成本，这就要求设计工程师在设计集成电路板（PCB）时必须遵循探针卡和DIBs（设备对接板）复杂的设计规则。例如，PCB必须有相等的路径长度，以及接地线和接地平面来保护信号线。 这就使得PCB的层数更高，从而增加了成本。 现在一些高引脚数的PCB有36层。阻抗端接电路在板子上占用了空间，而在9.5英寸甚至12英寸的圆形探针卡上就没有那么多了。
阻抗终端电路占用了线路板上的空间，而在9.5英寸甚至12英寸的圆形探针卡上没有那么多的空间。
图2展示的是一个普通的12英寸直径的晶圆探针卡。排除POGO™引脚、探针阵列和加强筋的接触区域，PCB板上剩下的电路可用空间已经不大了。
高引脚数会导致过大的探针力容易造成PCB（印刷电路板）变形，从而降低探测精度。高针数的探针卡还带来一些严重的机械负担。典型的钨探针尖端（垂直或悬臂）的作用类似弹簧，根据其探测位移施加力，压力值不同，但一般在每25um压缩3gmf的范围内徘徊。用于图形处理单元（GPU）的探针卡可以在1平方英寸的区域上分布4000个引脚。如果探针卡落地并将阵脚压缩75微米，则会产生36kg（79psi）的力。
由于引脚数量多导致过大的探测力，因此机械工程师采用了加强筋框架，厚度可达1英寸，来保持电路板的平整。一种情况是机械工程师在探针阵列上使用一个钢帽。由于较高的层数和对额外硬度的需求，PCB板变得更厚。一些探针卡的厚度达0.25英寸，这就增加了成本。
图3展示了基于POGO™的从测试头到晶圆的连接路径。弹簧触点接触PCB板的每个点都会产生插入损耗，并且理想的50欧姆驱动器和电路板的实际阻抗之间会略有不匹配。最主要的是，通过pogo tower（探针塔）的4~5英寸的空间间隔会增加信号的延迟和衰减。这些因素限制了此类探针卡方案的高端性能，根据其测试条件、电压裕度限制在数十兆赫兹。
在世界各地的晶圆厂中，仍然有很多这样的探针塔设备。2013年，我再纽约和Dresden的一些大公司从事系统诊断的设计和安装工作，从他们的应用来看，这种方案工作的很好。探针塔并不是死路一条，只是有其局限性。
对于那些在GPU和CPU领域处于高速测试前沿的人，Advantest V93000 Direct Probe™测试系统将DUT板和探针卡的功能整合到一块高速板上，在提高信号完整性和测试速度方面迈出了一大步。同时，他们还取消了探针塔方案。
如图4所示，直接探针方案摒弃了多个信号转换，并将路径长度削减到最短。另一个好处是为480mm*600mm探针卡的中心区域留出更多空间用于信号调节、开关和终端电路。
►图5是V93K 的12英寸和探针卡上负载板尺寸对比，板子的外缘预留了与引脚电子器件接触的空间，但中间三分之一处可以获取电路。
这项技术的提高是有代价的，其影响波及到每一个与自动测试设备（ATE）相连的硬件供应商和制造商。在后面的文章将会详细探讨其中一些问题，这里先说一些重点：
表面积从113平方英寸增加到446.4平方英寸，翻了4倍，这将原本已经很昂贵的、高层数的PCB变成了更昂贵的PCB，这种电路板通常动辄几万美元，而且我见过有的板子附加了复杂的探针阵列，价格超过10万美元。
传统的加强筋设计无法满足探针的压力需求。它在设计时只考虑到了测试机的电子元件，既太薄又在中间三分之一处留有一处很大的开放区域，探头阵列在该区域。Advantest 解决这个问题的方法是创建一个横跨中心开放区域的巨大金属条，称为“桥梁”，它也可作为晶圆探针台的安装位置。
因为电路板直接对接测试头，这意味着ATE测试头直接对接探测器。并且，由于探针卡想要被安装在探针器内部，意味着测试头必须要进入探针台内部。这影响了整个探针台的机械结构，从顶板到内部探针卡交换器。在上一家公司中，我必须为我们的工具设计一个全新的系统架构，我们花了一年多时间将其推向市场，并且不得不解决主要的载荷和振动耦合问题。
Direct Probe™技术为自动测试设备（ATE）带来了重大的改进，也是Advantest几十年来保持领先地位的因素之一。 作为一个设计了几十年自动测试设备的系统设计工程师，我非常欣赏这项技术。
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