JP6455451B2

JP6455451B2 - 同軸プローブ

Info

Publication number: JP6455451B2
Application number: JP2016008698A
Authority: JP
Inventors: 洋板倉; 慶洋明星
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: JP2016180746A

Description

この発明は、特にＩＣパッケージ内の短配線等の特性インピーダンスを測定するのに適した同軸プローブに関するものである。

近年、衛星放送、地上波テレビ放送又はＩＰ放送等のデータストリームを受信する機器には、映像データのデジタル処理のために、高性能プロセッサ及びＤＤＲ（ＤｏｕｂｌｅＤａｔａＲａｔｅ）メモリ素子を搭載する傾向にある。しかしながら、ＤＤＲメモリを基板実装するにあたり、高速信号の損失、及び基板低コスト化を目的とした層削減に伴う干渉の課題が顕在化してきている。これは、ＤＤＲメモリが多ビットバス配線を必要としており、チップ−コントローラ間を数十レーンで高速信号が並走しているためである。

加えて、特にＤＤＲ２及びＤＤＲ３において、ビット間スキューの許容値がますます厳しくなっているにも関わらず、ＩＣの各ビットの遅延時間情報が得られないことが現在問題視されている。ＤＤＲ３の基板設計では、バスのビット間遅延時間のばらつきを５０ｐｓ程度に抑えることが規格上必要であるため、ＩＣの各ビットの遅延時間の把握は極めて重要である。この遅延時間には、基板配線だけでなく、コントローラＩＣ及びメモリＩＣのパッケージ内遅延時間のばらつきも含めて考慮しなければならない。

ＩＣパッケージ内の遅延時間は、伝送路のインピーダンス変動による波形歪みも影響するが、必ずしもＩＣメーカからは波形解析に必要十分な各ビットのモデルが出てくるとは限らない。この場合、ＩＣパッケージ外部から測定用の同軸プローブを当て、ＴＤＲ（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ）測定からパッケージ内配線遅延量を評価する手法が一般的に取られる。

しかしながら、実際には、ＩＣパッケージ内の配線長は数ｍｍ程度であるため、測定器のもつ分解能の限界、及び市販の同軸プローブ自体のインピーダンス変動の影響により、正確な配線遅延量評価が困難になる。

この問題を解決するためには、測定対象に接触する同軸プローブの先端まで、一般的な測定器の特性インピーダンスである５０Ωによく整合させる必要がある。
そこで、同軸線路において、測定対象との接触部分である信号端子の構造を工夫し、高周波特性の改善のために外導体を一部除去することで、同軸プローブ全体で特性インピーダンスを保持したものがある（例えば特許文献１参照）。また、メス型の同軸コネクタを利用し、インピーダンス変動を避けられない測定対象との接触部分を極力短くする構造のものもある（例えば特許文献２参照）。

特開２００３−１６７００２号公報特開２０００−２７５２８５号公報

一方、測定対象に対し、高周波数帯までの良好な通過特性及び特性インピーダンスを維持するためには、同軸プローブの信号端子とグランド端子との間隔が重要である。

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、信号端子とグランド端子との間隔が、同軸線路の径によって決定されてしまう。そのため、測定対象の信号パッドとグランドパッドとの間隔が、同軸プローブの信号端子とグランド端子との間隔より狭い又は広い場合には、途端に接触困難になり、インピーダンス変動を起こしてしまうことになる。その結果、特に数ｍｍ程度の短配線の測定を行う際に十分な分解能を得られないことが懸念される。

また、特許文献２に開示された構成でも、インピーダンス測定に応用したとしても、信号端子とグランド端子との間隔は同軸線路の径に依存してしまい、測定対象の信号パッドとグランドパッドとのあらゆる間隔に柔軟に対応できない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、測定対象の信号パッドとグランドパッドとの間隔が信号端子とグランド端子との間隔と異なる場合でも、インピーダンス変動を抑制することができ、十分な分解能を得ることができる同軸プローブを提供することを目的としている。

この発明に係る同軸プローブは、内導体及び外導体を有する同軸線路部と、内導体を延長して構成された信号端子と、外導体を延長して構成され、信号端子と並んで配置されたグランド端子と、信号端子を挿入可能な孔を有する筒状構造であり、当該信号端子に装着されて電気的に接続された装着用信号導体とを備え、装着用信号導体は、同軸線路部と接する面と対向する面に、電気的に接続された導体突出部を有し、導体突出部の中心軸は、装着用信号導体の中心軸と異なることを特徴とするものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、測定対象の信号パッドとグランドパッドとの間隔が信号端子とグランド端子との間隔と異なる場合でも、インピーダンス変動を抑制することができ、十分な分解能を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る同軸プローブを用いたインピーダンス測定の一例を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る同軸プローブの装着用信号導体を装着前の構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態１における装着用信号導体の構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態１に係る同軸プローブの構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態１に係る同軸プローブの特性の一例を示す図であり、（ａ）通過特性を示す図であり、（ｂ）特性インピーダンスを示す図である。この発明の実施の形態２における装着用信号導体の構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態２に係る同軸プローブの効果を説明する図であり、（ａ）実施の形態１の形状の場合を示す図であり、（ｂ）実施の形態２の形状の場合を示す図である。この発明の実施の形態３における装着用信号導体の構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態４における装着用信号導体の構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態５における装着用信号導体の構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態５に係る同軸プローブの装着用信号導体を装着前の構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態５に係る同軸プローブの構成例を示す図であり、（ａ）外観斜視図であり、（ｂ）正面図である。この発明の実施の形態５における装着用信号導体の構成例を示す外観斜視図である。この発明の実施の形態における同軸プローブの測定実施概略図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、各図において同一又は相当する部分については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る同軸プローブ１を用いたインピーダンス測定の一例を説明する図である。
同軸プローブ１は、図１に示すように、同軸ケーブル２を介して測定装置３に装着され、測定対象５０に直接プロービングするものである。これにより、測定装置３にて、測定対象５０の電気的な特性（特性インピーダンス）の評価を行う。

この同軸プローブ１は、図２に示すように、同軸ケーブル２に接続するためのコネクタ１１を備えている。また、コネクタ１１には、同軸線路部１２が接続されている。同軸線路部１２は、内導体１２１と、外導体１２２と、内導体１２１と外導体１２２とを絶縁する誘電体１２３とから構成されている。ここでは、同軸線路部１２は、内導体１２１及び外導体１２２間の特性インピーダンスが５０Ωである同軸ケーブルを用いて製作されるものとする。この同軸ケーブルとしては、例えばセミリジット同軸ケーブルが挙げられる。また、内導体１２１が延長されることで、信号端子１２４が構成されている。また、外導体１２２の一部が延長されることで、信号端子１２４と並んで配置されたグランド端子１２５が構成されている。なお以下では、グランド端子１２５は、外導体１２２に導体を電気的に接続することで構成するものとする。このグランド端子１２５は、例えば信号端子１２４と同じ材質の導線を用いて構成される。ここまでの構成は、従来の同軸プローブの構成に相当する。

図２（ｂ）において、信号端子１２４の直径をｄとし、外導体１２２の直径をＤとする。この場合、従来の同軸プローブでは、同軸線路部１２が、下式（１）に従って、特性インピーダンスを調整する。
Ｚ_ｏ≒（１３８／√ε）×ｌｏｇ_１０（Ｄ／ｄ）（１）
ここで、Ｚ_ｏは特性インピーダンス（Ω）であり、εは誘電体１２３の比誘電率である。

しかしながら、信号端子１２４、及び当該信号端子１２４に並んで配置されたグランド端子１２５の領域では、式（１）の関係性は成り立たず、特性インピーダンスの上昇を必ず引き起こしてしまう。この原因としては、信号のリターン回路の延長による寄生インダクタンスの増加、及び信号端子１２４とグランド端子１２５との間での容量性結合の低下が挙げられる。
また、従来の同軸プローブでは、信号端子１２４とグランド端子１２５との間隔が、同軸線路部１２の径によって決定されてしまう。そのため、測定対象５０の信号パッドとグランドパッドとの間隔が、従来の同軸プローブの信号端子１２４とグランド端子１２５との間隔と異なる場合には、途端に接触困難になり、インピーダンス変動を起こしてしまう。よって、特に短配線の測定を行う際に十分な分解能を得られない。

そこで、本発明では、信号端子１２４に装着用信号導体１３を装着することで、上記課題を解決する。この装着用信号導体１３は、図３に示すように、信号端子１２４を挿入可能な孔１３１を有する筒状構造に構成されている。実施の形態１では、装着用信号導体１３は、軸心方向に垂直な断面の外郭形状が円形状に構成されている。そして、この装着用信号導体１３を信号端子１２４に装着した後、はんだ等で装着用信号導体１３と信号端子１２４とを電気的に接続させる。装着用信号導体１３を装着後の同軸プローブ１の構成を図４に示す。

このように、装着用信号導体１３を信号端子１２４に装着することで、信号端子１２４自体の抵抗値の低下、及び信号端子１２４とグランド端子１２５との間での容量性結合の増加を図ることができる。その結果、信号端子１２４とグランド端子１２５の領域で生じる特性インピーダンスの上昇を抑制することができる。よって、図４（ｂ）に示す装着用信号導体１３の直径ｒを、同軸プローブ１の特性インピーダンス、又は信号端子１２４及びグランド端子１２５の突出長さで規定される寄生インダクタンス等に応じて適宜規定することで、特性インピーダンスを確実に補正することができる。
また、装着用信号導体１３を信号端子１２４に装着することで、測定対象５０の信号パッドとグランドパッドとの間隔が、信号端子１２４とグランド端子１２５との間隔と異なる場合であっても、信号パッドとグランドパッドに接触させることができる。よって、インピーダンス変動を抑制することができ、十分な分解能を得ることができる。

なお、装着用信号導体１３は取外し可能に構成されている。すなわち、１つの測定対象において、信号パッドとグランドパッドの間隔、形状等が異なる場合が多々ある。そこで、異なる形状の装着用信号導体１３を複数種類用意して着脱自在とすることで、上記のような場合に対しても柔軟に対応することが可能となる。ここで、装着用信号導体１３は、はんだ等により信号端子１２４と電気的に接続されているため、容易に取外し可能である。

図５に実施の形態１に係る同軸プローブ１の通過特性及び特性インピーダンスの解析結果の一例を示す。なお図５において、破線は装着用信号導体１３を装着前の従来の同軸プローブに対する解析結果を示し、実線は装着用信号導体１３の装着後の実施の形態１の同軸プローブ１に対する解析結果を示している。また図５（ａ）では各周波数ｆでの通過特性を解析した結果を示し、図５（ｂ）ではＴＤＲ解析により特性インピーダンスＺを解析した結果を示している。
この図５に示すように、装着用信号導体１３を信号端子１２４に装着することで、従来構成に対し、インピーダンス変動が抑制され、高周波数帯における伝送特性が改善されることがわかる。

以上のように、この実施の形態１によれば、信号端子１２４に装着用信号導体１３を装着するように構成したので、同軸プローブ１の先端部で生じるインピーダンス変動を抑制することができる。また、測定対象５０の信号パッドとグランドパッドとの間隔が同軸プローブ１の信号端子１２４とグランド端子１２５と異なる場合であっても、良好な通過特性及び特性インピーダンスの維持が可能となる。特に短配線を有する測定対象５０に対して良好な特性インピーダンスを維持し、測定装置３にて高分解能に測定することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１に示す装着用信号導体１３では、図３に示すように、軸心方向に垂直な断面積が、軸心方向に沿って一様である場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図６に示すような形状であってもよい。

図６に示す装着用信号導体１３ｂは、図３に示す装着用信号導体１３に対し、軸心方向に垂直な断面積が、信号端子１２４の先端側に向かい小さくなるように構成されたものである。
図６に示す構造とすることで、例えば外導体１２２に電気的に接続されるグランド端子１２５を、信号端子１２４に対して平行にできない場合であっても、信号端子１２４とグランド端子１２５の領域におけるインピーダンス補正を容易に行うことができる。
例えば、測定対象の信号パッドとグランドパッドとの間隔が同軸線路部１２の径よりも小さい場合、グランド端子１２５を折り曲げることになる。この場合、図７（ａ）に示すように、実施の形態１の形状では、インピーダンスが先端部にかけて小さくなっていくことになる。それに対し、図７（ｂ）に示すように、実施の形態２の形状では、装着用信号導体１３ｂが先端側に向かい細くなっているので、グランド端子１２５との間隔を一定に維持できるため、インピーダンスを一定に維持できる。

また、図７（ａ）に示すように、実施の形態１の形状では、信号端子１２４の装着用信号導体１３部分を含む接触面が大きく、微細な信号パッドにプロービングする際にグランド端子１２５又は他のパッドと頻繁に短絡してしまう可能性がある。それに対して、図７（ｂ）に示すように、実施の形態２の形状では、信号端子１２４の着用信号導体１３ｂ部分を含む接触面が小さくなるため、微細な信号パッドへのプロービングが容易となり、プロービング精度の向上も期待できる。

実施の形態３．
実施の形態１に示す装着用信号導体１３では、図３に示すように、軸心方向に垂直な断面の外郭形状を円形とした場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図８に示すような形状であってもよい。

図８に示す装着用信号導体１３ｃは、信号端子１２４を挿入可能な孔１３１を有する筒状構造に構成され、軸心方向に垂直な断面の外郭形状が楕円形に構成されたものである。そして、図８（ｂ）に示すように、装着用信号導体１３ｃの軸心方向に垂直な断面における長軸及び短軸となる軸ｒ１，ｒ２を調整することで、信号端子１２４とグランド端子１２５の領域におけるインピーダンス補正が可能となる。

実施の形態４．
実施の形態１に示す装着用信号導体１３では、図３に示すように、軸心方向に垂直な断面の外郭形状を円形とした場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図９に示すような形状であってもよい。

図９に示す装着用信号導体１３ｄは、信号端子１２４を挿入可能な孔１３１を有する筒状構造に構成され、軸心方向に垂直な断面の外郭形状が長円形に構成されたものである。そして、図９（ｂ）に示すように、装着用信号導体１３ｄの軸心方向に垂直な断面における半円半径ｒ３及び長さｒ４を調整することで、信号端子１２４とグランド端子１２５の領域におけるインピーダンス補正が可能となる。

なお実施の形態３，４に示す装着用信号導体１３ｃ，１３ｄでは、軸心方向に垂直な断面積が、軸心方向に沿って一様である場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、実施の形態２と同様に、その断面積が、信号端子１２４の先端側に向かい小さくなるように構成されてもよく、同様の効果を得ることができる。

また実施の形態１〜４では、単一の装着用信号導体１３，１３ｂ〜１３ｄを信号端子１２４に装着する場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、信号端子１２４が長い場合には、形状が互いに異なる装着用信号導体１３，１３ｂ〜１３ｄを複数連結してもよい。

また実施の形態１〜４では、特性インピーダンスが５０Ωである測定系を用いた場合を例に説明を行った。しかしながら、これに限るものではなく、例えば２８Ω、５６Ω、７５Ω等の特性インピーダンスを有する各種測定系を用いた場合にも、それらに対応した同軸プローブ１を構成することができる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４では、同軸プローブ装置１に装着用信号導体１３を装着することにより、プローブ先端部まで良好な周波数特性および特性インピーダンスを維持することを可能とした。しかしながら、これに限るものではなく、例えば、図１０に示すような形状であってもよい。
図１０は、本実施の形態における装着用信号導体１３の構成例を示す図である。図１０に示す装着用信号導体１３は、図３に示す装着用信号導体１３に測定対象のプロービングを行う導体突出部９９０が構成され、その長手方向の中心軸は、同軸線路部１２の信号端子１２４のその中心軸と異なっていることを特徴としている。
図１１は、本実施の形態における導体突出部９９０の構成例を示す図である。図１１に示すよう、導体突出部９９０の両面は、装着用信号導体１３と接続される導体接続部９９１と測定対象と接触し、プロービングを行う導体接触部９９２により構成される。
導体突出部９９０は、例えば銅で構成され、装着用信号導体１３とはんだ等で電気的に接合される。導体突出部９９０の直径は装着用信号導体１３の直径ｒよりも小さいものとし、その延伸方向への長さｌ［ｍｍ］は測定に用いる最大周波数の波長λｍａｘに対して下式（２）に従って調整することが望ましい。
ｌ＝λｍａｘ／１０（２）

本実施の形態における同軸プローブ１を図１２、１３に示す。図１２、１３において図２、４と同一の符号は、同一または相当する部分を表しており、導体突出部９９０以外については、実施の形態１で用いた図２、４で記載したものと同じである。
本記実施の形態における装着用信号導体１３の長さＬ２は、図１２に示したように、信号端子１２４における長さＬ１より大きい。これにより、図１３のように信号端子１２４に装着用信号導体１３を嵌合した場合、実施の形態１の場合と違い、信号端子１２４が装着用信号導体１３から飛び出さない。
また、信号端子１２４の直径ｄは装着用信号導体１３の挿入可能な孔１３１の直径d’よりもわずかに小さく（ｄ＜ｄ’）してある。これにより、装着用信号導体１３は、信号端子１２４の中心軸を基軸に回転することが可能である。
なお、実施の形態１では、装着用信号導体１３を信号端子１２４に装着した後、はんだ等で装着用信号導体１３と信号端子１２４とを電気的に接続させたが、本実施の形態では、装着用信号導体１３と信号端子１２４とを固定せず、例えば信号端子１２４の直径ｄを装着用信号導体１３の挿入可能な孔１３１の直径d’よりもわずかに小さく（ｄ＜ｄ’）する関係を保ったまま嵌合させることで電気的に接続する。

本実施の形態における同軸プローブ装置１を用いた場合のインピーダンス測定の一例（測定実施概略図）を図１４に示す。
図１４おいて、測定対象５０は、例えばＩＣパッケージであり、同軸プローブ１を信号パッドとＧＮＤパッドの各電極に接触させて測定を行う。
なお、７および７’は測定対象５０上にある信号パッドであり、８はグランドパッド（ＧＮＤパッド）である。また、図中の９９０’は、装着用信号導体１３を回転させた場合の導体突出部を示している。
なお、信号パッド７とＧＮＤパッド８との間の距離は、従来の同軸プローブのグランド端子と信号端子との間の距離と一緒の場合を示しているが、信号パッド７’とＧＮＤパッド８との間の距離は、従来の同軸プローブのグランド端子と信号端子との間の距離と違う場合を示している。
実際に測定を行う手順について説明を行う。
同軸プローブ１を用いて測定対象５０の測定を行う際、まず、グランド端子１２５をＧＮＤパッド８に接触するようにする。
次に、測定を行いたい対象が信号パッド７であった場合、導体突出部９９０を信号パッドに接触させる。
なお、測定を行いたい対象が信号パッド７’であった場合、装着賞信号導体１３を回転し、導体突出部が９９０’の位置にくるようにする。
このように、測定対象５０の信号パッドとＧＮＤパッドとの位置関係が変化しても、装着用信号導体１３を回転させることで、それぞれに接触させることが可能となる。

これにより、例えば、測定対象の信号パッドとＧＮＤパッドの間隔が測定用同軸プローブのその関係より狭い場合であっても柔軟に対応でき、且つ良好な周波数特性と特性インピーダンスの維持が可能になる。
また、測定対象の信号パッドとＧＮＤパッドの間隔が測定用同軸プローブのその関係より広い場合であっても、狭い場合と同様、柔軟に対応でき、且つ良好な周波数特性と特性インピーダンスの維持が可能になる。

本実施の形態における図１２、１３では、装着用信号導体１３の導体突出部９９０の構造の一例を挙げて説明したが、この導体突出部９９０の構造はこれに限定されず、実施の形態３の図７で説明したものと同様に、その断面積が延伸方向に対して小さくなるように形成されていても良い。
また、実施の形態４の図８で説明したものと同様に、導体突出部９９０の断面形状も円形に限定されない。

以上のように、導体突出部９９０を有する装着用信号導体１３を回転できる構成にしたことで、プローブ先端部まで良好な周波数特性と特性インピーダンスを維持したまま様々な信号パッドとＧＮＤパッドの位置関係にも対応が可能になる。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１同軸プローブ、２同軸ケーブル、３測定装置、１１コネクタ、１２同軸線路部、１３，１３ｂ〜１３ｄ装着用信号導体、５０測定対象、１２１内導体、１２２外導体、１２３誘電体、１２４信号端子、１２５グランド端子、１３１孔、９９０導体突出部、９９１導体接続部、９９２導体接触部。

Claims

内導体及び外導体を有する同軸線路部と、
前記内導体を延長して構成された信号端子と、
前記外導体を延長して構成され、前記信号端子と並んで配置されたグランド端子と、
前記信号端子を挿入可能な孔を有する筒状構造であり、当該信号端子に装着されて電気的に接続される装着用信号導体とを備え、
前記装着用信号導体は、前記同軸線路部と接する面と対向する面に、電気的に接続された導体突出部を有し、前記導体突出部の中心軸は、前記装着用信号導体の中心軸と異なることを特徴とする同軸プローブ。
前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面の外郭形状は円形である
ことを特徴とする請求項１記載の同軸プローブ。
前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面の外郭形状は楕円形である
ことを特徴とする請求項１記載の同軸プローブ。
前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面の外郭形状は長円形である
ことを特徴とする請求項１記載の同軸プローブ。
前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面積は、前記信号端子の先端側に向かい小さく構成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の同軸プローブ。
前記グランド端子は、前記外導体に電気的に接続された導体である
ことを特徴とする請求項１記載の同軸プローブ。
前記信号端子の延長方向の長さは、前記装着用信号導体よりも短く構成され、かつ、前記装着用信号導体は、前記信号端子を回転軸として回転が可能なことを特徴とする請求項１記載の同軸プローブ。
前記導体突出部の前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面の外郭形状は円形であることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項記載の同軸プローブ。
前記導体突出部の前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面の外郭形状は楕円形である
ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項記載の同軸プローブ。
前記導体突出部の前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面の外郭形状は長円形である
ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項記載の同軸プローブ。
前記導体突出部の前記装着用信号導体の軸心方向に垂直な断面積は、前記信号端子の先端側に向かい小さく構成された
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項記載の同軸プローブ。