JP4742095B2 - 半導体素子のテストフィクスチャおよび試験用アセンブリのための電気コネクタ - Google Patents

Description

被試験素子（ＤＵＴ）と、様々な電気的スティミュラスをＤＵＴに供給して測定を行う電子機器と、を接続する電線については、非常に敏感な素子を対象とする場合には特に、特別な注意を払う必要がある。ＤＵＴは、一般に、特別な装置（以後、「テストフィクスチャ」と呼ぶ）に配置されるため、これらの接続線は、電流が流れることによる無視できないオーミック電圧降下と、周囲への電流リークとを引き起こしうる。広範囲の電流および電圧レベルに対する精度、感度、および、低リーク電流に関して、現在の技術水準の電子素子試験で求められる切迫した要求により、かかる接続の問題が重要かつ困難なものになっている。

これらの問題に対処する最も一般的な方法は、素子のノードにおける正確な電圧を検知することと電流リークを最小限に抑えることの両方が重要である場合に、各電子的スティミュラスに対して２つの三重同軸ケーブル（以後、「トライアクス」と呼ぶ）を用いる方法である。２つのケーブルの内の一方については、中央の導電体はフォース信号である。周囲の円筒形の導電シェルは、ガード信号（「ガード」）であり、フォース信号と同じ電位によって駆動されるが、電気的かつ物理的に中央の導電体から絶縁されている。最後に、外側の金属シェルは、通例、安全のために接地（グランド）電位に接続されていると共に、外部のノイズを遮断する。同様に、第２のトライアクスの中央導電体は、素子のノードにおいて検知された信号を測定ユニットに供給する。第２のトライアクスのガード方式と外側の金属シェルとについては、同様の構成である。フォースラインおよびセンスラインは、ほぼ同じ電位を有するそれらの周囲のガードによって完全に取り囲まれているため、電流リークはかなり低減される。また、接続ラインに沿ったオーミック損失の影響を受ける可能性のあるフォース信号ではなく、センスラインをＤＵＴに接続することにより、ＤＵＴにおいて要求される電圧が確実に測定される。換言すれば、フォースラインとセンスラインとを有する試験機器（以後「テスタ」と呼ぶ）は、センス信号を用いて、適宜にフォース信号を調整し、ＤＵＴ端部における信号が実際に適切な値であることを検証することができる。

この技術は、当業者に周知であるため（例えば、Agilent Technologies社の４１５５Ｂ／４１５６Ｂ半導体パラメータアナライザに関するユーザガイドの概説、２−３８ページに記載）、本願の範囲を超えることは明らかである。しかしながら、このように２つのトライアクスを用いる方法でも、テストフィクスチャ内での最終的な接続に関する問題がある。各トライアクスは、テストフィクスチャ上のそれぞれのコネクタを終端としているため、このコネクタからＤＵＴへの最終的な電気接続は、物理的な制約により単一のワイヤで実現される（図１参照）。さらに、ＤＵＴの任意のピンへの接続を容易にするために、信号と、それらの供給先とを接続する差し込み式のワイヤからなる「ジャンパマトリクス」が必要になる。全体として、ガード方式は、テストフィクスチャにおけるＤＵＴにそれほど近くない位置にあるトライアクスケーブルの終端としてのコネクタにおいて、事実上機能しなくなる。２つのトライアクスを用いる方式の他の問題は、フォースラインとセンスラインとが、同じノードに１つずつ個別に「ジャンパされる」必要があることである。たまたま、誤りが生じて、フォースラインがＤＵＴの１つのノードに接続され、センスラインが別のノードに接続された場合には、それにより、重要なフィードバックループが切断され、意図したものと大きく異なる電圧がＤＵＴに加えられる場合がある。この誤りが生じる可能性は、複数のテスタを用いる必要のある試験（図２）で高くなる。

以下の発明は、かかる作業に適した異なるケーブルによって、上述の問題を解決すると共に、接続方式を全体的に簡略化するものである。また、回転式トレイとして取り付けられた新規のテストフィクスチャが提案される。そのテストフィクスチャは、必要に応じて電子機器に対する前面カバーとして機能しうる。これにより、長いトライアクスケーブルと、別個の離れたテストフィクスチャとを用いることなく、本発明の改良接続方式を実現できる。

複数のリードを有する被試験半導体素子（ＤＵＴ）を電子試験機器に接続する際に用いる相互接続アセンブリが開示されている。相互接続アセンブリは、ＤＵＴからの信号を検知するための少なくとも１本の芯線と、前記ＤＵＴへのフォース信号のための少なくとも１本の芯線と、前記フォース信号と同じ電位で駆動されたガード信号のための少なくとも１本の芯線とを含む複数の芯線を有するケーブルを備える。オスコネクタは、前記複数の芯線と、前記複数の芯線を囲む外側の金属被覆と、前記外側の金属被覆の周りの絶縁被覆とを有する。メス（レセプタクル）コネクタは、前記オスコネクタを受け入れるとともに、対応する接点により前記複数の芯線を受け入れる。

本発明（図３）の第１の特徴は、２つのかさばるトライアクスケーブルの代わりに、１つのケーブルで少なくとも３つの重要な信号（すなわち、フォース信号、センス信号、および、ガード信号）を伝達できるミニチュアケーブルを用いることである。発明者が選択した具体的なケーブルは、ミニＵＳＢケーブルであり、コンピュータ関連の用途で非常によく使われているものである。柔軟、比較的安価、入手が容易、および、物理的に小さい、という特徴を有するこれらのケーブルは、優れた絶縁特性を備えている。各ケーブルは、金属被覆によって囲まれた５本の内部芯線を備える。５本の内部芯線は、以下のように利用される。すなわち、１本はセンス用、１本はガード用に用いられ、残りの３本の芯線はフォース用に用いられる。通電容量を最大化するために、３本の芯線をフォース信号に割り当てているが、３つの機能（すなわち、フォース、センス、ガード）の各々に対して少なくとも１本の専用の芯線を確保する限りは、任意の組み合わせが適用可能であり、それらも本発明の範囲に含まれる。関連する別の条件は、取り扱いの安全性である。ＵＳＢケーブル全体にわたる外部被覆は、柔軟な絶縁体からなる。その露出部分は終端部のみであり、終端部の一方は、テストフィクスチャのはめ合わせコネクタに差し込み接続され、反対側の終端部は、同様のコネクタを介して電子機器に接続される。これらのケーブルの端部は、外側の金属と、はめ合わせコネクタの枠との良好な電気接触を可能にするように露出されているため、ユーザは、ケーブルがはめ合わせコネクタに差し込まれる（差し込まれると、すべてが絶縁される）前には、外側の金属における電圧に曝されうる。ガードとして用いた場合、外側の金属は、良好なノイズ保護を提供し、電流リークを防止する。そのため、その外側の金属をガード信号に接続することが好ましいが、上記の安全性の問題に対して適切な対処を施す必要がある。ＵＳＢケーブルを特に選択したことは、一実施形態に過ぎず、十分な数の芯線と、周囲の金属の保護と、低電流リーク性と、十分に小さい断面積とを満たす任意の他のケーブルを用いてよいことに注意されたい。したがって、本発明は、かかるケーブルを、基礎となる思想および概念の別の実施形態として包含することが好ましい。

外側の金属は、ケーブルがテストフィクスチャに差し込まれない限りは、どの信号にも接続されない。差し込まれると、テストフィクスチャの絶縁されたプリント回路基板上の内部接続が、ＵＳＢケーブルのガード信号を伝達するための専用の内部芯線を外側の金属に効果的に短絡させる。このように、ケーブルが完全に差し込まれて、ユ―ザが導電部分に曝されない場合にのみ、外側の金属は、必要に応じてガード信号に接続される。

グランド信号は、テストフィクスチャを囲む導電層に接続された別個の経路を介して、テストフィクスチャに送られる。

ＵＳＢケーブルは小さく、そのコネクタの専有面積が小さいことから、実際の試験に必要な数のケーブルよりもはるかに多くのケーブルを接続することが可能である（例えば、必要な２８ケーブルの接続が可能であり、４０ケーブルまで容易に拡張可能）。これにより、信号をトライアクスからＤＵＴに送るジャンパワイヤが必要なくなる。さらに、１つのプリント回路基板は、１つ１つの信号を、完全にガードされた配線によって、意図したＤＵＴピン、ひいては、ＤＵＴに供給する。

また、１本のケーブルが、フォースラインとセンスラインの両方を含むため、それら２つのラインを異なるノードに意図的でなく接続する誤りを起こすことがなくなる。

最後に、上述の簡略化を実現しつつ、新規のテストフィクスチャが、本発明の一部として追加される。テストフィクスチャ全体を収容するように、前面パネルに対するカバーを変形し、電子装置（その前面パネル）とテストフィクスチャとの間に直接的にＵＳＢケーブルを接続する。この構成では、トライアクスケーブルが完全に排除され、すべての接続ケーブルの長さが大幅に短縮されると共に、図４ａおよび４ｂに示すように、簡単な回転操作によって、前面カバーが、開状態（テストフィクスチャが前面パネルに対して垂直）でも、閉状態（テストフィクスチャが前面パネルに対して平行）でも、試験を行うことが可能である。また、接地された導電層が前面パネル領域の周りに存在することで、前面パネルが閉じられた時に、ケーブルおよびテストフィクスチャが占める前面領域の全体が、確実にグランド信号によって囲まれる。

本発明は、具体的な実施形態を参照しつつ説明されているが、その説明は、本発明の例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者にとっては、添付の請求項の範囲によって規定される本発明の真の趣旨および範囲から逸脱せずに、様々な変形例および応用例を実施することが可能である。

付属書が添付されている。その付属書は、本願が優先権を主張する米国仮特許出願の完全な複写である。

付属書
米国仮特許出願Ｎｏ．６０／５５４，２５８
半導体素子のテストフィクスチャおよび試験用アセンブリのための電気コネクタ
出願：２００４年３月１７日

仮出願原稿
正確な検知を行いガードされた信号を被試験素子まで供給するテストフィクスチャおよび接続方法（Peter P. Cuevasによる）

始めに
被試験素子（ＤＵＴ）と、様々な電気的スティミュラスをＤＵＴに供給して測定を行う電子機器とを接続する電線については、敏感な半導体素子および／または受動素子を対象とする場合には特に、特別な注意を払う必要がある。ＤＵＴは、一般に、特別な装置（以後、「テストフィクスチャ」と呼ぶ）に配置されるため、これらの接続線は、電流が流れることによる無視できないオーミック電圧降下と、周囲（特に、ワイヤの近傍）への電流リークとを引き起こしうる。広範囲の電流および電圧レベルに対する精度、感度、および、低リーク電流に関して、現在の技術水準の電子素子試験で求められる切迫した要求により、かかる接続の問題が重要かつ困難なものになっている。

これらの問題に対処する最も一般的な方法は、正確な検知と最小限度の電流リークの両方が重要である場合に、各電子的スティミュラスに対して２つの三重同軸ケーブル（以後、「トライアクス」と呼ぶ）を用いる方法である。一方のケーブルの中央の導電体はフォース信号であり、周囲の円筒形の導電シェルは、ガード信号（「ガード」）であり、フォース信号と同じ電位によって駆動されるが、電気的かつ物理的に中央の導電体から絶縁されている。外側の金属シェルは、通例、安全のためにグランド電位に接続されており、外部のノイズ（ＲＦＩ）を遮断する。同様に、他方のトライアクスの中央導電体は、検知された信号を高インピーダンス測定ユニットに供給する。他方のトライアクスのガード方式と外側の金属シェルとについては、同様の構成である。フォースおよびセンスラインは、ほぼ同じ電位を有するそれらの周囲のガードによって完全に取り囲まれているため、電流リークは、かなり低減される。また、センスをＤＵＴに接続することにより、接続ラインに沿ったオーミック損失の影響を受ける可能性のあるフォース信号ではなく、ＤＵＴにおいて要求される電圧が確実に測定される。

この技術は、当業者に周知であるため（例えば、Agilent Technologies社の４１５５Ｂ／４１５６Ｂ半導体パラメータアナライザに関するユーザガイドの概説、２−３８ページに記載）、本願の範囲を超えることは明らかである。しかしながら、このように２つのトライアクスを用いる方法でも、テストフィクスチャ内での最終的な接続に関する問題がある。各トライアクスは、テストフィクスチャ上のそれぞれのコネクタを終端としているため、このコネクタからＤＵＴへの接続は、物理的な制約により単一のワイヤで実現される（付図１参照）。さらに、ＤＵＴの任意のピンへの接続を容易にするために、信号と、それらの供給先とを接続する差し込み式のワイヤからなる「ジャンパマトリクス」が必要になる。全体として、ガード方式は、テストフィクスチャにおけるＤＵＴにそれほど近くない位置にあるトライアクスケーブルの終端としてのコネクタにおいて、事実上機能しなくなる。以下の発明は、かかる作業に適した異なるケーブルによって、上述の問題を解決すると共に、接続方式を全体的に簡略化するものである。また、回転式トレイとして取り付けられた新規のテストフィクスチャが提案される。そのテストフィクスチャは、必要に応じて電子機器に対する前面カバーとして機能しうる。これにより、長いトライアクスケーブルと、別個の離れたテストフィクスチャとを用いることなく、本発明の改良接続方式を実現できる。

発明の開示
本発明の第１の特徴は、コンピュータ関連の用途で非常によく用いられているミニチュアＵＳＢケーブルを利用することである。柔軟、比較的安価、入手が容易、および、物理的に小さい、という特徴を有するこれらのケーブルは、優れた絶縁特性を備えている。各ケーブルは、金属被覆によって囲まれた５本の内部芯線を備える。５本の内部芯線は、以下のように利用される。すなわち、１本はセンス用、１本はガード用に用いられ、残りの３本の芯線はフォース用に用いられる。通電容量を最大化するために、３本の芯線をフォース信号に割り当てているが、３つの機能（すなわち、フォース、センス、ガード）の各々に対して少なくとも１本の専用の芯線を確保する限りは、任意の組み合わせを適用可能であり、それらも本発明の範囲に含まれる。関連する別の条件は、取り扱いの安全性である。ＵＳＢケーブル全体にわたる外部被覆は、柔軟な絶縁体からなる。その露出部分は終端部のみであり、終端部の一方は、テストフィクスチャのはめ合わせコネクタに差し込み接続され、反対側の終端部は、同様のコネクタを介して電子機器に接続される。これらのケーブルの端部は、外側の金属と、はめ合わせコネクタの枠との良好な電気接触を可能にするように露出されているため、ユーザは、ケーブルがはめ合わせコネクタに差し込まれる（差し込まれると、すべてが絶縁される）前には、外側の金属における電圧に曝されうる。ガードとして用いた場合、外側の金属は、良好なノイズ保護を提供し、電流リークを防止する。そのため、その外側の金属をガード信号に接続することが好ましいが、上記の安全性の問題に対して適切な対処を施す必要がある。

その方法を付図２で説明する。外側の金属は、ケーブルがテストフィクスチャに差し込まれない限りは、どの信号にも接続されない。差し込まれると、テストフィクスチャの絶縁されたプリント回路基板上の内部接続が、ＵＳＢケーブルのガード信号を伝達するための専用の内部芯線と外側の金属とを効果的に短絡させる。このように、ケーブルが完全に差し込まれて、ユ―ザが導電部分に曝されない場合にのみ、外側の金属は、必要に応じて完全にガードされる。

ＵＳＢケーブルは小さく、そのコネクタの専有面積が小さいことから、実際の試験に必要な数のケーブルよりもはるかに多くのケーブルを接続することが可能である（例えば、必要な２８ケーブルの接続が可能であり、４０ケーブルまで容易に拡張可能）。これにより、付図２に示すように、「ジャンパマトリクス」が必要なくなる。さらに、１つのプリント回路基板は、１つ１つの信号を、完全にガードされた配線によって、意図したＤＵＴピン、ひいては、ＤＵＴに供給する。

最後に、上述の簡略化を実現しつつ、新規のテストフィクスチャが、本発明の一部として追加される。テストフィクスチャ全体を収容するように、前面パネルに対するカバーを変形し、電子装置（その前面パネル）とテストフィクスチャとの間に直接的にＵＳＢワイヤを接続する。この構成では、トライアクスケーブルが完全に排除され、すべての接続ケーブルの長さが数フィートから約１０インチまでに短縮されると共に、簡単な回転操作によって、テストフィクスチャが、開いていても（前面パネルに対して垂直であっても）、前面カバーとして電子機器を完全に閉じていても（ＤＵＴが内部に収容されても）、試験を行うことが可能である。

［付図１］

［付図２］

ＤＵＴとテストフィクスチャとを接続するための従来の構成を示す図。 複数のテストフィクスチャによって図１の構成でのジャンパワイヤの配置で起こりうる誤りの一例を示す図。 本発明の一実施形態として、少なくとも３つの重要な信号を伝達するためにミニチュアケーブルを用いる構成を示す図。 前面カバー（組み込みテストフィクスチャを備える）が開状態である様子を示す本発明の一実施形態のテストフィクスチャの断面図。 前面カバー（組み込みテストフィクスチャを備える）が閉状態である様子を示す図４Ａのテストフィクスチャの断面図。

Claims (10)

1. 被試験素子の試験を実行するための半導体素子の試験装置であって、
   複数のテスタと、
   前記複数のテスタにそれぞれ設けられ、電気的な接続が行なわれるテスタ側のコネクタと、
   前記複数のテスタと前記複数のテスタ側のコネクタとを部分的に囲むテスタ筐体と、
   前記テスタ筐体に開閉可能に連結され、閉状態において、前記複数のテスタと前記複数のテスタ側のコネクタとを、前記テスタ筐体との間で完全に囲むテストフィクスチャと
   を備え、
   前記テストフィクスチャは、
   前記被試験素子のピンを受け入れるよう構成されたソケットと、
   複数のテストフィクスチャ側のコネクタと
   を有し、
   前記複数テストフィクスチャ側のコネクタのそれぞれは、
   前記ソケットに装着された被試験素子の各ピンに対応しており、
   フォース信号、センス信号、ガード信号のための信号線が接続されており、
   前記複数のテスタ側のコネクタのうちの対応するテスタ側の各コネクタにケーブルで接続された時に、前記ソケットを介して、該テストフィクスチャ側のコネクタから前記被試験素子の該各ピンへフォース信号を供給し、該テストフィクスチャ側のコネクタにおいて前記被試験素子の該各ピンからセンス信号を受け取るよう構成され、
   前記ガード信号は、前記フォース信号と同じ電位に維持されている
   試験装置。
2. 請求項１に記載の試験装置であって、
   前記テストフィクスチャは、複数の配線群を備えたプリント回路基板を有し、
   前記複数の配線群のそれぞれは、
   前記テストフィクスチャ側の各コネクタと、前記被試験素子の各ピンとに対応しており、
   前記テストフィクスチャ側の各コネクタから前記被試験素子の該各のピンに前記フォース信号を供給するための少なくとも１つの配線と、
   前記テストフィクスチャ側の各コネクタが前記被試験素子の該各ピンから前記センス信号を受け取るための少なくとも１つの配線と、
   前記フォース信号および前記センス信号をガードする前記ガード信号を前記フォース信号と同じ電位とするための少なくとも１つの配線とを含む
   試験装置。
3. 請求項１に記載の試験装置であって、
   前記テストフィクスチャ側のコネクタのそれぞれは、該テストフィクスチャ側のコネクタに対応する前記ケーブルが該コネクタに完全に受け入れられた時のみ、前記ケーブルの複数の芯線を取り囲む外側金属被覆が、前記ガード信号を伝送するよう構成された前記ケーブルの前記複数の芯線のうちの少なくとも１つに対して電気的に接続されるように構成された内部接続を有する
   試験装置。
4. 請求項１に記載の試験装置であって、
   前記テスタ側のコネクタのそれぞれは、ミニＵＳＢケーブルを受け入れるよう構成されている試験装置。
5. 請求項１に記載の試験装置であって、さらに、
   前記被試験素子を覆うよう構成されたカバーを備える試験装置。
6. 被試験素子の試験を実行するための半導体素子試験装置であって、
   複数のテスタと、
   前記複数のテスタに、それぞれ電気的に接続されている複数のケーブルと、
   前記複数のテスタを部分的に囲むテスタ筐体と、
   前記テスタ筐体に結合されるように構成され、閉状態において、前記複数のテスタを前記テスタ筐体との間で完全に囲むテストフィクスチャと
   を備え、
   前記テストフィクスチャは、
   前記被試験素子のピンを受け入れるよう構成されたソケットと、
   複数のテストフィクスチャ側のコネクタと
   を有し、
   前記複数テストフィクスチャ側のコネクタのそれぞれは、
   前記ソケットに装着された被試験素子の各のピンに対応しており、
   フォース信号、センス信号、ガード信号のための信号線が接続されており、
   前記複数のテスタのうちの対応する各テスタに前記ケーブルで接続された時に、前記ソケットを介して、該テストフィクスチャ側のコネクタから前記被試験素子の該各ピンへフォース信号を供給し、該テストフィクスチャ側のコネクタにおいて前記被試験素子の該各ピンからセンス信号を受け取るよう構成され、
   前記ガード信号は前記フォース信号と同じ電位に維持されている
   試験装置。
7. 請求項６に記載の試験装置であって、
   前記テストフィクスチャは、複数の配線群を備えたプリント回路基板を有し、
   前記複数の配線群のそれぞれは、
   前記テストフィクスチャ側の各コネクタと、前記被試験素子の該各ピンとに対応しており、
   前記テストフィクスチャ側の各コネクタから前記被試験素子の該各ピンに前記フォース信号を供給するための少なくとも１つの配線と、
   前記テストフィクスチャ側の各コネクタが前記被試験素子の該各ピンから前記センス信号を受け取るための少なくとも１つの配線と、
   前記フォース信号および前記センス信号をガードする前記ガード信号を前記フォース信号と同じ電位とするための少なくとも１つの配線とを含む
   試験装置。
8. 請求項６に記載の試験装置であって、
   前記テストフィクスチャ側のコネクタのそれぞれは、該テストフィクスチャ側のコネクタに対応する前記ケーブルが該コネクタに完全に受け入れられた時のみ、前記ケーブルの複数の芯線を取り囲む外側金属被覆が、前記ガード信号を伝送するよう構成された前記ケーブルの前記複数の芯線のうちの少なくとも１つに対して電気的に接続されるように構成された内部接続を有する、
   試験装置。
9. 請求項６に記載の試験装置であって、
   前記複数のケーブルのそれぞれは、テスタ側のコネクタを介して対応するテスタに個別に接続されたミニＵＳＢケーブルであり、
   前記複数のテストフィクスチャ側のコネクタは、それぞれ、前記ミニＵＳＢケーブルのうちの対応する１つを受け入れるよう構成されている
   試験装置。
10. 請求項６に記載の試験装置であって、さらに、
    前記被試験素子を覆うよう構成されたカバーを備える試験装置。

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