DE69216681T2

DE69216681T2 - Einrichtung für in situ Ultrahochfrequenztests mit grosser Bandbreite

Info

Publication number: DE69216681T2
Application number: DE1992616681
Authority: DE
Inventors: Gerard Cachier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2012-05-13
Also published as: DE69216681D1; JPH05180897A; EP0514250A1; EP0514250B1; FR2676543A1; FR2676543B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die die Durchführung von Ultrahochfrequenztests in situ ermöglicht, d.h. an beliebigen Punkten einer Hybridschaltung oder einer monolithischen Schaltung, die im Ultrahochfrequenzbereich arbeitet.
Hybridschaltungen oder monolithische Schaltungen ermöglichen die Durchführung komplexer Ultrahochfrequenzfunktionen, die auf verschiedenen Ebenen getestet werden müssen. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus der inhärent analogen Beschaffenheit dieser Schaltungen, die automatisch eng gedrängte Realisierungsschablonen mit sich bringen. Diese Erfordernis ist besonders kritisch bei Ultrahochfrequenzen, denn die betrachteten Wellenlängen bringen eine entsprechende Verstärkung der Empfindlichkeit der Schaltungen gegenüber Abmessungen mit sich.
Im übrigen bedingen die von den Ultrahochfrequenzfunktionen geforderten Leistungen (Leistung, Rauschfaktor, Linearität, Durchlaßband und Filtercharakteristika, Präzision der Modulationen, ...) direkt diejenigen der Integrationsanlage und müssen folglich so präzise wie möglich garantiert werden. Der Vorläufercharakter vieler Ultrahochfrequenzbauelemente, die manchmal an den Leistungsgrenzen betrieben werden, unterstreicht den Bedarf an Ultrahochfrequenztests.
Bis jetzt werden die aktiven Bauelemente (Dioden, Transistoren, integrierte Schaltungen) vor der Montage getestet, wobei man sie kontinuierlich in Abhängigkeit von einer gegebenen Schablone arbeiten läßt, und zwar in den Phasen Modell, Prototyp und Serie. Integrierte Schaltungen können auch mit Ultrahochfrequenzen getestet werden, und zwar dank Testmaschinen unter Spitzen wie sie von CASCADE MICROWAVE verkauft werden.
Je nach dem Fall sind diese aktiven Bauelemente in einem Gehäuse, einem Träger für einen zu testenden Chip ("chip carrier") oder direkt in Chips in der Ultrahochfrequenzfunktion angebracht.
In den beiden ersten Fällen wird ein Ultrahochfrequenztest durchgeführt, um die endgültigen Leistungen der Bauelemente zu kontrollieren, und weil der Ursprung eines möglichen Fehlers leichter zu verstehen und zu reparieren ist.
Die Ultrahochfrequenzfunktionen werden in dichten oder hermetischen Schutzgehäusen realisiert, die mit Verbindern versehen sind. Manchmal wird vor dem Verschließen des Gehäuses ein Test für abschließende Einstellungen und möglicherweise für Reparaturen durchgeführt. Dies gilt insbesondere für komplizierte Gehäuse oder kritische Leistungen.
Schließlich wird das Gehäuse geschlossen und getestet, um die Leistungen der Subeinheit, der Einheit und der Integrationsanlage zu kontrollieren. Dabei handelt es sich um sogenannte Integrationstests.
Die sogenannten In-situ-Tests werden an jeder Stelle der Ultrahochfrequenzfunktion durchgeführt. In-situ-Tests sind allgemein nützlich, da eine direkte Verbindung zwischen der Topologie einer Halbleiterschaltung und der durch sie realisierten elektrischen Funktionen besteht. Genauer sind drei Ebenen von Erfordernissen für In-situ-Tests zu unterscheiden:
- bei Studien oder Modellen sind bestimmte Kopplungen zwischen Schaltungen oder bestimmte Energieverteilungen in den Versorgungsleitungen der Schaltungen modelllhaft noch schlecht dargestellt, und ein Werkzeug zum Messen dieser Energien würde ermöglichen, bestimmte Entwurfsunsicherheiten zu beheben;
- bei Prototypen werden bestimmte Leistungen erst nach der Einstellung erreicht. Zur Durchführung dieser Tests werden getrennte Gehäuse hergestellt, die eingestellt und dann zusammengebaut werden. Allerdings ist dieses Verfahren kostspielig, und es ermöglicht nicht die korrekte Miniaturisierung der Ultrahochfrequenzfunktionen. Ein In-situ-Ultrahochfrequenztest würde beispielsweise die Anpassung von auf Keramik in Kaskade geschalteten Verstärkern ermöglichen, wobei die an einem oder mehreren Punkten der Schaltungen zwischen den Stufen vorliegende Spannung gemessen werden. Ein Ultrahochfrequenztest in situ würde auch die Realisierung von Messungen der Rate der stationären Wellen (TOS) am Ausgang von Leistungsverstärkern ohne spezielle Testbank ermöglichen;
- die üblichen Ultrahochfrequenztests und die Tests an den Versorgungen ermöglichen in der Serie nicht die Eingrenzung von Designfehlern wie einer fehlerhaften Hochfrequenzverdrahtung oder sogar einer durchgängig fehlerhaften Verdrahtung, da allgemein mehrere Bauelemente parallel versorgt werden.
Eine bekannte Lösung für diese Probleme wurde von S.S. Osofsky et al. in dem Artikel "A Non-Contacting Probe for Measurements on High-Frequency Planar Circuits" 1989 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol. 1, June 1989, Long Beach, Cal., US; Seiten 823-825 beschrieben. Diese Lösung besteht darin, eine Sonde ohne Kontakt mit dem über einer Ultrahochfrequenzleitung mit Mikroband oder einer koplanaren Leitung bestehenden Magnetfeld vorzusehen. Diese Sonde, die aus zwei Stromschleifen und einer Ultrahochfrequenzausgangsleitung besteht, ist auf ein Siliciumplättchen geätzt. Um jedoch eine korrekte Kopplung durch Abgriff an einer Ultrahochfrequenzleitung der zu testenden Schaltung zu gewährleisten, ohne eine merkliche Wirkung darauf zu haben, muß eine extrem genaue Positionierung der Sonde und ihres Trägers über der Leitung (mit einigen zehn Mikrometern) gewährleistet werden, was schwierig durchzuführen und kostspielig ist. Außerdem muß die Sonde und ihre Ausgangsleitung auf eine Fläche mit schrägen Kanten geätzt werden, was die Realisierung noch schwieriger macht.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, den obengenannten Nachteilen der Erfindung abzuhelfen.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt insbesondere darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die Probleme bei Tests von Hybridschaltungen löst, die im Ultrahochfrequenzbereich arbeiten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung für in situ durchgeführte breitbandige Ultrahochfrequenztests vorzusehen, die leicht zur Positionierung an verschiedenen Stellen einer Ultrahochfrequenzfunktion gehandhabt werden kann und für die gegenwärtigen Anlagen für Messungen unter Spitzen (Gleichstrom oder mit Ultrahochfrequenz) geeignet ist.
Das Prinzip der Erfindung besteht im wesentlichen aus einem Bauelement des Typs "Chip", das zum Aufbringen auf das Substrat einer zu testenden Hybridschaltung bestimmt ist, um die von der Hybridschaltung über dem Substrat abgestrahlte elektromagnetische Welle zu erfassen und diese Welle oder ein Signal zum Messen der Merkmale dieser Welle an eine Maschine zum Test unter Spitzen zu liefern. Die Erfindung ist demnach bevorzugt auf offene Strukturen wie Mikrobandleitungen, koplanare Leitungen oder ähnliches anzuwenden.
Der Gegenstand der Erfindung liegt insbesondere in einer Vorrichtung für in situ durchgeführte breitbandige Ultrahochfrequenztests, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen; darin zeigen
- Fig. 1 veranschaulichend das Prinzip der Vorrichtung für Ultrahochfrequenztests nach der Erfindung;
- Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung für Ultrahochfrequenztests nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- Fig. 3 eine Draufsicht der Vorrichtung für Ultrahochfrequenztests nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- Fig. 4 eine Draufsicht der Vorrichtung für Ultrahochfrequenztests nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 weist die Vorrichtung für in situ durchgeführte breitbandige Ultrahochfrequenztest einen Träger wie 20, der aus einem Siliciumdioxidplättchen besteht, sowie Ultrahochfrequenz- Kopplungsmittel wie 15 auf, die von dem Trägermittel getragen werden, um über eine Ultrahochfrequenzleitung 25 (z.B. eine Mikrobandleitung) einer Ultrahochfrequenzschaltung zu gelangen und die Rolle einer Empfangsantenne zu spielen.
In dieser Figur wurde das Substrat 30 der in situ zu testenden Ultrahochfrequenzschaltung dargestellt. Im Ultrahochfrequenzbetrieb strahlt die Ultrahochfrequenzleitung über dem Substrat eine elektromagnetische Welle ab. Das Prinzip der Erfindung besteht darin, ein von der elektromagnetischen Welle erzeugtes elektromagnetisches Feld zu erfassen, um diese Charakteristika zu messen. Die Messung wird mit einer Testvorrichtung mit Testspitzen (Gleichstrom oder Ultrahochfrequenz) wie 10 durchgeführt, die auf Testpunkte (Kontaktstücke) der Ultrahochfrequenz-Kopplungsmittel gesetzt werden.
Die Ultrahochfrequenzkopplung kann eine direkte Kopplung, eine Kopplung mit dem Magnetfeld oder eine Kopplung mit dem elektrischen Feld der elektromagnetischen Welle oder jede andere Kopplung sein, die den Abgriff der Charakteristika der abgestrahlten elektromagnetischen Welle ermöglicht. Zu diesem Zweck werden entweder Dipolspannungssonden oder Stromschleifen verwendet, was im folgenden beschrieben wird. Ebenso könnten die elektrooptischen Effekte des AsGa oder die thermischen Effekte der Flüssigkristalle in Kombination mit Detektoren für Licht oder den Temperaturgradienten verwendet werden.
Ist das Ultrahochfrequenzsignal durch die Kopplungsmittel 15 abgenommen, dann wird es
- wieder auf eine Ultrahochfrequenzleitung, eine Lichtleitfaser u.a. bis zu einer Meßanlage gebracht,
- oder in situ in ein elektrisches Signal umgewandelt, wobei dieses elektrische Signal dann an die Meßanlage geliefert wird.
Die Wahl zwischen diesen Möglichkeiten wird getroffen in Abhängigkeit von:
- dem Substrat (Aluminiumoxid, AsGa),
- der Anzahl von Simultanmeßpunkten,
- der Arbeitsfrequenz der zu testenden Schaltung,
- der erforderlichen Bandbreite,
- der Meßdynamik,
- der notwendigen Kenntnis der Phase des Ultrahochfrequenzsignals,
- der Kompatibilität mit den Meßanlagen,
- den Beanspruchungen, denen die Schaltung ausgesetzt ist.
Das Siliciumdioxidplättchen 20 besitzt die Form eines Quadrats mit einer Seite von etwa 1 mm und einer Dicke von etwa 0,1 mm. Das Plättchen kann also mit Hilfe eines Binokularmikroskops oben auf einer Ultrahochfrequenzleitung einer sogar komplizierten Hybridschaltung positioniert werden, und zwar an verschiedenen Punkten zur Messung der Ultrahochfrequenz. Das Siliciumdioxidplättchen besitzt eine untere Seite 21 direkt gegenüber der Mikrobandleitung 25, die blank und durchlässig ist, sowie eine obere metallisierte Seite 22. Die obere metallisierte Seite ist zur Bildung von Anschlußstücken, Stromschleifensonden oder Dipolspannungssonden geätzt. Diese Sonden werden von den Spitzen einer herkömmlichen Testmaschine unter Spitzen verwendet. Das Siliciumdioxidplättchen besitzt den Vorteil, daß die Sonde(n) bezüglich der Ultrahochfrequenzleitung 25 in der Höhe korrekt positioniert ist. Die Dicke des Siliciumdioxidplättchens, die für den Kopplungskoeffizienten mit der Ultrahochfrequenz verantwortlich ist, muß einen ausreichenden Wert besitzen, um eine Abgriffskopplung zwischen -20dB und -50dB zu ermöglichen.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 veranschaulicht ist, ist die obere metallisierte Seite 22 des Siliciumdioxidplättchens 20 derart geätzt, daß eine Sonde 15 mit Stromschleifen 50, 51 mit zwei Kontaktstücken 40 gebildet ist.
Das von der Stromschleifensonde erfaßte Ultrahochfrequenzstromsignal wird in Ultrahochfrequenzspitzen einer Keramik 35 (einer sogenannten "Kaskadenkeramik") geschickt, wobei diese Spitzen auf den Kontaktstücken 40 angeordnet sind.
Diese Lösung, die ganz auf Ultrahochfrequenz basiert, ermöglicht es, die Amplitude und die Phase des ultrahochfrequenten Stromsignals auszunutzen, das in der Stromschleifensonde entwickelt wird.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 veranschaulicht ist, ist die obere metallisierte Seite 22 des Siliciumdioxidplättchens 20 ebenfalls zur Bildung einer Stromschleifensonde 50, 51 geätzt, die die Kopplung mit dem Magnetfeld der Ultrahochfrequenzwelle ermöglicht.
Die beiden Stromschleifen 50, 51, die symmetrisch zur Längsachse 26 der Ultrahochfrequenzleitung angeordnet sind, wirken gegensinnig und besitzen einen gemeinsamen Schleifenteil 52, der zur Bildung von zwei Anschlußklemmen 40 unterbrochen ist. Die beiden Anschlußklemmen 40, die im wesentlichen auf die Längsachse 26 ausgerichtet sind, sind miteinander durch eine Schottky-Diode 45 verbunden, die in Anlage an drei Punkten an dem Oberteil der Metallätzung angebracht ist. Die Diode 45 ermöglicht es, ein gleichgerichtetes Ultrahochfrequenzstromsignal zu erfassen, das für das Magnetfeld der Ultrahochfrequenzwelle an dem betrachteten Testpunkt steht.
Die beiden Stromschleifen 50, 51 sind ferner mit Kapazitäten 54, 53 von jeweils etwa 1 pF versehen, um die Diode 45 nicht zu überbrücken. Die in dieser Figur dargestellte Stromsonde besitzt zwei Optionen für Ausgänge unter Spitzen 59, 61 bzw. 60, 62 über die Schutzwiderstände 56, 58 bzw. 55, 57, die zur Versorgung der Spitzen (Gleichstrom) einer Testmaschine bestimmt sind.
Nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 4 veranschaulicht ist, ist die obere metallisierte Seite 22 des Siliciumdioxidplättchens zur Bildung einer Dipolspannungssonde geätzt, um eine Kopplung mit dem elektrischen Feld der Ultrahochfrequenzwelle durchzuführen. Die Dipolspannungssonde weist zwei Dipole 70, 75 auf, die gegenüber und symmetrisch bezüglich der Längsachse 26 der Ultrahochfrequenzleitung angeordnet sind, zwei Schottky-Dioden 80, 81, die jeweils zwischen jedem Dipol angeordnet sind, wobei die beiden gegenüberliegenden Dipole über einen Widerstand 83 in Serie geschaltet sind, um Gleichspannungen zu addieren. Die Dipolspannungssonde weist eine Ausgangsoption 85, 90 unter Spitzen (Gleichstrom) über Schutzwiderstände 82, 84 auf.
In Fig. 3 und 4 ist zu sehen, daß die Stromsonde und die Spannungssonde eine Symmetrieachse besitzen, die mit der Längsachse 26 der Ultrahochfrequenzleitung zusammenfällt, so daß hauptsächlich die Felder erfaßt werden, die an den Rändern der Ultrahochfrequenzleitung erscheinen, und bestmöglich die relativ gleichförmigen Felder zurückgedrängt werden, die aus den in dem Gehäuse der zu testenden Hybridschaltung vorliegenden parasitären Strahlungen stammen.
Folglich ist die Vorrichtung für Ultrahochfrequenztests nach der Erfindung ein Wandler, bei dem die üblichen Maschinen für Ultrahochfrequenztests verwendet werden können. Es können so viele Wandler ins Auge gefaßt werden, wie dies die Fläche der zu testenden Hybridschaltung und die Anzahl der normalerweise an der Testanlage vorhandenen Spitzen zulassen.
Die Vorrichtung für Ultrahochfrequenztests nach der Erfindung ist besonders gut für Messungen im Mikrowellenbereich, z.B. von 1 bis 100 GHz geeignet. Die Abmessung der Ultrahochfrequenzfunktionen liegt nämlich typischerweise in der Größenordnung eines Zehntels der Wellenlänge in dem die Schaltung tragenden Material, also 0,3 mm bis 30 GHz mit einer Dielektrizitätskonstante von 9, was sich für die Möglichkeiten vorhandener Mikromanipulatoren gut anbietet.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, und man könnte weitere Varianten vorsehen, ohne deshalb den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Schottky-Diode(n) können beispielsweise durch eine Modulationsdiode (eine sogenannte "PIN"-Diode) ersetzt sein, um eine Modulation der Ultrahochfrequenzwelle durchzuführen, die am Ausgang der Ultrahochfrequenzfunktionen erfaßt wird, und deren Amplitude für das in den Wandler gekoppelte Feld steht.

Claims

1. Vorrichtung für in situ durchgeführte breitbandige Ultrahochfrequenztests zum Testen einer Ultrahochfrequenzschaltung, die wenigstens eine eine elektromagnetische Welle abstrahlende Ultrahochfrequenzleitung (25) aufweist, wobei die Vorrichtung ein Trägermittel (20) und vom Trägermittel getragene Ultrahochfrequenz-Kopplungsmittel (15) zum Erfassen der elektromagnetischen Welle aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß das Trägermittel (20) eine erste Seite (21) und eine zweite Seite (22) aufweist, die einander entgegengesetzt und im wesentlichen parallel sind, wobei das Trägermittel bei einem Test mit seiner ersten Seite direkt in Kontakt mit der Leitung (25) gebracht wird, daß die Kopplungsmittel (15) auf der zweiten Seite (22) des Trägermittels angeordnet sind und daß die Dicke und das Material des Trägermittels so bestimmt sind, daß der Kopplungskoeffizient mit der Ultrahochfrequenzleitung auf einen Wert festgelegt ist, der eine gewünschte Abgriffskopplung gewährleistet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermittel durch ein Siliciumdioxidplättchen gebildet ist, dessen untere erste Seite (21) durchlässig ist und dessen obere zweite Seite (22) metallisiert ist, wobei die Kopplungsmittel durch Ätzungen auf der metallisierten Oberseite des Siliciumdioxidplättchens gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel Stromschleifensonden sind, um eine Kopplung mit dem Magnetfeld der Ultrahochfrequenzwelle zu realisieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel Dipolspannungssonden sind, um eine Kopplung mit dem elektrischen Feld der Ultrahochfrequenzwelle zu realisieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschleifensonden aus zwei Stromschleifen (50, 51) gebildet sind, die gegensinnig parallel wirken und einen gemeinsamen Schleifenteil (52) haben, wobei der gemeinsame Schleifenteil zur Bildung von zwei Anschlußklemmen (40) unterbrochen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrahochfrequenzleitung eine Längsachse (26) hat und daß die beiden Stromschleifen (50, 51) symmetrisch in bezug auf die Längsachse der Ultrahochfrequenzleitung angeordnet sind, wobei die beiden Anschlußklemmen im wesentlichen in einer Linie mit dieser Längsachse liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Diode (45) enthält, welche die beiden Anschlußklemmen (40) verbindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Dipolspannungssonden (70, 75) enthält, die einander entgegengesetzt angeordnet sind, wobei jede Dipolspannungssonde einen mit einer Diode (80, 81) ausgestatteten Dipol hat, wobei die Dipole außerdem in Serie geschaltet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrahochfrequenzleitung eine Längsachse (26) hat und daß die Dipole (70, 75) symmetrisch in bezug auf die Längsachse der Ultrahochfrequenzleitung angeordnet sind.