CN102576048A - 用于甚高频应用的具有背腔的设备接口板 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，提供了一种设备接口板，其包括具有例如插座的DUT接口结构的印刷电路板，所述DUT接口结构与所述印刷电路板的DUT侧相连。高频连接器和电子元件安装在所述印刷电路板背面形成的腔体内。通过所述印刷电路板的信号通路将所述高频连接器和电子元件与所述DUT接口结构连接在一起。可提供包封结构，其包覆所述腔体，同时允许电缆连接到所述高频连接器。

Description

用于甚高频应用的具有背腔的设备接口板
背景技术
对于高性能半导体测试器(有时称为自动测试设备或ATE)而言，高达数千兆赫的测试器信号从测试电子器件通过称为设备接口板(DIB)的相对大型电路板汇集到一个或多个非常紧凑的被测设备或DUT的引线上。DUT通常设计为包括要和高性能数字信号一起包括的甚高频模拟信号。这些甚高频模拟信号包括例如移动电话射频信号、全球定位无线电信号、无线通信无线电信号等。在当今的高性能片上系统(SOC)中，DUT和测试器电子器件之间通常有数百条信号通道。为了保持此类高频信号的保真性，信号通道被构造成能提供准确匹配的阻抗(通常为50欧姆)。难以在存在大量信号通道的情况下提供准确匹配阻抗。
DIB安装在自动测试设备上，使得要在通常称为测试头的测试电子器件与DUT之间交换的电子信号通过直接利用弹簧针或者利用OSP、SMA、SMP或其他高速连接器从底面或测试器侧连接到DIB的电缆传送。DUT通过安装在DIB的顶面或DUT侧的插座连接。SMA同轴连接器(由Bendix Scintilla公司原创设计的A型超微连接器)、OSP同轴连接器(由M/A Corn of Lowell，MA原创设计的Omni-Spectra插入式连接器)以及SMP同轴连接器(由Gilbert公司原创发明)常常由例如Tyco Electronics公司(Berwyn，PA)等公司制造。
连接到DIB底面的电缆和通过DIB顶面的插座连接的DUT与导电迹线(带线或微带线)和通路连接以连接不同层的迹线。另外，DIB包含多种电子元件(如平衡/不平衡变压器(BalUns)、电感器、电容器和/或电阻器等)来调节测试信号以确保测试器资源与DUT要求之间的良好匹配。由于片上系统的复杂性使得在测试头与DUT之间传送的信号数量增加，DIB的厚度由于较大数字引脚数而增加。
由于DIB的尺寸增大，所以它们需要更大厚度来实现相同稳定性。另外，可降低测试成本的多点测试要求(同时测试多个DUT)会增加DIB的布线要求。这就迫使提供额外的层用于安排所有信号通道的所有布线迹线。当前DIB需要多达二十个信号层(大约5.08mm)并且在将来会需要至少三十个信号层，使得厚度按至少1.5的系数增大。由于需要更多层，DIB的厚度会增大。由于信号数量的增加，需要更多连接器，例如弹簧针。这样会对DIB产生更大机械压力，因此需要更厚的印刷电路板以承受更大压力而不会损坏印刷电路板。
图1为自动测试设备100的简化框图。自动测试设备100包括与测试头108通信的测试器主机102。测试头108连接到DIB 106。来自测试头108的信号可通过电缆组件路由到DIB 106。在操作中，DIB 106电连接到被测设备(DUT)104以便测试DUT 104。例如，自动测试设备(ATE)系统100用于测试集成电路，DUT 104可为包括执行数字和模拟功能的集成电路的半导体器件。高性能模拟功能的实例为移动电话发射器和接收器、数字无线发射器和接收器、射频识别发射器和接收器。这样，来自测试头108的信号通过DIB 106路由到DUT。
测试器主机102包括用于生成测试激励信号和评估测试响应信号的电路，该激励信号通过测试头108和DIB 106传送到DUT 104，该测试响应信号通过DIB 106和测试头108从DUT 104接收。DUT 104可为包括待测集成电路的封装硅DIB。DIB 106也可连接到探针接口卡，而DUT 104为包括安装到该探针接口卡的待测集成电路的半导体晶片。
图2为DIB印刷电路板200的横截面视图的示意图。DIB印刷电路板200具有DUT插座205，其通过例如弹簧或弹簧针触点207和209等压缩连接器连接到DIB印刷电路板200表面上的金属布线迹线。在DUT为执行数字和模拟功能的集成电路的情况下，数字信号230常常与模拟信号235分离，尤其是对甚高射频(RF)信号而言。模拟信号235通过插座的引脚209从DUT传送到通路215。通路215为在DIB印刷电路板200中钻出并电镀的洞。通路215连接到金属布线迹线220，该金属布线迹线连接至同轴连接器210。同轴连接器210可为OSP、SMA、SMP或其他高速连接器。模拟信号235在同轴连接器210和图1的测试头108之间传送。电子元件226被布置成与布线迹线220接触，以提供确保模拟信号235的信号保真性所需的补偿电路和终端电路。
如上所述，电路复杂性的增大和布线密度的增长使得DIB印刷电路板的厚度增大。由于DIB印刷电路板的厚度增大，导致性能在高速信号下通常会下降。性能的一个主要不利因素为通路215。本领域中已知的是，由于通路代表GHz频率模拟信号235的阻抗中断，因此通路的高速性能欠佳。由于元件/电路226距DUT插座205太远，因此对于某些匹配技术，长的通路215会导致问题。难以将匹配电子元件225布置在DIB印刷电路板200顶面上更理想位置(DUT插座205和DIB印刷电路板200之间)，这是因为DUT的RF引脚数增加导致DUT插座205下没有足够的空间。
现在参见图3A，其示出用于测量甚高频模拟信号235性能的DIB印刷电路板201的实例。在本实例中，DIB印刷电路板201具有连接到通路245的SMA同轴连接器210。通路245连接到金属布线迹线220，其为了此评估而连接到50n电阻器240，该电阻器连接到接地基准点222。SMA同轴连接器210具有布置在通路250中的护罩。通路250还在DIB印刷电路板201内以内部方式连接到接地基准点。
在本实例中，DIB印刷电路板201被构造成约5.08mm厚。这代表当前DIB印刷电路板201所采用的厚度。随着集成电路复杂性的增大，该厚度将更大。SMA连接器与长约5.08mm(0.2″)的通路245后面的50n终端电阻器240连接在一起。
图3B为图3A的实例中从SMA同轴连接器210通过通路245到达50n终端电阻器240的信号反射图。在图3A的实例中，在2GHz处存在-10d13的信号反射260。在使用5.08mm长的通路245的情况下，30输出功率的百分之十被反射260。此量级的反射260导致功率损耗并导致更难以匹配和补偿模拟信号235以保持信号保真性。
因此，需要的是被构造成能在甚高速模拟信号的布线通道中形成低损耗以保持高信号质量和保真性的DIB印刷电路板。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种设备接口板，其包括具有DUT接口结构(例如插座)的印刷电路板，所述DUT接口结构与所述印刷电路板的DUT侧相连。高频连接器和电子元件安装在该印刷电路板背面形成的腔体内。通过该印刷电路板的信号通路将高频连接器和电子元件与DUT接口结构连接在一起。可提供包封结构，其包覆腔体，同时允许电缆连接到高频连接器。
附图说明
图1为自动测试设备系统的简化框图。
图2为DIB印刷电路板的横截面视图的示意图。
图3A为用于测量甚高频模拟信号性能的DIB印刷电路板实例的示意图。
图3B为图3A中从SMA同轴连接器通过通路30到达50Ω终端电阻器的信号的前向反射图。
图4为DIB印刷电路板的实施例的横截面视图的示意图。
图5A为采用5包封结构的DIB印刷电路板的另一个实施例的横截面视图的示意图。
图5B示出包封结构的一个实例的透视图。
图6A为图5的DIB印刷电路板实施例的横截面视图的示意图，其中示出包封结构的另一种实施方式。
图6B示出包封结构的第二个实例的透视图。
具体实施方式
如图1所述，自动测试设备100包括与测试头108通信的测试器主机102。测试头108连接到DIB 106。来自测试头108的信号通过电缆组件路由到DIB 106。在操作中，DIB 106电连接到被测设备(DUT)104以便测试DUT 104。在图2中，电子元件226被布置成与布线迹线220接触以提供确保模拟信号235的信号保真性所需的阻抗匹配电路、补偿电路和终端电路，然而，由于元件/电路距DUT插座205太远，对于某些匹配技术，长的通路215会导致问题。因此，在一个实施例中，自动测试设备系统包括测试头108和DIB 106。测试头108采用电子电路以用于生成传送到至少一个被测设备104的测试激励信号，以及用于接收和评估来自至少一个被测设备104的测试响应信号。DIB 106布置在测试头108和至少一个被测设备104之间，以抑制甚高频信号的衰减。
图4为设备接口(DIB)印刷电路板300的横截面视图的一个实施例的示意图。设备接口板包括具有第一厚度355的印刷电路板300。DIB印刷电路板300具有DUT插座305，其通过弹簧或弹簧针触点307和309接触DIB印刷电路板300的顶部表面300t上的金属布线迹线。如上所述，在DUT为执行数字和模拟功能的集成电路的情况下，数字信号330常常与模拟信号335分离，尤其是对甚高RF频率而言。模拟信号335通过DUT插座305的引脚309从DUT传送至通路315。
在DIB印刷电路板300的背面或测试器侧300b(测试器侧)形成的腔体350使腔体下的印刷电路板300的厚度减小为第二厚度360，其可为例如DIB印刷10电路板300的厚度355的一半。在一个实例实施例中，20层DIB印刷电路板300为5.08mm厚并且腔体为2.54mm厚。
腔体350设置为紧邻DUT插座305。连接器310和电子元件320安装在腔体350内，以用于在图1的测试头108和DUT 104之间传送甚高频信号335。在腔体350内的印刷电路板300上钻出并电镀通路315，以将连接器310和电子元件325连接到DUT插座305并从而连接到被测设备。通路315可在腔体350形成之前或之后形成。电子元件325被布置成接触布线迹线320，以提供确保模拟信号335的信号保真性所需的阻抗匹配电路、补偿电路和终端电路。电子元件325为平衡/不平衡变压器(BalUns)、电感器、电容器和/或电阻器等，其调节测试信号以确保信号保真性。
在一些实施例中将电子元件326与连接器一起设置在腔体350内的一个优点为电子元件在DIB制造、测试和再加工期间可更易触及。图2的电子元件226被布置在DUT插座205和板200之间的DUT插座205下方。这样，电子元件226就不易于触及以进行调整、改变或更换。
然而，图4的实施例中的电子元件326在制造或维护期间易于触及，以允许提供适合的阻抗匹配电路、补偿电路和终端电路从而确保测试信号的保真度。
可通过加工处理从印刷电路板300移除材料而在印刷电路板300的背面300b上形成腔体350。加工处理可为对背面300b的表面进行铣削、刨削、打槽或成形以将印刷电路板的厚度减小为第二厚度360，其为印刷电路板300原始厚度的一部分，例如约二分之一。
在其他实施例中，通过层叠多层预浸渍层合叠堆302直到印刷电路板300达到第二厚度360(该厚度为第一厚度355的一部分或印刷电路板300的最终厚度)，在印刷电路板300的背面300b上形成腔体350。形成多重层合层304以在腔体区域350中提供开口。在腔体350内添加层合层直到累积了足够多的层合层304以使印刷电路板达到第一厚度355。一般来说，层合层302的材料具有用于极高RF应用的稳定、合适的介电常数。层合层304可具有与层合层302相似的介电常数，或材料为用绝缘纤维强化的热塑性或热固性聚合物(例如纤维玻璃强化的环氧树脂)的标准组合。
图5A为采用包封结构的DIB印刷电路板的一些实施例的横截面视图的示意图。DIB印刷电路板300还包括包封结构375，其可包覆腔体350，同时允许电缆连接到连接器310。包封结构375可为安装在腔体350内的连接器310和电子元件325形成隔离封装件。包封结构375可插入DIB印刷电路板300中并通过多重层合层302内的接地平面金属层380连接到接地基准点385。在一些实施例中，包封结构375会导电并有效地形成“法拉第笼”以将连接器310、金属布线迹线320、以及元件325与外部干扰电子噪声电隔离，同时允许信号电缆接头穿过。
图5B示出包封结构375的一个实例的透视图。包封结构375具有开口370。开口370将允许电缆(或连接器310的末端)从中穿过。这样电缆就可连接到连接器310。此电缆将DIB印刷电路板300连接到图1的测试头108，以将来自DUT插座305的甚高频RF信号325传送到测试头108。引脚376附接到包封结构375的侧面377的拐角处。包封结构375被布置在腔体350内，使得包封结构375的侧面377接触腔体的侧面，并且引脚376被布置成贯穿多重层合层302的电镀接地通路以接触接地平面380。引脚376的长度为约多重层合层302的厚度360。
图6A为图5A的DIB印刷电路板300的实施例的横截面视图的示意图，其中示出包封结构375的另一种实施方式。包封结构375的基本结构基本如图5A所示，不同的是包封结构375不包括引脚376，而是在腔体350的侧面内滑动。腔体350的侧面具有在其表面上形成的金属层395，其延伸到DIB印刷电路板300的底部表面上。包封结构375被布置在腔体350内，使得包封结构375的侧面377接触导电性金属层395。通过将包封结构375的侧面377焊接或硬钎焊400到金属层395，使包封结构375的侧面377粘附到金属层395上。金属层395固定到接地通路390a和390b。固定到通路390a和390b的金属层395形成到接地基准点385的连接。接地通路390a和390b接触连接到接地基准点385的接地平面380。如图5A所示，包封结构375有效地形成“法拉第笼”以将连接器310、金属布线迹线320、以及元件325与外部干扰电子噪声电隔离。
图6B示出包封结构375的第二实例的透视图。如图6A所示，包封结构375可具有开口370。开口370将允许电缆从中穿过以连接到连接器310。此电缆将DIB印刷电路板300连接到图1的测试头108，以将来自DUT插座305的甚高频RF信号325传送到测试头108。在各种实施例中，包封结构375可为封盖或其他导电性包覆装置。
应该指出的是，图4、图5和图6A的DIB印刷电路板300的各种实施例中示为在DIB印刷电路板300内形成单一腔体350。与本发明的目的一致的是，可根据从图1的测试头108和DUT 104传送的高频信号的数量和点335的数量在印刷电路板300内形成多个腔体350。另外，腔体350可具有一个或多个连接器310、一条或多条金属布线迹线320、以及一组或多组电子元件325。因此，包封结构375可具有多个开口370以允许多条电缆连接到连接器310。
这样，如上所述，在印刷电路板的背面300b形成腔体，其将印刷电路板的厚度减小为第二厚度。本发明的发明人已观察到，在图3A的实例中，在较薄(约2.54mm)的印刷电路板中，2GHz处的信号反射小于-30dB。与图3B中示出的2GHz处的-10dB信号反射260相比较，这小于SMA同轴连接器210处反射的输出功率的百分之一(1％)。
参见图4，在一些实施例中，根据腔体350的相对深度，腔体350可相对于DUT插座305设置，使得在DUT插座305下面或与之相邻的印刷电路板300的结构完整性不会减弱到使印刷电路板300疲劳和/或损坏的程度。因此，在一些实施例中，腔体350可偏移到DUT插座305侧并从而不与DUT插座305直接相对。其他布置和几何形状可以保持足够的结构支承以便在DUT插座305中插入DUT和从中取出DUT。如果在印刷电路板300上设置多个腔体350，它们可相互间隔开从而留出格子或印刷电路板300较厚部分形成的其他支承几何形状，其足以在DUT插座305下方或相邻位置提供结构支承，以在DUT的插入和取出期间抑制应力失效。在其他实施例中，包封结构375(例如刚性封盖和/或刚性导电性包覆材料结构)在腔体350处增加结构支承以允许在一个或多个腔体350的位置具有更高柔性。
应该指出的是，连接到设备接口印刷电路板300的图4、图5A和6A的DUT插座305是示例性的。其他实施例可具有其他DUT接口结构，即其他DUT连接装置(例如晶片探测装置)、或其他直接附连晶片测试装置、或其他接口装置，其与可根据上述说明构造的设备接口印刷电路板300相连。
虽然已经结合其实施例部分地示出和描述了本发明，但本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行各种修改。

Claims (27)

1.一种用于安装在自动测试设备内的测试头和至少一个被测设备之间的设备接口板，所述设备接口板包括：
a)具有DUT侧和背面的印刷电路板；
b)与所述印刷电路板的所述DUT侧相连的至少一个DUT接口结构；
c)所述印刷电路10板背面的腔体；
d)安装在所述腔体内的所述背面上的至少一个高频连接器和至少一个电子元件；以及
e)通过所述印刷电路板的至少一个信号通路，所述信号通路将所述至少一个高频连接器和所述至少一个电子元件连接到所述至少一个DUT接口结构。
2.根据权利要求1所述的设备接口板，还包括包封结构，所述包封结构包覆所述腔体并被构造成允许电缆连接到所述至少一个高频连接器。
3.根据权利要求2所述的设备接口板，其中所述包封结构将所述腔体电屏蔽。
4.根据权利要求3所述的设备接口板，其中所述25包封结构连接到接地基准点。
5.根据权利要求4所述的设备接口板，其中所述包封结构包括通过接地通路电连接到所述接地基准点的引脚。
6.根据权利要求4所述的设备接口板，其中所述包封结构具有电附接到导电层的侧面，所述导电层通过接地通路连接到所述接地基准点。
7.根据权利要求3所述的设备接口板，其中所述包封结构具有开口以允许电缆从中穿过到达所述连接器。
8.根据权利要求1所述的设备接口板，其中所述至少一个DUT接口结构为插座，并且其中所述腔体设置成紧邻所述至少一个DUT插座。
9.根据权利要求1所述的设备接口板，其中所述至少一个DUT接口结构为插座，其中所述腔体偏移到所述至少一个DUT插座的侧面。
10.根据权利要求1所述的设备接口板，还包括所述印刷电路板的所述背面的多个腔体。
11.根据权利要求1所述的设备接口板，还20包括所述印刷电路板的所述背面的多个间隔开的腔体。
12.根据权利要求1所述的设备接口板，还包括包覆所述腔体的刚性包封结构。
13.根据权利要求1所述的设备接口板，其中所述印刷电路板具有厚度，并且其中所述腔体延伸到所述印刷电路板内，占据所述印刷电路板的所述厚度的一部分。
14.根据权利要求1所述的设备接口板，其中所述至少一个电子元件包括阻抗匹配元件。
15.一种用于自动测试设备的设备接口板，所述设备接口板包括：
a)具有DUT侧和10测试器侧的印刷电路板，所述印刷电路板包括至少二十个布线层；
b)安装到所述印刷电路板的所述DUT侧的多个DUT连接装置；
c)在所述印刷电路板的所述测试器侧中的至少一半距离处形成的多个腔体；
d)安装在至少一个所述多个腔体内的所述测试器侧的高频连接器和电子元件；
e)通过所述印刷电路板的多个信号通路，所述信号通路将所述多个连接器和电子元件连接到所述多个DUT连接装置；以及
f)具有封装件封盖的所述多个腔体中的至少一个。
16.一种自动测试设备系统，包括：
a)测试头；以及
b)与所述测试头相邻的设备接口板，所述设备接口板包括：
1)印刷电路板；
2)至所述印刷电路板的DUT侧的至少一个DUT连接装置；
3)所述印刷电路板背面的腔体；
4)安装在所述腔体内的所述背面的至少一个高频连接器和至少一个电子元件；以及
5)通过所述印刷电路板的至少一个信号通路，所述信号通路将所述至少一个高频连接器和所述至少一个电子元件电连接到所述至少一个DUT连接装置。
17.根据权利要求16所述的自动测试设备系统，还包括包覆所述腔体的包封结构，所述包封结构被构造成允许电缆连接到所述至少一个高频连接器。
18.根据权利要求17所述的自动测试设备系统，其中所述包封结构将所述腔体电屏蔽。
19.根据权利要求18所述的自动测试设备系统，其中所述包封结构连接到接地基准点。
20.根据权利要求19所述的自动测试设备系统，其中所述包封结构包括通过接地通路电连接到所述接地基准点的引脚。
21.根据权利要求19所述的自动测试设备系统，其中所述包封结构具有电附接到导电层的侧面，所述导电层通过接地通路连接到所述接地基准点。
22.根据权利要求18所述的自动测试设备系统，其中所述包封结构具有开口以允许电缆从中穿过到达所述连接器。
23.根据权利要求16所述的自动测试设备系统，其中所述至少一个DUT接口连接为至少一个插座，并且其中所述腔体设置成紧邻所述至少一个插座。
24.根据权利要求16所述的自动测试设备系统，还包括所述印刷电路板背面的多个腔体。
25.根据权利要求16所述的自动测试设备系统，其中所述多个腔体间隔开。
26.根据权利要求16所述的自动测试设备系统，其中所述印刷电路板还包括包覆所述多个腔体中的至少一个的刚性包封结构。
27.根据权利要求16所述的自动测试设备系统，其中所述印刷电路板具有厚度，并且其中所述腔体延伸到所述印刷电路板内，占据所述印刷电路板的所述厚度的一部分。
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