CN111721977A - 将测试和测量仪器耦合到被测装置的可表面安装的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于将测试和测量仪器耦合到被测装置的设备，包括被构造成附接在被测装置的两个导电部分之间的夹子，以及被构造成可移除地安装在夹子中的插入件。插入件被配置成在被测装置的两个导电部分之间提供电流路径。在实施例中，插入件包括电阻元件，其可以是圆棒电阻器。本文可描述和/或要求保护额外的实施例。

Description

将测试和测量仪器耦合到被测装置的可表面安装的设备

相关申请的交叉引用

本申请是2017年11月7日提交的题为“探针尖端和探针组件”的美国非临时专利申请15/806,270的部分延续。另外，本申请要求2019年3月21日提交的题为“用于将测试和测量仪器耦合到被测装置的可表面安装设备”的美国临时专利申请序列号62/821,972的权益。这两个相关申请都通过引用并入本文，如同它们的全部内容被复制一样。

技术领域

本公开涉及测试和测量系统，并且更特别地涉及测试和测量探针。

背景技术

今天的工程师正试图测试携带高速串行总线的装置。这些装置大都可以被认为是，但不限于，双倍数据速率第二代（DDR2）同步动态随机存取存储器（SDRAM）、双倍数据速率第四代（DDR4） SDRAM和外围部件互连高速（PCIe）。电压摆动的幅度和脉冲频率非常高，并且信令的复杂性需要精确的电探测。这些和其他总线在各种类型的消费者硬件装置中变得非常普遍。这些产品中的每种产品都有许多感兴趣的测试点。

这些产品中的测试点在几何形状和可接入性两方面差异极大，通常需要一个或两个接触点。通常，接触点包括微迹线、通孔、部件焊盘和连接器触点，它们提供与高速信号的电接触，并因此提供对高速信号的接入。然而，测试点并不总是在同一个平面上，并且如果一次需要两个探针触点（例如，如在差动探针的情况下），则非常希望尖端顺应性来辅助定位探针以进行正确接触。接触点可以以几乎每个取向角（包括从竖直到水平）存在于主成分分析（PCA）硬件上。在这些类型的场景中，测试点更容易被具有顺应性的探针尖端接入。

虽然对于这些接入点来说存在半永久形式的探针触点，包括将导线钎焊或用导电环氧树脂胶合到这些点，但是这种解决方案呈现出许多缺点，包括在连接期间对被测装置（DUT）的潜在损坏、长的设置时间、以及为了将导线钎焊到这些测试点而对优越的灵巧技能的需要。此外，半永久触点不提供快速调试。钎焊式探针尖端往往在仅几次连接之后就磨损，并因此产生对更换的需要，这会是明显昂贵的。最后，由于焊料和/或环氧树脂连接的品质和几何形状，往往存在信号保真度的高可变性，特别是在较高的信号频率中。

因此，仍然存在对与测试探针结合使用的改进探针尖端的需要。

附图说明

图1示出了根据所公开技术的某些实施例的探针尖端的示例的分解图。

图2示出了根据所公开技术的某些实施例的图1所示探针尖端的组装视图。

图3示出了根据所公开技术的某些实施例的单尖端测试探针的示例。

图4示出了根据所公开技术的某些实施例的差分探针的示例。

图5是根据所公开技术的某些实施例的测试探针尖端的频率响应图的示例的图形表示。

图6是根据本公开的各种实施例的示例圆棒电阻器的描绘。

图7是根据本公开的各种实施例的示例圆棒电阻器的描绘。

图8示出了根据本公开的各种实施例的用于将测试和测量仪器耦合到被测装置的设备的示例。

图9示出了图8的设备的示例应用。

图10示出了根据本公开的各种实施例的用于将测试和测量仪器耦合到被测装置的设备的另一示例。

图11示出了图10的设备的一部分的示例制造技术。

图12是根据所公开技术的某些实施例的设备的频率响应图的示例的图形表示。

具体实施方式

所公开技术的实施例大体包括探针尖端，该探针尖端适合于与测试探针一起使用，并且被配置成提供与测试点（例如，在被测装置（DUT）上）的精确的、顺应高度的、快速的和轻压力的接触。在一些实施例中，这种探针尖端可被配置为弹簧探针，其包括定位在与DUT接触点附近的电阻或阻抗元件。电阻或阻抗元件可极大地改进弹簧探针的通过响应，并且还可以明显地降低DUT负载，从而实现高速信号获取。

根据所公开技术的测试探针和探针尖端可有利地产生对探针尖端的部件之间的接触区域的更好的物理和电控制，并且还使自身很好地适合于通常不能适应长接触建立时间的快速调试环境。根据所公开技术的测试探针和探针尖端可有利地为各种类别的产品、特别是手持式或快速放置探针产品的连接放置和直观操作提供卓越的可视性。

图1示出了根据所公开技术的某些实施例的测试探针尖端100的示例的分解图。在该示例中，测试探针尖端100包括任选的顺应性构件或力偏转组件以及与其耦合的尖端部件108。

在该示例中，顺应性构件或力偏转组件包括被配置成与测试探针集成或耦合的筒部件102。探针尖端100还包括电阻元件106（例如，圆棒电阻器）和柱塞基座部件104，该柱塞基座部件104被配置成例如通过机电结合（例如，焊料、导电粘合剂等）来与电阻元件106的端面耦合。在下面的图6和7中描绘了说明性电阻元件。

在一些实施例中，电阻元件106可具有管状形式，其中电阻设置在其外圆周上。例如，电阻元件106可包括覆盖管的电阻涂层或层。另外，为了实现机电结合，电阻元件106可以包括设置在电阻元件106两端上的金属化触点。电阻器的管状结构可实现高带宽、低带宽负载。所描绘的电阻元件106的圆柱形形状可有利地最大化电阻元件106的横截面强度。应当理解，虽然被描绘为圆柱形的，但是电阻元件106也可以利用另一种合适的形状（例如，八边形、三角形等）来实施。

在该示例中，尖端部件108被配置成例如通过机电结合与电阻元件106的一端面耦合，该端面与耦合至柱塞基座部件104的端面相对。如本文所使用的，机电结合是提供电连接性以及结构/机械支撑的结合。尖端部件108可具有例如用于建立或以其他方式促进与DUT上的一个或多个接触点的细粒度电连接性的一个或多个点。

弹簧机构可被捕获或以其他方式定位在筒部件102内，并且柱塞基座104可被配置成在筒部件102内轴向滑动，并且因此被定位在筒部件102内的弹簧机构作用，以有利地产生压缩阻力。

图2示出了根据所公开技术的某些实施例的测试探针尖端200的示例的组装视图，该测试探针尖端200具有任选的顺应性构件或力偏转组件以及与其耦合的尖端部件。在该示例中，筒部件202接收柱塞基座204，该柱塞基座204例如通过机电结合与电阻元件206的一端耦合。电阻元件206可具有在其外圆周上带有电阻的管状形式。在该示例中，尖端部件208例如通过机电结合与电阻元件206的一端耦合，该端与电阻元件206的耦合至柱塞基座204的一端相对。

如同图1所示的测试探针尖端100，弹簧机构可被捕获或以其他方式定位在筒部件202内，并且柱塞基座204可被配置成在筒部件202内轴向滑动，并由其中的弹簧机构作用，以有利地产生压缩阻力。

图3示出了根据所公开技术的某些实施例的单尖端测试探针300的示例。在该示例中，测试探针300包括测试探针主体302和测试探针尖端304，诸如分别由图1和图2所示的测试探针尖端100和200。用户可使用测试探针300在测试探针尖端304和测试点（诸如，高速信号接入点或DUT上的其他合适的点）之间产生压缩阻力。

图4示出了根据所公开技术的某些实施例的差分探针400的示例。在该示例中，差分探针400包括探针主体402和两个测试探针尖端404和406，诸如分别由图1和2所示的测试探针尖端100和200。用户可使用差分探针400在测试探针尖端404和406中的任一者或两者与一个或两个测试点（诸如，高速信号接入点或DUT上的其他合适点）之间产生压缩阻力。

图5是根据所公开技术的某些实施例的测试探针尖端的频率响应图的示例的图形表示。电阻器制造的配置（例如，棒管性质）和与DUT触点的接触点的紧密接近产生对DUT上信号的非常平坦的响应，从而产生高信号再现保真度，同时保持DUT负载最小。这对于测量对负载敏感的信号总线是重要的。如果尖端/探针输入结构加载（例如，减少或更改信号眼图（signal eye）），则发射器-接收器之间的信令中断，被测通信总线不能正确工作，这会破坏测试。根据所公开技术的探针尖端有利地极大地限制了这个问题。

图6是对根据本公开的各种实施例的沿着线608和610的长度方向的横截面和两个宽度方向的横截面的描绘，其被描绘在具有示例电阻器600的类似编号的框中。如所描绘的，电阻器包括结构构件602、围绕结构构件602两端的圆周设置的金属层604a和604b、以及设置在圆棒电阻器的外表面上的电阻层606。

结构构件602由提供足够的结构刚性和足够的强度以承受探测应力而不断裂的材料构成。这样，结构构件602可以防止电阻器600嵌入封装材料中的需要。这会是有益的，因为将电阻器封装在封装材料（诸如，例如塑料）中会对所得探针尖端的频率响应的平坦度产生不利影响。为了帮助维持频率响应的平坦度，可能希望电阻器600周围的唯一绝缘材料是空气，这至少部分地通过结构构件602实现。提供足够结构刚性和足够强度的材料可以基于探针尖端的预期用途而变化，但是可以包括锆、石英或这些材料的任何组合。应当理解，这些材料仅仅意味着说明可能的材料，并且其他可能的材料对于本领域的普通技术人员来说将是容易辨别的。另外，虽然结构构件602被描绘为性质上大体是圆柱形的，但是应当理解，可以在不脱离本公开的范围的情况下利用其他形状（例如，八边形、三角形等）。

金属层604a和604b可以包括用于与柱塞基座部件104和尖端部件108形成电连接的任何合适的材料。这种材料可以包括银、金、铜或任何其他合适的导电材料、或者任何这些材料的组合。金属层604a和604b可以利用任何合适的工艺来施加，诸如微喷（micropenning）工艺或任何其他合适的工艺。金属层可以形成为帽，或者可以形成为使结构构件的两端暴露。

电阻层606可以是厚膜电阻层。该膜可以通过微喷工艺（例如，电阻油墨，诸如可从Ohmcraft获得的电阻油墨）、平网或任何其他合适的工艺来施加。电阻层606可以包括例如钌、铱和/或铼的氧化物，或者任何其他合适的材料。电阻层606可以被施加成在金属层的表面上抑或在金属层和结构构件602之间接触金属层604a和604b。另外，电阻层或用于该目的的任何其他层可被激光切割以获得额外的精度或调整电阻器的电阻量（例如，通过去除电阻层的一些部分）。

图7是根据本公开的各种实施例的沿着线708和710的长度方向的横截面和两个宽度方向的横截面的另一描绘，其被描绘在具有示例电阻器700的相似编号的框中。如所描绘的，电阻器包括半圆柱形结构构件702a和702b、围绕结构构件702的两端的圆周设置的金属层704a和704b、以及设置在结构构件702a和702b之间的电阻层706。

结构构件702a和702b由提供足够的结构刚性和足够的强度以承受探测应力而不断裂的材料构成。这样，结构构件702可以防止电阻器700嵌入封装材料中的需要。这会是有益的，因为将电阻器封装在封装材料（诸如，例如塑料）中会对所得探针尖端的频率响应的平坦度产生不利影响。为了帮助维持频率响应的平坦度，可能希望电阻器700周围的唯一绝缘材料是空气，这至少部分地通过结构构件702实现。提供足够的结构刚性和足够的强度的材料可以基于探针尖端的预期用途而变化，但是可以包括锆、石英或包括这些材料中的一者或多者的任何组合。应当理解，这些材料仅仅意味着说明可能的材料，并且其他可能的材料对于本领域普通技术人员来说将是容易辨别的。

金属层704a和704b可以包括用于与柱塞基座部件104和尖端部件108形成电连接的任何合适的材料。这种材料可以包括银、金、铜或任何其他合适的导电材料，或者任何这些材料的组合。金属层704a和704b可以利用任何合适的工艺来施加，诸如微喷工艺或任何其他合适的工艺。金属层可以形成为帽，或者可以形成为使结构构件的两端暴露。

电阻层706可以是厚膜电阻层。该膜可以通过微喷工艺（例如，电阻油墨，诸如可从Ohmcraft获得的电阻油墨）、平网或任何其他合适的工艺来施加。电阻层706可以包括例如钌、铱和/或铼的氧化物，或者任何其他合适的材料。电阻层606可以被施加成在金属层的表面上或者在金属层和结构构件602之间接触金属层604a和604b。另外，电阻层或用于该目的的任何其他层可被激光切割以获得额外的精度或调整电阻器的电阻量（例如，通过去除电阻层的一些部分）。

在常规的测试和测量系统中，不同类型的探针通常用于将不同类型的信号从被测装置（DUT）耦合到测试和测量仪器，诸如示波器，以便获取、可视化或对信号执行各种测量。例如，除了其他之外，测试和测量探针还包括电压探针、电流探针、光学探针和射频探针等。

电压探针通常用于测量来自DUT的电压信号。电压探针通常使用至少两个探针接触点或探针尖端连接到DUT，所述探针接触点或探针尖端物理地接触DUT上的测试点，诸如集成电路（IC）的引脚、球栅阵列（BGA）装置的钎焊球、印刷电路板（PCB）的通孔或焊盘、连接器引脚等。当测量差分电压信号时，两个探针接触点各自连接到DUT的两个相应测试点中的一者，每个测试点携带差分信号的一侧。当测量单端信号时，一个探针接触点连接到携带信号的DUT上的测试点，而另一个探针接触点连接到DUT上的携带参考电压（诸如，DUT的接地电压）的测试点。

电流探针通常用于测量来自DUT的电流信号。在DUT中，电流探针通常使用非接触探测方法连接到DUT，该方法在载流导体（诸如，导线）周围形成导电回路或线圈。电流探针能够感测流过导体的电流的幅度和方向，并产生代表电流信号的电输出信号。电流探针的导电回路通常通过打开电流探针的钳夹、将导体插入钳夹中、并闭合钳夹以形成回路来形成。由于需要机械部件，因此目前的探针常常体积很大。

目前公开技术的实施例大体提供了一种用于探测和测量DUT中的电压信号抑或电流信号或两者的小形状因数解决方案。特别地，实施例使得能够以简单的、非破坏性的微小型方式测量DUT内的电流信号。

如图8所示，实施例包括设备800，设备800包括被构造成钎焊到DUT 802中的小夹子810或插座状装置。例如，夹子810可被钎焊在PCB 802上的表面迹线804的两个部分804a、804b之间。夹子810被构造成被手工钎焊在适当的位置，抑或被自动拾取和放置机器处理，以通过已知的PCB加工操作以与其他电子部件（例如，表面安装技术（SMT）部件）相同的方式进行加工。用户可设计和布局PCB 802以容纳一个或多个夹子810的放置。在调试或故障排除应用中，用户可切割PCB的表面迹线804以在迹线中形成间隙，并且然后将夹子810钎焊在适当位置以桥接该间隙。在其他实施例中，夹子810可使用导电粘合剂而非焊料固定到DUT802。

一旦夹子810安装在DUT 802上，实施例通过将各种插入件815安装到夹子中来提供各种操作模式。插入件815被构造成容易地安装到夹子810中，例如卡扣到夹子810中，并且由用户容易地从夹子810移除。例如，插入件815可具有圆形横截面，使得它们更容易安装到夹子810中，因为不需要特定的取向。

在第一示例性模式中，对于正常的DUT电路操作，用户可将零欧姆插入件820安装到夹子中。零欧姆插入件820其电短路的作用，如同夹子/插入件组合800不存在于DUT电路中。零欧姆插入件820可包括零欧姆电阻器。在优选实施例中，电阻器可以是具有良好结构完整性和电性能的圆棒电阻器，诸如上述圆棒电阻器。

在第二示例性模式中，为了测量电压信号，用户可将非零欧姆电阻插入件830安装到夹子810中。换言之，用户可安装具有已知的电阻值的插入件830。所述已知的电阻值可被选择成适合于被测量的信号。像零欧姆插入件820一样，电阻插入件830可以是具有良好结构完整性的圆棒电阻器。在电阻插入件830安装在夹子810中的情况下，用户可通过例如将电压探针尖端夹到夹子810上使得其接触电阻插入件830的两端832、834来测量电压信号。替代地，电阻插入件830可集成到探针自身中，或者集成到探针尖端自身中。此外，可通过利用关系di/dt=(dv/dt)/R来确定电流信号。例如，可通过从探针接收输出信号的示波器来执行从所测量的电压信号对电流信号的这种确定。

在第三示例性模式中，用户可将电流测量插入件840安装到夹子810中。电流测量插入件840可包括非常短的电流回路和霍尔装置。该插入件840为DUT 802操作提供缩短的电路连接，并提供用于测量电流信号的微霍尔装置。此外，可以通过利用关系di/dt=(dv/dt)/R来确定电压信号。例如，可通过从探针接收输出信号的示波器来执行从所测量的电流信号对电压信号的这种确定。

图9示出了包括夹子910以及安装到夹子910中的零欧姆插入件920的设备900的示例性实施例。设备900可被安装到测试PCB上，其中信号迹线被切割以形成间隙，并且夹子910导电地附接以桥接信号迹线中的间隙。零欧姆圆棒电阻器920被安装到夹子中。

图10示出了所公开技术的另一个示例性实施例。在图10所示的设备1000中，插入件1020是电阻插入件，其具有基本上环绕插入件1020的周边的微线圈1026。如图10所示，在该组合插入件1020安装到夹子1010中的情况下，可通过将探针连接到插入件1020的两端来测量电压信号，例如，通过夹入对应的电压探针尖端使得其接触插入件1020的两端1022、1024。可通过将探针连接到微线圈1026的两端来测量电流信号。此外，如上文提到的，通过利用关系di/dt=(dv/dt)/R，可从所测量的电压信号确定电流信号，并且反之亦然。可以例如通过从探针接收输出信号的示波器来执行这种确定。

如图11所示，例如，用于组合插入件1020的微线圈1026可通过将非常细的导线缠绕在销规1110周围来构建。图11描绘了盘绕在0.011英寸直径的销规周围的导线。

图12是示出对测试电路在存在和不存在所公开的夹子/插入件系统800、900、1000的实施例的情况下的频率响应的比较的图表1200。迹线1210是未经修改的测试电路的频率响应的迹线，也就是说，没有安装夹子或插入件。迹线1220是被修改以安装有夹子的测试电路的频率响应的迹线，并且零欧姆插入件被安装在夹子中。迹线1230是被修改以安装有夹子的测试电路的频率响应的迹线，并且电阻插入件被安装在夹子中。如图12所示，经修改的测试电路的频率响应相当好地追踪未经修改的测试电路的频率响应，直到大约20 GHz，并且直到超过30 GHz才开始基本上偏离未经修改的测试电路的频率响应。

所公开技术的实施例还包括其他类型的插入件，以执行其他类型的DUT信号测量或测试。例如，在一些实施例中，信号注入插入件可安装到夹子中，以允许用户将信号容易地注入到DUT中的电路中。这可有益于测量受到干扰或串扰的信号。在其他示例性实施例中，可将时域反射计（TDR）或时域透射计（TDT）插入件安装到夹子中。这种TDR插入件可允许用户在夹子的一端或两端上执行DUT电路的TDR测量。这些插入件可连接到对应的探针，或者插入件可以集成到探针自身或者探针尖端自身中。

已经参考所示实施例描述和示出了本发明的原理，应认识到，在不脱离这种原理的情况下，所示实施例可以在布置和细节上被修改，并且可以以任何期望的方式组合。并且尽管前面的讨论已集中在特定的实施例，但是也可考虑其他的配置。

特别地，即使在本文使用了诸如“根据本发明的实施例”等表达，但是这些短语也意味着大体引用实施例的可能性，并且不旨在将本发明限于特定的实施例配置。如本文所使用的，这些术语可指代可组合到其他实施例中的相同或不同的实施例。

因此，鉴于在本文描述的实施例的各种各样的排列，该详细描述和附随的材料旨在仅仅是说明性的，并且不应被视为限制本发明的范围。因此，如本发明的要求保护的内容是可落入以下权利要求及其等同方式的范围和精神内的所有这样的修改。

Claims (20)

1.一种用于将测试和测量仪器耦合到被测装置的设备，包括：

夹子，其具有导电的第一端、导电的第二端和连接所述第一端和第二端的非导电构件，所述夹子被构造成附接在所述被测装置的两个导电部分之间，使得所述夹子桥接所述两个导电部分之间的非导电间隙；

第一插入件，其被构造成可移除地安装在所述夹子中，并在所述被测装置的所述两个导电部分之间提供基本上不受阻碍的电流路径；和

第二插入件，其被构造成可移除地安装在所述夹子中，并提供用于耦合到所述测试和测量仪器的一对信号测量点。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一插入件包括零欧姆电阻器。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述零欧姆电阻器包括圆棒电阻器。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二插入件包括电阻值R大于零的电阻元件。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电阻元件包括圆棒电阻器。

6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电阻值是基于所述被测装置的所述两个导电部分之间的待测量的信号的预期幅度范围来选择的。

7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电阻元件的所述两端提供所述一对信号测量点，并且所述一对信号测量点通过探针耦合到所述测试和测量仪器。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述测试和测量仪器被配置成测量电压信号v(t)。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述测试和测量仪器还被配置成通过使用关系di(t)/dt =(dv(t)/dt)/R来确定电流信号i(t)。

10.根据权利要求4所述的设备，还包括环绕所述电阻元件的微线圈，所述微线圈具有一对引线以提供所述一对信号测量点。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述一对引线提供与流过所述电阻元件的电流成比例的电压信号。

12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述一对引线通过探针耦合到所述测试和测量仪器。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述测试和测量仪器被配置成基于来自所述一对引线的电压信号来确定流过所述电阻元件的电流的幅度和方向。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述夹子被构造成由自动SMT拾取和放置机器来处理。

15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二插入件包括探针尖端的一部分。

16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二插入件包括电流测量插入件，所述电流测量插入件包括在所述被测装置的所述两个导电部分之间提供基本上不受阻碍的电流路径的导电导线回路，以及用于检测流过所述回路的电流的霍尔装置，并且其中所述霍尔装置的输出提供所述一对信号测量点。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述第二插入件被集成到电流探针中。

18.一种系统，包括：

夹子，其具有导电的第一端、导电的第二端和连接所述第一端和第二端的非导电构件，所述夹子被构造成附接在所述被测装置的两个导电部分之间，使得所述夹子桥接所述两个导电部分之间的非导电间隙；

第一插入件，其被构造成可移除地安装在所述夹子中，并在所述被测装置的所述两个导电部分之间提供基本上不受阻碍的电流路径；

示波器；和

探针，其中，所述探针的探针尖端包括被构造成可移除地安装在所述夹子中的第二插入件，所述探针尖端被配置成输出指示通过所述第二插入件的电流的电压信号，所述探针将所述探针尖端的输出耦合到所述示波器的输入。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第一插入件和所述第二插入件各自包括圆棒电阻器。

20.一种用于配置被测装置DUT的操作模式的方法，所述方法包括：

将夹子附接在所述DUT的两个导电部分之间，使得所述夹子桥接所述两个导电部分之间的非导电间隙，所述夹子具有导电的第一端、导电的第二端和连接所述第一端和第二端的非导电构件；

对于所述DUT的正常操作模式，将第一插入件安装到所述夹子中，所述第一插入件被构造成可移除地安装在所述夹子中，并且在所述DUT的所述两个导电部分之间提供基本上不受阻碍的电流路径；以及

对于所述DUT的测量操作模式，将第二插入件安装到所述夹子中，所述第二插入件被构造成可移除地安装在所述夹子中，并提供用于耦合到测试和测量仪器的一对信号测量点。

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