JP3821057B2

JP3821057B2 - ２端子回路素子測定装置およびコンタクトチェック方法

Info

Publication number: JP3821057B2
Application number: JP2002172257A
Authority: JP
Inventors: 孝桑原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: JP2004020246A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料と測定装置との接続をチェックするコンタクトチェック機能付きの２端子回路素子測定装置およびコンタクトチェック方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チップ形状の受動部品は小型化の一途をたどり、近年、携帯端末のような小型機器においては0603サイズ（0.6mm×0.3mm）が使用されるようになった。これに伴い、部品メーカの自動検査工程においてもプロービングの信頼性が問題になっている。そのため、チップ部品の自動検査工程で使用されるような回路素子測定装置の多くには、試料（以下DUTという）との接続をチェックするためのコンタクトチェック機能が用意されている。
【０００３】
通常の抵抗測定においては、リード抵抗の影響を受けない４端子測定が用いられる。しかし、リード抵抗が無視できるような高抵抗測定では、２端子測定が用いられている。
【０００４】
高抵抗測定の代表的な従来例として、コンデンサの絶縁抵抗測定がある。コンデンサは絶縁抵抗が高いほど良品とされる。ところで、測定装置とDUTとが接触不良を起こしていても、接触不良と判別できなければ高絶縁であると誤診し良品と判断されてしまう。そのため、絶縁抵抗測定とともにDUTの交流インピーダンスを測定することによりコンタクトチェックを行い、接触不良による誤測定を防止している。
【０００５】
２端子のコンタクトチェック機能付き回路素子測定装置の従来例として、例えば特許第３１５５３１０号がある。図３は特許第３１５５３１０号に記載の図２の（Ａ）（以下先行例の図という）をさらに具体化した例である。なお、先行例の図と同等部分には同一符号を付してある。
【０００６】
図３において、４は回路素子測定装置、５は３軸同軸ケーブル、６はDUT、７はインダクタ、８はコンデンサ、12は直流電流計、13は直流電圧源、22は交流電流計、23は交流電圧源、24は交流電圧計、41はフェライトコアトランスである。
【０００７】
直列接続されたインダクタ７と、直流電流計12およびコンデンサ８と交流電流計22とが互いに並列接続され、さらにDUT６に直列接続されている。それらには、直流電圧源13とフェライトコアトランス41を介して交流電圧源23により、交流電圧が重畳した直流電圧が印加されている。
【０００８】
DUT６の絶縁抵抗は、既知の直流電圧源13の値と流れる電流の直流成分を直流電流計12で測定することにより求められる。一方、DUT６の容量は、フェライトコアトランス41に印加した電圧を交流電圧計24で、また、流れる電流の交流成分を交流電流計22で測定することにより求められる。
【０００９】
ここで、インダクタ７のインダクタンスは測定周波数におけるDUTのインピーダンスよりも十分大きく、コンデンサ８の容量は測定周波数におけるDUTのインピーダンスよりも十分小さくなるようにそれぞれ設定されている。
【００１０】
コンタクトチェックの結果は、直流電流計12と交流電流計22の測定値が共に0である場合に接触不良と判断され、交流電流計22の測定値が0でない場合にはDUT６と測定装置４の接続が正常と判断される。
【００１１】
図３において、50は交流電圧源23の出力抵抗、51と55はオペアンプ、52と56は電流／電圧変換（I/V変換）用のインピーダンス、53と57はA/Dコンバータである。
【００１２】
フェライトコアトランス41の１次側（交流電圧源23が印加される側）に印加される交流電圧は、フェライトコアトランス41の励磁インピーダンス、DUT６のインピーダンス、交流電圧源23の出力インピーダンス50に依存するため、交流電圧計24で直接測定する必要がある。
【００１３】
直流電流計12は、演算増幅器（以下オペアンプという）51とインピーダンス52を用いたI/V変換器と、A/Dコンバータ53から成る。これらの回路の基準電位は54のコモン電位である。
オペアンプ51は、バイアス電流やオフセット電圧の変動が小さい高精度のものが用いられる。インピーダンス52は、直流の微小電流を電圧に変換するため、直流に対しては高インピーダンスとなっている。
【００１４】
一般的に、高精度のオペアンプは広帯域ではない。したがって、DUTの入力容量に対して安定に動作するように、インピーダンス52で帯域制限をする必要がある。特許第３１５５３１０で用いられている数百kHzの帯域において、直流電流計12は十分なフィードバック効果が得られず、電流計としては動作できない。
【００１５】
一方、交流電流計22は直流電流計12と同様に、オペアンプ55、インピーダンス56から成るI/V変換器と、A/Dコンバータ57から構成されている。オペアンプ55は、高周波に対応するために高速で広帯域のオペアンプが用いられる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の装置では、フェライトコアトランスで交流電圧を印加しているため、次のような課題がある。
（１）フェライトコアトランスの励磁インピーダンスは、交流電圧源の負荷となるため、ある程度上げる必要がある。そのためには一次側の巻数を多くしてインダクタンスを上げるか、周波数を高くしてインピーダンスを上げることになる。しかし、前者は構造が大きくなり、後者は周辺回路を高い周波数に対応させなければならない。
【００１７】
特許第３１５５３１０号に記載の装置では後者を選択しており、数百ｋＨｚの周波数で数十Ωの励磁インピーダンスを得ている。しかし、電流計を構成するオペアンプにおいて、高精度と高帯域とはトレードオフの関係にあるので、精度が要求される直流電流計と高帯域が要求される交流電流計とは、第３図に示すように、別々の回路で実現しなければならない。したがって、回路規模が大きくなり、コストアップを招く。
【００１８】
（２）交流電圧源の出力抵抗とフェライトコアトランス１次側の励磁インピーダンスと２次側の負荷（DUT）により、１次側に印加される交流電圧は変動する。そのため、特許第３１５５３１０号に記載の装置では交流電圧計を用意して１次側の電圧を測定している。したがって、回路規模が大きくなり、コストアップを招く。
【００１９】
（３）安定した励磁電圧を得るためには、３軸同軸ケーブルの第１、第２導体がフェライトコアトランスの中心に位置するように固定しなければならない。従って、コンタクトチェックの精度に対して構造的な不安定要素が存在する。
【００２０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、交流電圧源の周波数を下げて直流電流計と交流電流計を同じ回路を用いて実現し、DUTが交流電圧源の負荷にならないようにして交流電圧計を省き、フェライトコアトランスを用いずにコンタクトチェックの精度に対して構造的な不安定要素をなくすことにより、回路規模を小さくし、コストダウンおよび小型化を図り、コンタクトチェックの精度を上げることのできる２端子回路素子測定装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
中心導体である第１導体とこの第１導体の外周に設けられた第２導体とこの第２導体の外周に設けられた第３導体とからなる３軸同軸ケーブルの一端の第１導体と第２導体間に測定装置本体が接続され、このケーブルの他端の第１導体と第３導体間にＤＵＴが接続される２端子回路素子測定装置であって、
前記測定装置本体は、
前記３軸同軸ケーブルを介してＤＵＴと直列接続された電流計と、前記直列接続されたＤＵＴと電流計に交流電圧を印加する交流電圧源と、前記コモンラインと接地状態の前記３軸同軸ケーブルの第３導体の間に直流電圧を印加する直流電圧源と、前記電流計の出力をディジタル信号処理して直流成分と交流成分を抽出しこれらを基にコンタクトチェックを行う信号処理手段を備え、
前記電流計は、
反転入力端子が前記３軸同軸ケーブルの第１導体に接続され非反転入力端子が前記３軸同軸ケーブルの第２導体に接続されて前記交流電圧が印加される演算増幅器と、この演算増幅器の帰還路に並列接続されたコンデンサおよび抵抗と、前記演算増幅器の出力をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器とで構成され、
前記交流電圧源の交流電圧信号の周波数が前記演算増幅器の動作可能な周波数以下に設定され、前記電流計はその周波数において前記コンデンサのインピーダンスが前記抵抗よりも小さく直流においてコンデンサのインピーダンスが抵抗より大きくなるように設定されて交流電流計および直流電流計として兼用されることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、直流電流計と交流電流計を同じ回路を用いて実現でき、また、DUTが交流電圧源の負荷にならないようにして、交流電圧計を省くことができる。また、従来のようなフェライトコアトランスを使用しないのでコンタクトチェックの精度に対して構造的な不安定要素をなくすことができる。
【００２３】
この場合、請求項２のように、前記交流電圧源は、前記電流計にはコンタクトチェック時に接続され、絶縁抵抗測定時には接続されないように構成することもできる。
【００２６】
また、請求項３のように、
前記３軸同軸ケーブルを第２導体でガーディングすることによりコンタクトチェックがケーブル容量の影響を受けないようにすることもできる。
【００２７】
請求項４の発明は、
請求項１ないし３記載の２端子回路素子測定装置を用いてＤＵＴとこの測定装置の接続状態を検出するコンタクトチェック方法であって、
前記電流計と信号処理手段により求めた電流の直流成分と交流成分の測定値が共に０である場合は接触不良、前記交流成分の測定値が０でない場合には接続が正常であると判断するコンタクトチェック方法である。
【００２８】
この場合、請求項５のように、
前記ＤＵＴに生じるオフセット容量を、ＤＵＴと接続したときと接続しなかったときとの差をとることによりキャンセルすることが可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る２端子回路素子測定装置の一実施例を示す構成図である。図１において、図３と同等部分には同一符号を付してある。
【００３０】
４は２端子回路素子測定装置の本体部分である。５は３軸同軸ケーブル、６はDUT、13は直流電圧源、23は交流電圧源、60は電流計、61は高精度のオペアンプ、62は交流電流測定用コンデンサ、63は直流電流測定用抵抗、64はA/Dコンバータ、65はCPU、66はCPUのプログラムが格納されているメモリである。
【００３１】
電流計60とDUT６は直列接続されており、それらには、交流電圧源23と直流電圧源13により交流電圧が重畳した直流電圧が印加されている。
DUT６の絶縁抵抗は、既知の直流電圧源13の値と、流れる電流の直流成分を電流計60とCPU 65で測定することにより求められる。一方、DUT６の容量は同様に、既知の交流電圧源23の値と流れる電流の交流成分を電流計60とCPU 65で測定することにより求められる。
【００３２】
そしてこれらの回路の基準はコモンライン54の電位である。直流成分の抽出は、A/Dコンバータ64の出力データをCPU 65がディジタル信号処理、具体的にはローパスフィルタを通すことにより求められる。交流成分の抽出は同様にハイパスフィルタを通したあとで、DUTが接続されていない場合（オープン状態）との差をとることにより求められる。
【００３３】
そして、それらのプログラムはメモリ66に格納されている。コンタクトチェックの結果は、電流の直流成分と交流成分の測定値が共に0である場合に接触不良と判断され、交流成分の測定値が0でない場合にはDUT６と測定装置４の接続が正常と判断される。
【００３４】
交流電圧源23は、高精度のオペアンプ61でもI/V変換器として十分動作できる周波数、例えば10kHzに設定されており、この周波数においてコンデンサ62のインピーダンスは抵抗63より十分小さく、直流においてコンデンサ62のインピーダンスは抵抗63より十分大きくなるように設定されている。
【００３５】
次にコンタクトチェックの動作を説明する。例えば、DUT６の絶縁抵抗を1GΩ、抵抗63を10MΩ、直流電圧源13を100V_DC、交流電圧源23を1Vp-p、コンデンサ62の値をDUT６の1/10/100倍とした場合、DUTの接続されている場合と接続されていない場合とで、A/Dコンバータ64の入力電圧は表１のようになる。
【００３６】
表１

【００３７】
つまり、予めV2を測定しておけば、最小で0.01Vp-pの交流成分の違いを検出することにより容易にコンタクトチェックを実現できる。コンデンサの容量範囲は非常に幅広いが、部品メーカの検査においてはほぼ既知の値が扱われるので、選択されたDUTの容量の範囲に合わせてコンデンサ62の値を適宜選べばよい。
【００３８】
その際、コンデンサ62は抵抗63とともにオペアンプ61の帯域制限をしているので、安定性も考慮に入れてコンデンサ62の値を決める必要がある。
また、DUTとの接続に３軸同軸ケーブルを用いて、第２導体でガーディングすることにより、ケーブル容量の影響を受けずに精度良くコンタクトチェックを行うことができる。さらに、DUTを固定する治具周りのオフセット容量をキャンセルするためには、オープン状態との差をとること（オープン補正）が有効である。
【００３９】
以上のように、交流電圧源をオペアンプの非反転入力に接続してDUTに交流電圧を印加することにより、次のような効果が生じる。
（１）交流電圧源をDUTから切り離し、交流電圧値を既知のものとして扱うことができ、別途交流電圧計を用意する必要がなくなる。
（２）交流電圧源の周波数を下げることができ、また、ディジタル信号処理を加えることにより、直流電流計と交流電流計を同じ回路で実現することができる。
（３）構造的な不安定要素がなくなり、コンタクトチェックの精度を上げることができる。
【００４０】
つまり、これらを実現することにより、コストダウンおよび小型化され、コンタクトチェックの精度を上げた回路素子測定装置を得ることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
例えば、図２のような構成としても構わない。図２において図１と同等部分には同一符号を付してある。図において、71はスイッチ、72はCPU、73はCPUのプログラムが格納されているメモリである。
【００４２】
通常、コンデンサの検査ラインにおいて、絶縁抵抗測定と容量測定はそれぞれ専用の測定装置で行われるので、絶縁抵抗測定装置におけるコンタクトチェックは容量値を正確に測定する必要はなく、DUTが接続されているか否かを判断できればよい。
【００４３】
したがって、例えばDUTが接続されていない状態のしきい値を1pFとし、コンデンサ62の値を100pFに固定してもよい。オペアンプ61の出力の交流成分は、コンデンサ62とDUTの容量比で決まるので、接続されるDUTの容量値によっては、オペアンプ61の出力が飽和する場合もあるが、DUTが接続されているか否かを判断することは容易である。
【００４４】
ただし、オペアンプ61の出力が飽和してしまうと、絶縁抵抗測定で支障が出るので、スイッチ71により、絶縁抵抗測定と容量測定のモードを切替える必要がある。つまり、コンタクトチェック時はスイッチ71をNO側に、絶縁抵抗測定時にはスイッチ71をNC側に接続して、時間をずらして測定することになる。
【００４５】
この場合、絶縁抵抗測定の時間とは別にコンタクトチェックの時間が必要になるが、絶縁抵抗測定は非常に高いインピーダンスの測定であるので、交流電圧源を切り離すことは、精度の良い測定に対して有効である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果がある。すなわち、交流電圧源を演算増幅器の非反転入力端に接続してDUTに交流電圧を印加するようにしたため、
（１）交流電圧をDUTから切り離し、交流電圧値を既知のものとして扱うことができ、別途交流電圧計を用意する必要がなくなり、
（２）交流電圧源の周波数を下げることができ、また、ディジタル信号処理を加えることにより、直流電流計と交流電流計を同じ回路で実現することができ、
（３）構造的な不安定要素がなくなり、コンタクトチェックの精度を上げることができる。
【００４７】
そして、これらが実現できることにより、コストダウンおよび小型化およびコンタクトチェックの精度を上げた２端子回路素子測定装置を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２端子回路素子測定装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図３】従来の２端子回路素子測定装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
４本体部分
５３軸同軸ケーブル
６ DUT
１３直流電圧源
２３交流電圧源
６０電流計
６１演算増幅器
６２コンデンサ
６３抵抗
６４ A/D変換器
６５，７２ CPU
６６，７３メモリ
７１スイッチ

Claims

中心導体である第１導体とこの第１導体の外周に設けられた第２導体とこの第２導体の外周に設けられた第３導体とからなる３軸同軸ケーブルの一端の第１導体と第２導体間に測定装置本体が接続され、このケーブルの他端の第１導体と第３導体間にＤＵＴが接続される２端子回路素子測定装置であって、
前記測定装置本体は、
前記３軸同軸ケーブルを介してＤＵＴと直列接続された電流計と、前記直列接続されたＤＵＴと電流計に交流電圧を印加する交流電圧源と、前記コモンラインと接地状態の前記３軸同軸ケーブルの第３導体の間に直流電圧を印加する直流電圧源と、前記電流計の出力をディジタル信号処理して直流成分と交流成分を抽出しこれらを基にコンタクトチェックを行う信号処理手段を備え、
前記電流計は、
反転入力端子が前記３軸同軸ケーブルの第１導体に接続され非反転入力端子が前記３軸同軸ケーブルの第２導体に接続されて前記交流電圧が印加される演算増幅器と、この演算増幅器の帰還路に並列接続されたコンデンサおよび抵抗と、前記演算増幅器の出力をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器とで構成され、
前記交流電圧源の交流電圧信号の周波数が前記演算増幅器の動作可能な周波数以下に設定され、前記電流計はその周波数において前記コンデンサのインピーダンスが前記抵抗よりも小さく直流においてコンデンサのインピーダンスが抵抗より大きくなるように設定されて交流電流計および直流電流計として兼用されることを特徴とする２端子回路素子測定装置。
前記交流電圧源は、前記電流計にはコンタクトチェック時に接続され、絶縁抵抗測定時には接続されないように構成されたことを特徴とする請求項１記載の２端子回路素子測定装置。
前記３軸同軸ケーブルを第２導体でガーディングすることによりコンタクトチェックがケーブル容量の影響を受けないようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の２端子回路素子測定装置。
請求項１ないし３記載の２端子回路素子測定装置を用いてＤＵＴとこの測定装置の接続状態を検出するコンタクトチェック方法であって、
前記電流計と信号処理手段により求めた電流の直流成分と交流成分の測定値が共に０である場合は接触不良と判断し、前記交流成分の測定値が０でない場合には接続が正常であると判断することを特徴とするコンタクトチェック方法。
前記ＤＵＴに生じるオフセット容量を、ＤＵＴと接続したときと接続しなかったときとの差をとることによりキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項４記載のコンタクトチェック方法。