JP6222916B2 - Ｄｃ−ａｃプローブ・カード - Google Patents

Description

本発明は、電気測定に関し、特にプローブ・カードに関する。

小さな電気デバイス（例えば、集積回路や回路基板）の試験においては、プローブ・カードを使うのが一般的で、これは、試験装置と被試験デバイス（ＤＵＴ）間のインタフェースを提供する。プローブ・カードは、プローブ・ニードル及び試験装置／ケーブル間の接続を提供する。同様に、プローブ・ニードルは、試験中にＤＵＴと電気的に接続する。プローブ配置を変更しながらプローブ・カードを交換することによって、ＤＵＴ上のどこを試験するかを変更可能である。プローブ・カードに関する共通の構成は、ＤＵＴの周りにプローブ・ニードルが放射状に配置され、プローブ・ニードルから放射状に外へ向かう接続経路が設けられることである。接続経路の他端は、試験装置／ケーブル用の接続ポイントとして利用される。典型的には、接続経路は、プローブ・ニードルに沿って支持構造（例えば、印刷回路基板）に組み込まれるか、その上に装着される。

ニードルが接触する位置に加えて、必要とされるＤＵＴへの接続体の特性を考慮することも多くの場合重要である。例えば、非常に低い電流ＤＣ測定の場合、外部リーク電流を最小にすることが多くの場合重要である一方、ＡＣ測定では、インピーダンス不整合が原因の損失と反射が多くの場合重要である。

これらを考慮すると、プローブ・カードそれ自身は正しい位置にある場合でも、多くの場合、行う測定の形式に応じてプローブ・カードを変更するという結果となり、装置の接続体とプローブ・ニードルとの間の接続経路は、その測定に適したものではないかもしれない。

図１４を参照すると、低電流測定に適したプローブ・カード１は、ソース・メジャー・ユニット２（ＳＭＵ２）をプローブ・ニードル３に接続し、ＳＭＵ４をプローブ・ニードル５に接続している。ＳＭＵは、電圧／電流を供給し、電流／電圧をそれぞれ測定できる。プローブ・ニードル３、５によって、ＤＵＴに試験接続がなされる。低電流ＤＣ測定では良くあるように、信号導体８、９の隣りに、「ガード」電圧を保持するガード導体６、７がそれぞれ設けられる。ガード電圧は、典型的には、それぞれの対応するＳＭＵ２、４によって供給される。この電圧は、それぞれの対応する信号導体上の信号をバッファしたものである。ガード電圧及び信号電圧は等しいので、信号導体８、９は、信号導体８、９からリークを生じさせる電位差に「遭遇」することがない。これを、信号導体をリークから「ガード」する、という。このため、ガード導体６、７は、単にガードと呼ばれることが多い。これらは、信号導体と同軸のことが多いが、例えば、信号導体の幅より実質的に広い幅を有し、信号導体に近接する平面導体や、印刷回路基板での実施に適したその他のストリップ・ライン構成のようなその他の構成も用いられる。ＳＭＵ２、４間のグラウンド接続１０は、プローブ・カード１の外に示されているが、プローブ・カード１上にあっても良い。

特開２００８−１９７０９９号公報

図１５を参照すると、プローブ・カード１は、ＡＣ試験計装１１、１２をＤＵＴに接続するのに利用できる。しかし、この構成は、ガード導体６、７がＡＣ電圧でフローティングしているので、ＡＣ測定については十分なものでないことが多い。伝送線の観点から言えば、ガード導体６、７は、ＤＵＴに近いので、伝送線のスタブ（Stub）である。ＡＣ信号のリターン・パスがグラウンド接続１０を通っており、ガード導体６、７の端部を通っていない。この構成では、測定システムの特性インピーダンスを提示するというよりは、むしろ、ＡＣ信号の損失と反射を生じさせる。もしそのＡＣ信号が、この伝送線の影響が大きいようなもの（例えば、無線周波数）だと、ＡＣ測定のためには、異なるプローブ・カード構成が必要となろう。

ＤＵＴを試験するためのＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、
上記ＤＵＴに接触する末端を夫々有する複数のプローブ・ニードルと、
試験計装をプローブ・ニードルに動作可能に接続する複数の接続経路とを含み、
上記接続経路の夫々は、試験装置の接続カ所とプローブ・ニードルとの間の夫々に、ＡＣ測定に適した所望特性インピーダンス及びＤＣに適したガードされた経路の両方を提供することを特徴としている。

より具体的には、本発明の概念１は、ＤＵＴを試験するためのＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、該プローブ・カードは、
上記ＤＵＴに接触する末端を夫々有する複数のプローブ・ニードルと、
試験計装をプローブ・ニードルに動作可能に接続する複数の接続経路とを具え、
上記接続経路の夫々は、試験装置の接続カ所とプローブ・ニードルとの間の夫々に、ＡＣ測定に適した所望特性インピーダンス及びＤＣに適したガードされた経路の両方を提供することを特徴としている。

本発明の概念２は、ＤＵＴを試験するためのＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、該プローブ・カードは、
末端及び近位端を夫々有する第１導体及び第２導体を含み、上記第１導体末端は第１プローブ・ニードルに接続され、上記第１及び第２導体近位端が第１試験計装に接続される第１導体対と、
末端及び近位端を夫々有する第３導体及び第４導体を含み、上記第３導体末端は第２プローブ・ニードルに接続され、上記第３及び第４導体近位端が第２試験計装に接続される第２導体対と、
ＡＣ試験測定に関しては上記第２導体末端を上記第４導体末端に結合するよう動作し、ＤＣ試験測定に関しては上記第４導体末端から上記第２導体末端を切り離すように動作する結合回路と
を具えている。

本発明の概念３は、概念２によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、上記結合回路がＡＣ試験信号を結合し、ＤＣ試験信号を切り離すキャパシタを含むことを特徴としている。

本発明の概念４は、概念３によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、上記結合回路がＡＣ試験信号を結合し、ＤＣ試験信号を切り離すインダクタンスを有するグラウンド・パスを含むことを特徴としている。

本発明の概念５は、ＤＵＴを試験するための複数のプローブ・ニードルを有するＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、該プローブ・カードが、
末端及び近位端を夫々有する第１導体及び第２導体を含み、上記第１導体末端は第１プローブ・ニードルに接続され、上記第１及び第２導体近位端が第１試験計装に接続される第１伝送線と、
末端及び近位端を夫々有する第３導体及び第４導体を含み、上記第４導体末端が上記第２導体末端に接続され、上記第３及び第４導体近位端が上記第１試験計装に接続され、ＡＣ測定の間上記第２及び第４導体近位端が互いに接続される第２伝送線と、
末端及び近位端を夫々有する第５導体及び第６導体を含み、上記第５導体末端は第２プローブ・ニードルに接続され、上記第５及び第６導体近位端は第２試験計装に接続される第３伝送線と、
末端及び近位端を夫々有する第７導体及び第８導体を含み、上記第８導体末端は上記第６導体末端に接続され、上記第３導体末端は上記第７導体末端に接続され、上記第７及び第８導体近位端は上記第２試験計装に接続される第４伝送線と
を具え、ＡＣ測定の間上記第６及び第８導体近位端が互いに接続され、上記第１及び第２伝送線が等しい電気長を有し、上記第３及び第４伝送線が等しい電気長を有することを特徴としている。

本発明の概念６は、概念５によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、上記伝送線の夫々は同軸ケーブルであり、上記第１導体、上記第３導体、上記第５導体及び上記第７導体は夫々の中心導体であり、上記第２導体、上記第４導体、上記第６導体及び上記第８導体はこれらの夫々に同軸状に存在することを特徴としている。

図１は、本発明の観点によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードの例のブロック図である。 図２は、本発明の別の観点によるＡＣ構成におけるＤＣ−ＡＣプローブ・カードの例のブロック図である。 図３は、ＤＣ構成における図２のＤＣ−ＡＣプローブ・カードのブロック図である。 図４は、本発明の更に別の観点によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードの例のブロック図である。 図５は、ＤＣ構成における図４のＤＣ−ＡＣプローブ・カードのブロック図である。 図６は、本発明のその他の観点によるＡＣ構成におけるＤＣ−ＡＣプローブ・カードの例のブロック図である。 図７は、ＤＣ構成における図６のＤＣ−ＡＣプローブ・カードのブロック図である。 図８は、本発明の更に別の観点によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードの例のブロック図である。 図９は、ＤＣ構成における図８のＤＣ−ＡＣプローブ・カードのブロック図である。 図１０は、本発明の更にまた別の観点によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードの例のブロック図である。 図１１は、ＤＣ構成における図１０のＤＣ−ＡＣプローブ・カードのブロック図である。 図１２は、本発明の更なる観点によるＤＣ−ＡＣプローブ・カードの例のブロック図である。 図１３は、ＤＣ構成における図１２のＤＣ−ＡＣプローブ・カードのブロック図である。 図１４は、ＤＣ試験のためのプローブ・カードの従来例のブロック図である。 図１５は、ＡＣ試験設定における図８のプローブ・カードの従来例のブロック図である。

図１を参照すると、ＤＣ−ＡＣプローブ・カード２０は、計装接続体２２を接続経路２４に接続する。接続経路２４は、次に、プローブ・ニードル２６に接続し、これは、プローブ・カード２０の動作中、被試験デバイス（ＤＵＴ）に接続する。

同様に、計装接続体２８は接続経路３０に接続する。接続経路３０は、次に、プローブ・ニードル３１に接続し、プローブ・カード２０の動作中、ＤＵＴに接続する。

ＤＵＴは、プローブ・カード２０の一部ではないが、典型的には、プローブ・ニードルがＤＵＴに接触し、これと接続できる場所に配置される。ここで説明する全ての例は、この場合である。

更に、近位と末端について説明すると、近位（proximal：基部に近い）とは電気的に試験計装に近い側で、末端（distal：遠位）とは電気的にＤＵＴに近い側である。例えば、プローブ・ニードルの末端は、ＤＵＴとの接触を形成するのに使用される。

理解を簡単にするため、ここでの例は、ＤＵＴへの接続が２つだけのものを用いるが、実際のプローブ・カードは、典型的には、もっと多数の接続が可能である。

ここで用いられる用語「計装接続体（Instrumentation connection）」は、試験計装及びプローブ・カード間のＡＣ又はＤＣ試験計装の何らかの形態と関連する配線の両方を網羅している。ここで説明する複数のプローブ・カードは、典型的には、プローブ・カード及び計装接続体間の電気的なコネクタを含むことを想定している。これらは、計装接続体からプローブ・カードを簡単に接続／切断する機能を提供する。簡単のため、これら電気コネクタは示していない。ＡＣ信号の周波数は、例えば、１ｋＨｚ及び１ＧＨｚの間としても良い。

ＤＣ測定の場合、接続経路２４、３０は、夫々に対応する計装接続体２２、２８及び夫々に対応するプローブ・ニードル２６、３１の間のガードされた経路を夫々提供する。ＡＣ測定の場合、同じ接続経路２４、３０が、所望の特性インピーダンス（例えば、５０又は７５オーム）を有する接続を提供する。

図２を参照すると、ＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２が、第１導体対３４及び第２導体対３６を含んでいる。第１導体対３４は、第１導体３８及び第２導体４０を含んでいる。第２導体対３６は、第３導体４２及び第４導体４４を含んでいる。第１プローブ・ニードル４６及び第２プローブ・ニードル４８は、ＤＵＴと接触するのに適した位置に配置される。

第１導体３８の末端は、第１プローブ・ニードル４６に接続される。第３導体４２の末端は、プローブ・ニードル４８に接続される。

第２及び第４導体の末端は、共通接続されたコンデンサ５０、５２に接続される。例えば、共通接続されたコンデンサ５０、５２は、より詳しくは後述するように、結合回路を構成する。

動作においては、第１導体３８及び第２導体４０の近位端は、ＡＣ試験計装５４に接続され、第３導体４２及び第２導体４４の近位端は、ＡＣ試験計装５６に接続される。この例では、簡単のため、ＡＣ試験計装５４は５０オーム・インピーダンスを有するＡＣ電圧とし、ＡＣ試験計装５４は５０オーム負荷とする。一般に、ＡＣ試験計装（Instrumentation：計装＝Instruments for a specific purpose：ある目的のための複数の計器）は、例えば、信号発生装置、パルス・ジェネレータ、オシロスコープ、ＡＣ電圧及び電流メータ、又は、ＡＣパワー・メータとしても良い。ＡＣ試験計装は、ある特性インピーダンス（例えば、５０オーム）を有していると期待される。結果として、プローブ・カード３２も同じ特性インピーダンスを持っていることが望ましい。同じ所望特性インピーダンスを持っていることで、測定システム全体において、損失と有害な反射が最小になる。

複数の半導体対３４、３６は、夫々同軸ケーブルとして示されている。こうしたケーブルは、種々の特性インピーダンスのものが入手可能だが、５０オームと７５オームのものが多い。また、所望特性インピーダンスの導体対を用意するのに、印刷回路基板上のストリップ・ライン構造も広く用いられている。

共通接続されたコンデンサ５０、５２から構成される結合回路は、プローブ・ニードル４６、４８に可能な限り近い所望特性インピーダンスを得るのに用いられる。例えば、コンデンサ５０、５２は、試験に使用されるＡＣ信号を導体４０、４４の末端間で通過させるキャパシタンスを夫々有している。この結合状態がないと、導体４０、４４の末端は、損失及び反射の原因となり得るインピーダンス不確定のフローティング状態の伝送線スタブとなってしまい、ＤＵＴの測定品質を低下させてしまうだろう。なお、スタブとは、信号線の枝分かれした部分のことである。

図３を参照すると、代わりにＤＣ試験計装に接続されたＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２が示されている。導体対３４の近位端はＤＣ試験計装５８に接続され、導体対３６の近位端はＤＣ試験計装６０に接続されている。

この例では、ＤＣ試験計装５８、６０は、夫々ＳＭＵである。ＳＭＵは、ＤＣ電圧／電流を供給でき、ＤＣ電流／電圧を夫々測定できる。ＳＭＵは、低電流（例えば、マイクロアンペア・オーダー、フェムトアンペア・オーダー）を測定するのに利用されることが多い。低電流では、ＤＵＴと関係のないリーク電流が特に有害である。ＳＭＵは、リーク電流を最小にするためにガード電圧を供給する。このガード電圧は、実際の信号電圧をバッファしたものである。

ＳＭＵ５８のガード電圧は、第２導体４０の近位端に接続される。ＳＭＵ５８の実際の信号は、第１導３８の近位端に接続される。

同様に、ＳＭＵ６０のガード電圧は、第４導体４４の近位端に接続される。ＳＭＵ６０の実際の信号は、第３導体４２の近位端に接続される。

この構成では、第２導体４０上の電圧が第１導体３８をガードし、第４導体４４上の電圧が第３導体４２をガードする。

信号がＤＣなので、共通接続されたコンデンサ５０、５２から構成される結合回路は、図２の場合では導体４０、４４の末端を結合していたが、この場合では、これらを切り離している。

ＡＣ試験計装の場合、結合回路は、第２導体４０及び第４導体４４の末端を結合している。ＤＣ試験計装の場合、結合回路は、導体４０及び４４の末端を切り離している。

コンデンサ５０、５２は末端同士を効果的に短絡でき、コンデンサ５０、５２によって、導体４０、４４が高周波数に関するＡＣグラウンド電流を運ぶことが可能になる。ガードが互いに効果的に短絡されるよりも低い周波数では、そのグランド電流は実際のグラウンド・パス６２を通して戻らなければならない。コンデンサ５０、５２のキャパシタンスを増加させると、ガードが互いに効果的に短絡される周波数が低くなる。しかし、キャパシタンスを増加させるほど、ＳＭＵがＤＣ試験中にガードをドライブ（駆動）するのが、より難しくなる。

グラウンド経路のループ・エリアは、この経路が効果的に機能しない周波数帯域がどの程度の広さかにも影響する。グラウンド経路のループ・エリアを減少させると、このループ・エリアのインダクタンスが減少する。すると、グラウンド電流は、コンデンサ５０、５２のキャパシタンスを更に増加させなくても、より低い周波数でグラウンド・パスを通って流れることができる。

図４を参照すると、先の図２の例と同様なＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２’は、ＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２’上に、もう１つの並列なグラウンド・パス６４を加えている。グラウンド・パス６４は、グラウンド・パス６２よりも導体４０、４４に近く、より低いインダクタンスという結果になる。このより低いインピーダンスによって、導体４０、４４が互いに効果的に短絡される周波数が更に低くなる（または、もし希望するなら、同じ周波数性能を維持して、コンデンサ５０、５２の値を、もっと低くなるようにしても良い）。

図５を参照すると、図３と同様なＤＣ測定構成におけるＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２’が示されている。

図６を参照すると、ＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２”は、インダクタンスを更にコントロールするために、３重同軸構体３５、３７を利用している。ここでは、外部シールド導体６４’、６４”が、図４のグラウンド・パス６４を提供している。ループ・エリア、そしてインダクタンスは、更に減少する。これは、導体４０、４４が互いに短絡する周波数を更に低くする。

図７を参照すると、図５と同様なＤＣ測定構成におけるＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２”が示されている。

図８を参照すると、ＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２'''は、３重同軸構体の代わりに同軸導体６６、６８が、夫々対応するグラウンド・パス６４の一部分の周りに配置されていることを除けば、図６の例と同様である。同軸導体６６、６８の近位端及び末端は、夫々対応する導体４０、４４の一部分に接続される。これによって、上側の同軸構体と、下側の同軸構体が互いに結合する。

図９を参照すると、図５と同様なＤＣ測定構成におけるＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２'''が示されている。

キャパシタンス及びインダクタンスの存在によって、共振周波数に係る問題が生じ得ることに注意すべきである。これは、それらループに抵抗器を加わえることで管理できる。

図１０を参照すると、ＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２""は、図８と同様ながら、直接接続の代わりに抵抗器７０、７２があり、また、同軸導体６６、６８と入れ替えに、シールド及び中心接続体を有する同軸導体６６’、６８’を有している。これは、経路のインダクタンス及びキャパシタンスの共振のＱ値を低減する。

図１１を参照すると、図９と同様なＤＣ測定構成におけるＤＣ−ＡＣプローブ・カード３２""が示されている。

図１２を参照すると、ＤＣ−ＡＣプローブ・カード７４は、ＤＣガード機能と、所望特性インピーダンスを有するＡＣパスの両方を提供する。

プローブ・カード７４は、第１伝送線７６を有し、これは、第１導体７８及び第２導体８０を含んでいる。第１導体７８の末端は、第１プローブ・ニードル８２に接続される。動作中、第１及び第２導体７８、８０の近位端は、第１試験計装８４に接続される。

第２伝送線８６は、第３導体８８及び第４導体９０を含む。第４導体９０の末端は、第２導体８０の末端に接続される。動作中、第３及び第４導体８８、９０の近位端は、第１試験計装８４に接続される。ＡＣ試験中、第２及び第４導体８０、９０の近位端は、図示のように、互いに接続される。

同様に、プローブ・カード７４は、第３伝送線９２を有し、これは第５導体９４及び第６導体９６を含んでいる。第５導体９４の末端は、第２プローブ・ニードル９８に接続される。動作中、第５及び第６導体９４、９６の近位端は、第２試験計装１００に接続される。

第４伝送線１０２は、第７導体１０４及び第８導体１０６を含む。第８導体１０６の末端は、第６導体９６の末端に接続される。第３及び第７導体８８、１０４の末端は接続される。動作中、第７及び第８導体１０４、１０６の近位端は、第２試験計装１００に接続される。ＡＣ測定中、第６及び第８導体９６、１０６の近位端は、互いに接続される。

伝送線７６、８６は、電気長が等しく、伝送線９２、１０２も同様である。

この例では、上述の例の共振問題を排除しながら、ＡＣ信号は、周波数に関係なく同じパスを流れる。

図１３を参照すると、代わりに試験計装８４、１００中のＤＣ試験計装に接続されたＤＣ−ＡＣプローブ・カード７４が示されている。伝送線７６の近位端は、試験計装８４中のＳＭＵの信号及びガード間に接続され、伝送線９２の近位端は、試験計装１００中のＳＭＵの信号及びガード間に接続される。導体８８の近位端は、試験計装８４中のＳＭＵのグラウンドに接続され、導体１０４の近位端は、試験計装１００中のＳＭＵのグラウンドに接続される。

伝送線７６、８６、９２、１０２は、同軸ケーブルとして示されているが、上述のように、他の伝送線構造を用いても良い。

本開示は例であって、本開示に含まれる教授内容の正当な範囲から離れることなく、細部の追加、変更又は削除によって、種々の変更を行っても良いことは明らかであろう。従って、本発明は、以下の請求項で必然的に限定される程度までを除いて、本開示の特定細部に限定されない。

２０ ＤＣ−ＡＣプローブ・カード
２２ 計装接続体
２４ 接続経路
２６ プローブ・ニードル
２８ 計装接続体
３０ 接続経路
３１ プローブ・ニードル
３２ ＤＣ−ＡＣプローブ・カード
３２’ ＤＣ−ＡＣプローブ・カード
３２” ＤＣ−ＡＣプローブ・カード
３２''' ＤＣ−ＡＣプローブ・カード
３４ 第１導体対
３６ 第２導体対
３８ 第１導体
４０ 第２導体
４２ 第３導体
４４ 第４導体
４６ 第１プローブ・ニードル
４８ 第２プローブ・ニードル
５０ 共通接続コンデンサ
５２ 共通接続コンデンサ
５４ ＡＣ試験計装
５６ ＡＣ試験計装
５８ ＤＣ試験計装
６０ ＤＣ試験計装
６２ グラウンド・パス
６４ グラウンド・パス
６４’ 外部シールド導体
６４” 外部シールド導体
６６ 同軸導体
６６’ 同軸導体
６８ 同軸導体
６８’ 同軸導体
７０ 抵抗器
７２ 抵抗器
７４ ＤＣ−ＡＣプローブ・カード
７６ 第１伝送線
７８ 第１導体
８０ 第２導体
８２ 第１プローブ・ニードル
８４ 試験計装
８６ 第２伝送線
８８ 第３導体
９０ 第４導体
９２ 第３伝送線
９４ 第５導体
９６ 第６導体
９８ 第２プローブ・ニードル
１００ 試験計装
１０２ 第４伝送線
１０４ 第７導体
１０６ 第８導体

Claims (1)

1. ＤＵＴを試験するための複数のプローブ・ニードルを有するＤＣ−ＡＣプローブ・カードであって、該プローブ・カードが、
   末端及び近位端を夫々有する第１導体及び第２導体を含み、上記第１導体末端は第１プローブ・ニードルに接続され、上記第１及び第２導体近位端が第１試験計装に接続される第１伝送線と、
   末端及び近位端を夫々有する第３導体及び第４導体を含み、上記第４導体末端が上記第２導体末端に接続され、上記第３及び第４導体近位端が上記第１試験計装に接続され、ＡＣ測定の間上記第２及び第４導体近位端が互いに接続される第２伝送線と、
   末端及び近位端を夫々有する第５導体及び第６導体を含み、上記第５導体末端は第２プローブ・ニードルに接続され、上記第５及び第６導体近位端は第２試験計装に接続される第３伝送線と、
   末端及び近位端を夫々有する第７導体及び第８導体を含み、上記第８導体末端は上記第６導体末端に接続され、上記第３導体末端は上記第７導体末端に接続され、上記第７及び第８導体近位端は上記第２試験計装に接続される第４伝送線と
   を具え、ＡＣ測定の間上記第６及び第８導体近位端が互いに接続され、上記第１及び第２伝送線が等しい電気長を有し、上記第３及び第４伝送線が等しい電気長を有することを特徴とするＤＣ−ＡＣプローブ・カード。

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