WO2005101036A1

WO2005101036A1 - 電子部品の高周波電気特性測定方法および装置

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Publication number: WO2005101036A1
Application number: PCT/JP2004/004744
Authority: WO
Inventors: Gaku Kamitani
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-27
Also published as: JP3912427B2; DE112004002807B4; JPWO2005101033A1; DE112004002807T5; WO2005101033A1

Abstract

単位長さ当たりの電気特性が既知の伝送路１２の両端をネットワークアナライザ２０の測定ポートにそれぞれ接続し、伝送路１２の長さ方向の少なくとも３箇所においてショートチップ１０をシャント接続し、全反射状態での電気特性を測定し、伝送路１２を含む測定系の誤差要因を計算する。この伝送路１２に被測定電子部品１５をシャント接続して電気特性を測定し、被測定電子部品１５の測定値から測定系の誤差要因を除去し、被測定電子部品１５の電気特性の真値を求める。そのため、接続ばらつきの影響を受けない高精度な２端子電子部品の高周波電気特性測定方法を実現できる。

Description

電子部品の高周波電気特性測定方法およぴ装置技術分野

本発明は、チップインダクタ、チップコンデンサ、チップ抵抗等の 2端子電子部品の高周波電気特性の測定方法、より詳しくは、ネットワークアナライザなどの測定器によって 2端子電子部品のィンピーダンス値や Q値等をシャント法で測定する際の測定誤差の補正方法に関する。明

背景技術

ネットワークアナライザを用いて、表面実装タイプのチップインダクタゃチップコンデンサ等のィンピーダンス素子の高周書波電気特性を測定する場合、これらの電子部品に直接同軸ケーブル等を接続することは不可能であるため、ネットヮークアナライザに同軸ケーブルを介して平面伝送路 (マイクロストリップラインゃコプレーナウヱーブガイドなど）を接続し、この平面伝送路上に電子部品を接触させて測定する方法がある。この場合、被検体であるインピーダンス素子の散乱係数行列の真値を得るためには、測定系の誤差要因を同定して測定結果から誤差要因の影響を取り除かなければならない。これを捕正または校正（キヤリブレーション) とレヽう。ネットワークアナライザによる測定において、測定系の誤差を除去する従来技術とし飞、 Application Note 1287-9； In- Fixture Measurements Using Vector Network Analyzers ( (C) 1999 Hewlett-Packard Company)に示されるように、 T R L (Through-Reflection-Load) ネ uや S O L T (Short-Open-Load-Through) ネ正が知られている。図 l a , 図 1 bに、ネットワークアナライザを用いだ測定系と、 S O L T補正 T R L補正で使用される各誤差モデルとを示す。 .

被検体である電子部品 1は、測定治具 2の上面に形成された伝送路上に接続される。測定治具 2の伝送路の両端は同軸ケーブル 3を介して図示しないネットヮークアナライザの測定ポートに接続されている。

S O L T補正の誤差モデルにおいて、 S _{1 1A}〜S _22A ίま被検体を含む伝送路の散乱係数、 E_DF， E_RF， E _SFは一方の測定ポート側の散舌し係数、 E_LF, E_TFは他方の測定ポート側の散乱係数である。 T R L補正の誤差モデルにおいて、 S _11A〜 S _22Aは被検体の散舌し係数、 e oo 〜 e nは一方の測定ポート側の散乱係数、 f ₀₀〜 f _{X 1}は他方の測定ポート側の散乱係数である。誤差要因を同定するためには、被検体測定面に少なくとも 3種類の散乱係数が既知のデバイス（標準器）を取りつけて測定を行わなければならない。伝統的に開放（OPEN) 、短絡 (SHORT) 、終端 (L0AD=50 Q )が使用されること^多く、同軸環境であればこのような標準器を実現できるため、この方法は広く俊用されており、 S O L T補正と呼ばれる。 S O L T補正では、図 2に示すように、短絡（0 Ω ) と開放（∞Ω ) と終端（50 Ω ) の 3種類のコネクタ 4を使用するとともに、ボート間を直結してスルー（Through) 状態としている。しかし、 S O L T補正の場合、同軸環境以外ではこのような標準器の実現は極めて困難であり、補正に必要な標準器をチップデバイス形状で実現 1 "ることができなレ、。例えば表面実装部品を測定する際に用いられる平面伝送路、導波管や同軸伝送路とは異なり、良好な「開放」や「終端」を得ることができず、現実的に S O L T補正を実施することができない。また、一般的に測定に tつて得られる測定値は、被検体 1そのものではなく、被検体 1と被検体を接続した測定治具 2とを合成した特性となり、被検体単体の特性を測定することができない。

T R L補正とは、実現の難しいデバイス形状の標準器に代えて、図 3に示すように、ポート間直結状態（Through) の伝送路 5 a、全反射 (Ref lection=通常短絡）の伝送路 5 b、及び長さが異なる数種類の伝送路 (Line) 5 c , 5 dを標準器として使用するものである。伝送路 5 a〜5 dは、比較的散乱係数力 S既知のものを製作しやすく、また全反射も短絡であれば、比較的簡単にその特 feを予想できることから、伝送路のみで補正を可能としたものである。そのため、原理的には被検体 1単体の特性を測定することができる。

なお、この例では、スルー伝送路 5 aはいわゆる Non- zero- throughであり、被検体 1はスルー伝送路 5 aの中央部にシャント接続して測定する。ところが、被検体である表面実装部品に T R L補正を適用しょうとすると、以下のような課題を生じる。

1 ) 標準器である伝送路 (Line数種類と Reflectionと Through) 5 a〜 5 dにおいて、同軸ケーブル 3と伝送路 5 a〜5 dとの接続部に生じる誤差要 Hが全て等しくなければならない。しかし、たとえ各標準器で同じ種類のコネクダを使用しても、各標準器を測定器に接続する際に特性バラツキが非常に大きくり、補正誤差を生じ、ミリ波帯に近づくと事実上実施不可能となる。

2 ) 前記課題を解決するため、同軸コネクタを共通とし、その同軸ピンを標器である伝送路と接触接続することでコネクタ接続のパラツキの影響を回避しょうという工夫もされている。しかし、同軸ピンが破損するなど、構造上接触部こ十分な押しっけ荷重を確保することが難しく、接触が安定しないために補正が安定になることが多い。また、測定周波数が高くなると、一般に伝送路も同軸ピンも細くなるので、これらの位置決め再現性による測定バラツキが大きくなつてしまう。

3 ) 補正時の測定が正常であるかどうかを補正作業中に判断することが困難であるので、手間のかかる補正作業を終えて実際に被検体を測定して初めて、補正時の接触不良などの事故に気づくといつた無駄を生じる。特開平 6— 3 4 6 8 6号公報には、ストリップ線路を経由して被検体に接藏される 2つの試験端子を有するネットワークアナライザを校正する方法が開示されている。すなわち、最初校正測定においては、伝送と反射のパラメータを、伝搬定数が未知線路上で、前記 2つの試験端子間で無反射の仕方で接続されたストリップ線路上で測定し、同じ線路を使用してさらなる 3回の校正測定を、前記線路上の 3つの異なる位置において挿入された反射対称でかつ相反的な不連続部により実現された 3つの校正標準器で実施するものである。

つまり、伝送路の状態を 3つの状態に変化させることで、 3種類の標準器を実現し、標準器の接続を 1回のみとするものである。この方法であれば、 T R IL補正に比べて、標準器の接続回数を減らすことができ、校正作業における測定冒貝差を少なくできる。しかし、実際に被検体の測定を行う場合には、標準器として使用したストリツプ線路を取り外し、被検体を接続できるストリップ線路（治具）を再度接続なければならない。当然、再接続した際の接続部の特性は変化するので、測定 38差になってしまう。

また、 2つの試験端子間にストリップ線路を無反射の仕方で接続すること fま、実際上難しく、試験端子とストリツプ線路との接続部での反射係数が誤差要 13となる。

さらに、被検体を接続して得られる測定値は、被検体だけでなく、被検体と被検体を接続したストリツプ線路とを合成した特性となり、被検体単体の特性を測定することができない。そこで、本発明の目的は、 T R L補正や S O L T補正における問題点を解稍するとともに、接続部の特性ばらつきの影響を受けない高精度な電子部品の高周波電気特性測定方法を提供することにある。

また、高精度な電子部品の高周波電気特性測定装置を提供することにある。発明の開示

前記目的を達成するため、請求項 1に記載の発明は、電子部品の高周波電特性を測定する方法において、単位長さ当たりの電気特性が既知の伝送路の両端を測定器の測定ポートにそれぞれ接続するステップと、前記伝送路の少なくとも 3 箇所において、前記伝送路を全反射状態にして電気特性を測定するステップと、前記全反射状態での測定値から、前記伝送路を含む測定系の誤差要因を計算するステップと、被測定電子部品を前記伝送路にシャント接続して電気特性を測定するステップと、前記被測定電子部品の測定値から前記測定系の誤差要因を除去するステップと、を含むことを特徴とする電子部品の高周波電気特性測定方法を提供する。本発明は、測定治具である伝送路の信号導体と接地導体との間に被検体をシャント接続して、この部分の反射およぴ伝達係数などを測定し、これからインピーダンス値等の電気特性を求める、いわゆるシャント法において、伝送路その他の測定系の誤差を除去する手法である。本発明は、測定系の誤差を測定する際、ィ云送路の電気特性は物理的真値が既知であるものを製作しやすいこと、伝送路の全反射（短絡）状態は良質なものを容易に実現できること、という知見に基づいてなされたものである。以下、本発明による補正（以下、 T R R R補正と呼ぶ) の原理について説 0月する。

—T R R R補正の仮定一

1 ) 測定治具として使用する伝送路は単位長さ当たりの電気特性が既知であること。

具体的には、単位長さあたりの損失と電気長、特性インピーダンスが既知である必要がある。これらはシミュレーションにより予測する力、、または同じ材質の基板を用いて数種類の長さの同じ構造の伝送路を製作し、その電気特性の実測翁果から推定することができる。単位長さ当たりの電気特性が既知の平面伝送路は、例えば公知のプリント基板の製造技術を用レ、れば、容易に実現できる。

2 ) 伝送路にシャント接続されるショートチップの電気特性が既知であること。ここでショートチップとは、電気的に短絡状態の部品一般を指し、チップ都品に限らず、金属片や工具などでもよい。望ましくは、ナイフエッジのような伝送路の長さ方向の接触長さが短いものがよい。ショートチップが理想的であれば、反射係数が一 1 (全反射）の値になるが、実際にはショートチップといえどもある程度のィンダクタンスを持つので、ィンダクタンス値が既知である必要があるということである。通常、マイクロ波帯では、オープン状態と比較してショート状態は比較的容易に理想に近い状態を得られる。高い測定精度が要求される場合には、簡単なシミュレーション等によってショートチップのインダクタンスを求めれば良い。一 T R R R補正の標準器—

T R R R補正では、測定すべき標準器は全て同じショートチップ 1 0であり、これを図 4に示すように測定治具 1 1に形成された伝送路 1 2上の 3箇所以上で測定する。ここではポート 1 (コネクタ 1 1 a ) の補正について説明するが、ポート 2 (コネクタ l i b ) についても全く同様であり、実際には両方のポートについて同時に補正を行うことが重複する無駄な測定をしなくて済む点で合理的である。

測定治具 1 1として、ここではコプレーナウエーブガィドを例にして説明する。コプレーナウエーブガィドは、公知のように細帯状の信号導体 1 2 aとその両側に間隔をあけて設けられた接地導体 1 2 bとからなる伝送路 1 2を有し、信号導体 1 2 aと接地導体 1 2 bとが同一平面上に形成されたものである。測定治具 1 1の両端にはコネクタ 1 1 a , l i bが設けられ、これらコネクタに同軸ケープルが接続される。まず、実際に被検体を測定する位置（図 4中の測定点 1である。以下、「被検体測定位置」という）にショートチップ 1 0をシャント接続して測定を行い、この時の測定結果を S _{1 1M1}とする。この際、被検体測定位置における反射係数の真値を Γ_Α1 とする。 Γ_Α1はショートチップの真値であるが、これはショートチップ 1 0の伝送路 1 2の長さ方向の大きさが測定信号波長と比較して十分に小さければ一 1とすればよく、そうでなければその真値の予想値をシミュレーシヨン等で求めておくべきものである。次に、被検体測定位置よりポート 1側に L (m) だけ離れた伝送路 1 2上の位置（測定点 2 ) にショートチップ 1 0をシャント接続して測定を行い、この時の測定結果を S _11M2とする。この際、測定点 2におけるショートチップの反射係数の真値はもちろん Γ_Α1であるが、被検体測定位置を基準面にとると、反射係数の真値は数式 1のように変換される。ここに、 αは単位長さあたりの伝送路の伝達度、 βは伝送路の位相定数であり、 Γ_Α2は被検体測定位置を基準面とした場合の測定点 2におけるショートチップの反射係数の真値である。

〔数式 1〕

なお、数式 1は伝送路の伝達度 αの負の冪になっていることから明らかなように、 r_A2はその大きさが 1を越える。通常の感覚では反射係数の大きさが 1を超えるショートチップなど存在し得ないが、これはあくまでも数式 1が基準面を被検体測定位置に取っているために発生している状態であり、異常ではない。続けて、被検体測定位置よりポート 2側に L (m) だけ離れた伝送路上の位置 (測定点 3 ) にショートチップ 1 0をシャント接続して測定を行い、この時の測定結果を S _{1 1M3}とする。測定点 2の場合と同様に被検体測定位置を基準面に取ると、測定点 3における反射係数の真値は数式 2のようになる。

〔数式 2〕

ここでは、被検体測定位置（測定点 1 ) に対してポート 1側とポート 2側にそれぞれ距離 Lだけ離れた位置を測定点 2および 3としたが、距離 Lが同一である必要はないことは勿論である。

また、測定点 2および 3を被検体測定位置を間にしてその両側に設けたが、被検体測定位置に対して片側に設けてもよい。伹し、両側に設けた場合には、伝送路 1 2をできるだけ短くしながら有効なデータを得ることができる。

さらに、測定点 1を被検体測定位置とする必要もない。

なお、ショートチップ 1 0をシャント接続する方法として、信号導体 1 2 aと一方の接地導体 1 2 bとの間にショートチップ 1 0を接続したが、ショートチップ 1 0が単なる導電部材である場合には、信号導体 1 2 aと両側の接地導体 1 2 bとの 3者に同時に接続してもよい。次に、スルー状態（ポート間直結状態）での測定を行う。スルー状態とは、実際には測定治具である伝送路に何も接続せずに測定を行うだけである。測定値は、反射係数が S _{1 1MT}で伝達係数は S _21MTとする。

- T R R R補正の誤差モデルの誤差係数の導出一

T R R R補正の誤差モデルを図 5に示す。これは特に新規なものではなく、従来から使用されている S O L T補正の誤差モデルと同じものである。図中の S _{1 :L} _M、 s_21M は反射係数及び伝達係数の測定値であり、 s_11A、 S_21A等は被検体の散乱係数である。

さて、前述の TRRR補正の標準器の測定結果から図 5中の各誤差係数を求めなければならないが、これは以下に示す数式 3により行える。これら数式は、図 5のモデル中の S_11M、 S_21Mと S_11A〜S_22Aに、標準器の測定値である S_11M

S_11MT、 S_21MT及ぴ Γ_Α1〜Γ_Α3及び理想のスルー接続の散乱係数行列を代入した上で整理することで求められる。誤差要因が 5つであり、補正時に測定する測定値も 5つであるから、式を整理すれば以下の通り誘導できることは明らかである。なお、は中間変数である。

〔数式 3〕

Dl = 1 A2 Γ_Α3 >Jii 3~r_A1 i _A3 uM3^_ I A2 * ^ A3*SnM2⁺ Γ_Α1 · lぬ * _Π 2

+ ΓΑΙ · Γ_Α3 ο null- ΓΑΙ · ΓΑ2 · S Π Ι

EDF

ΓΑ2 · ΓΑ3 'SuMl'SuMe

+ ΓΑΙ · Γ Α2 _0_11M1*S_11M3+ · Γ_Α3 *S_11M1*Su 2

E_TF= U21MT * ( 1~E_SF · ELF) なお、理想のスルー接続の散乱係数行列は次の通りである ₍

〔数式 4〕

以上はポート 1側からポート 2側へ信号を印加した場合（順方向）の議論であるが、逆方向についても全く同様である。

なお、例えば被検体測定位置を伝送路中でポート 1側に L (m) だけ移動した場合、 T R R R補正の誤差モデルのポート 1側には数式 5で表される散乱係数行列を、ポート 2側には数式 6で表される散乱係数行列を接続した状態を求めて、改めて T R R R補正の誤差係数とすれば、補正測定作業を繰り返し行わなくても正しい結果が得られる。これは、伝送路の特性が既知であることから、各ポートの伝送路長が L (m) だけ変化した場合の誤差係数の変化が予想できることを利用したものである。〔数式 5〕

0 a^L exp (- jfiL)

exp (— ） 0 以上を利用すれば、被検体測定位置の伝送路が繰り返し測定で磨耗してきた場合に、伝送路の磨耗していない部分に被検体測定位置を適宜変更しながら測定を継続することで、結果として治具寿命の延長が図れる。この際、補正作業をやり直す必要はなく、数学的に測定系の誤差要因を修正するだけで良い。一 TRRR補正の実施一

誤差係数が求まれば、 T R R R補正の誤差モデルは SOL T補正の誤差モデルと同じものであるから、実際の被検体測定結果から誤差の影響を除去するには S OLT補正と同様の計算を行えば良い。以下に、誤差の影響を除去する数式を紹介する。なお、 D₂ は中間変数である。

〔数式 7〕

なお、数式 7における E_XRと E_XFはいわゆるリーク信号で、前者はポ一ト 1から被検体を介さずに直接ポート 2に飛び込む信号、後者はその逆を示す。通常、 S O L T補正や TR L補正では十分アイソレーションが高い（すなわちリークが少ない）測定系を対象とするので、 E_XR = E_XF = 0 とみなすことができる。図 6は、上記 TRRR補正方法の一例のフローチヤ一ト図である。

補正を開始すると、まず測定器と測定治具とを同軸ケーブルを介して接続する (ステップ 1) 。次に、第 1の位置でショートチップにより信号導体と接地導体とを短絡する（ステップ 2) 。第 1の位置とは被検体測定位置でもよいし、他の位置でもよい。ショートチップを接続した状態で、ポート 1側およびポート 2側の反射係数（S_11M1， S_22M1) を測定する（ステップ 3) 。

次に、第 2の位置でショートチップにより信号導体と接地導体とを短絡し（ステツプ 4) 、ポート 1側およびポート 2側の反射係数（S_11M2， S_22M2) を測定する（ステップ 5) 。続いて、第 3の位置でショートチップにより信号導体と接地導体とを短絡し（ステップ 6 ) 、ポート 1側およぴポート 2側の反射係数（ S！

1M3, S_22M3) を測定する (ステップ 7) 。

その後、測定した反射係数と数式 3〜数式 6とを用いて誤差係数を計算する (ステップ 8) 。

誤差係数を計算した後、測定治具に被検体を接続し (ステップ 9) 、被検体の順方向 ·逆方向の反射係数および伝達係数（S_11M, S_21M, S_12M, S_22M) を測定する（ステップ 1 0) 。次に、数式 7で誤差の影響を除去し（ステップ 1 1) 、誤差除去結果（被検体の真値）のディスプレーなどへの表示や被検体の選別等を実施する（ステップ 1 2) 。その後、全ての被検体の測定が完了するまでステツプ 9〜 1 2を繰り返し（ステップ 13 ) 、全ての被検体の測定が完了すれば、 T RRR補正を終了する。ショートチップのシャント接続時、ショートチップと伝送路との間で接触不良が発生していると、測定された反射係数は誤った値となる。そこで、接触不良を検出するため、伝達係数を測定するのがよい。すなわち、ショートチップが正常に接 fe¾している場合には全反射が起こるため、治具ポート間の伝達係数は非常に小さレ、が、ショートチップと伝送路との間で接触不良が発生していると、ポート間の伝達係数が大きくなる。この伝達係数の違いを利用して、接触不良を簡単に判別できる。このように補正手順中に測定ミスを検出できるため、後で被検体を測定した時点で補正に失敗していたと判明するような無駄を防げる。図 7は、図 6の誤差係数の導出過程において、伝達係数から接触不良を検出するステップを追加したものである。

まず、測定器と測定治具とを同軸ケーブルを介して接続し（ステップ 20) 、第 1の位置でショートチップにより信号導体と接地導体とを短絡する（ステップ 21) 。ショートチップを接続した状態で、ポート 1側およぴポート 2側の反射係数（S_11M1， S_22M1) だけでなく伝達係数（S_12M1， S_21M1) も測定する（ステツプ 22) 。そして、測定した伝達係数が十分に小さいか否かを判定し (ステップ 23) 、十分に小さくない場合には接触不良であると判定し、再度ステップ 21, 22を繰り返す。一方、伝達係数が十分に小さい場合には、接触が良好であると判定し、次の第 2の位置での測定に移る。

第 2の位置でも同様に、ショートチップにより信号導体と接地導体とを短絡し (ステップ 2 4 ) 、ポート 1側およびポート 2側の反射係数（S _{1 1M2}, S _22M2) と伝達係数（S _12M2， S _21M2) を測定する（テップ2 5 ) 。そして、測定した伝達係数が十分に小さいか否かを判定し (ステップ 2 6 ) 、十分に小さくない場合には接触不良であると判定し、再度ステップ 2 4 , 2 5を繰り返す。一方、伝達係数が十分に小さい場合には、接触が良好であると判定し、次の第 3の位置での測定に移る。

第 3の位置でも同様に、ショートチップにより信号導体と接地導体とを短絡し (ステツプ 2 7 ) 、ポート 1側およびポート 2側の反射係数（ S _{1 1M3}， S _22M3) と伝達係数（S _12M3, S _21M3) を測定する（ステップ 2 8 ) 。そして、測定した伝達係数が十分に小さいか否かを判定し (ステップ 2 9 ) 、十分に小さくない場合には接触不良であると判定し、再度ステップ 2 7 , 2 8を繰り返す。一方、伝達係数が十分に小さい場合には、接触が良好であると判定する。

その後、図 6のステップ 8〜1 3と同様にして、誤差係数の導出と、補正の実 ¾!!を行う。

なお、図 7では、接触不良を検出するためにポート 1側おょぴポート 2側の伝達係数を測定したが、測定系の伝達係数に方向性がない場合には、いずれか一方のポート側の伝達係数のみで接触不良を検出することができる。伝送路の信号導体と接地導体とを短絡状態にするため、ショートチップを伝送路にシャント接続したが、周波数が高いためにショートチップの残留インダクタンスの影響が大きく、十分に短絡に近くならない場合（ポート間を信号が通過してしまい、全反射が得られない場合）がある。

この場合には、ショートチップを伝送路に対して近接（非接触）させ、伝送路とショートチップとの間に発生する浮遊容量とショートチップの残留インダクタンスを直列共振状態とするのがよい。

直列共振状態では、ショートチップ接続部のィンピーダンスは 0 Ω、つまり理想の短絡状態になる。つまり、良好なショートチップが得られない高い周波数においても、良好なショートチップを使用したのと同じ効果が得られる。

なお、ショートチップを伝送路に対して非接触とし、その間の浮遊容量で直列共振状態とする場合に限らず、ショートチップとして微小容量のコンデンサを用い、このコンデンサを伝送路に接触（完全接続）させて直列共振させることもでさる。前記説明では、補正に際し伝送路の少なくとも 3箇所でショートチップをシャント接続して測定を行うとともに、伝送路に何も接続せずにスルー状態でも測定したが、測定系の伝達関数に方向性がない場合（例えば同軸ケーブル先端でキヤリプレーシヨンを実施し、測定器の方向性を除去した場合）には、誤差要因の順方向の伝達関数と逆方向の伝達関数とが相反定理により等しくなるので、全反射状態の測定のみから誤差要因を計算でき、スルー状態での測定は省略可能である。本発明で使用する測定治具としては、信号導体と接地導体とが同一平面上に形成された伝送路を有するものを用いるのがよい。ショートチップを用いた補正作業および被検体を用いた測定作業において、ショートチップや被検体を信号導体と接地導体とに同時に接触導通させやすいからである。しかも、ショートチップや被検体の押し付けを伝送路に対して垂直に行えるので、十分な押しつけ荷重を確保すること力 S容易で、接触が安定しやすい。

具体的な伝送路としては、コプレーナウエーブガィドゃスロット線路を用いることができる。コプレーナウエーブガィドは上述のように信号導体を間にしてその両側に接地導体を設けたものであり、 1 0 G H zまでの高周波特性の測定に適している。

一方、スロット線路は、信号導体と接地導体とが同一平面上に間隔をあけて設けられたものであり、 1 0 011 2以上の高周波特^^>生の測定に適してぃる。ショートチップをシャント接続する各位置の相互距離は、測定したい周波数によつて望ましレ、位置が決まるものであり、測定周波数の信号波長の 1 Z 8〜 3 Z 8の範囲とするのが望ましい。

相互距離を信号波長の 1 Z 2またはその倍数とした場合、位相が同一になるため、複数の位置でショートチップを接続して測定しても、同じ特性を測定したことになるからである。そのため、信号波長の 1 / 2またはその倍数を除く距離とする必要があり、好ましくは信号波長の 1 / 8〜3 Z 8の範囲とするのがよい。なお、測定すべき周波数帯域幅が広い場合には、ショートチップを接続する位置を 4箇所以上とするのがよレ、。なぜなら、周波数帯域が広くなると、ショートチップを接続する位置のうちいずれかで信号波長の 1 / 2またはその倍数となる場合があり得るので、そのようなデータを除外しても 3箇所のデータが残るようにする必要があるからである。図面の簡単な説明

図 1 aは従来のネットワークアナライザを用いた測定系および S O L T補正の誤差モデルを示す図である。

図 1 bは従来のネットワークアナライザを用いた測定系および T R L補正の誤差モデルを示す図である。図 2は S O L T補正法を示す図である。

図 3は T R L補正法を示す図である。

図 4は本発明にかかる補正法を示す図である。

図 5は本発明にかかる補正法で使用される誤差モデル図である。

図 6は本発明にかかる測定方法の一例のフローチヤ一ト図である。

図 7は本発明にかかる測定方法の他の例のフローチャート図である。

図 8は本発明にかかる高周波電気特性測定装置の補正時における平面図である。図 9は図 8に示す高周波電気特性測定装置の補正時における正面図である。図 1 0はショートチップの接触正常時と接触不良時の伝達係数の特性図である。図 1 1は本発明にかかる高周波電気特性測定装置の被検体の測定時における正面図である。

図 1 2は本発明にかかる高周波電気特性測定装置を用いて測定した被検体の高周波特性図である。

図 1 3はショートチップと伝送路との間で直列共振させる例を示す図である。図 1 4は伝送路の他の実施例であるスロット線路の平面図である。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

一実施例 1一

T R R R補正の有効性を確かめるために、次のような実験装置を製作して実験を行った。ここでは、実験結果を示すとともに、 T R R R補正の仕方を理解しやすくするため、実験の様子を順を追って説明する。

T R R 補正には、周波数帯域幅に応じた長さの伝送路を備えた測定治具が必要である。ここでは、図 8，図 9に示すとおり、測定治具 1 1として、表面に伝送路 1 2を持ち、裏面に接地導体 1 2 cを持つコプレーナウェーブガイド（以下、 C P Wと呼ぶ）を用いた。 T R R R補正では被検体測定位置以外でも伝送路 1 2 上のいくつかの位置でショートチップ 1 0を測定しなければならない。このため、ショートチップ 1 0を伝送路 1 2に押し付けるプッシャ 1 5と、プッシャ 1 5を伝送路 1 2に沿って自由に移動できる機構 1 6とを設けた。伝送路 1 2は、信号導体 1 2 a とその両側に接地導体 1 2 bとを有し、伝送路 1 2の両端は同軸ケーブル 1 4を介してネットワークアナライザ 2 0の測定ボート 2 1〜2 3に接続されている。同軸ケーブル 1 4の信号線 1 4 aは、接続ばらつきを解消するため信号導体 1 2 aに半田付けや'溶接等によって固定されている。測定ポート 2 1， 2 3は同軸ケーブル 1 4を介して信号導体 1 2 aの両端と接続され、測定ポート 2 2は同軸ケーブル 1 4を介して接地導体 1 2 bの一端と接続される。なお、伝送路 1 2の特性は既知でなければならない。今回は、 CPW製作技術上の都合から特个生ィンピーダンスを 75 Ωで設計した。一補正作業一

TRR R補正の補正作業は、伝送路 1 2中の数力所でショートチップ 10を測定することで行う。まず、被検体測定位置（P 1) でショートチップ 10を伝送路 12の信号導体 1 2 aと接地導体 1 2 bとの間にシャント接続し、電気特性を測定する。次に、被検体測定位置（P 1) から一定距離 L 1だけ離れた位置（P

2) で同じショートチップ 10をシャント接続し、測定する。さらに、被検体測定位置（P 1) から位置（P 2) とは逆方向に一定距離 L 2だけ離れた位置（P

3) で同じショートチップ 10をシャント接続し、測定する。

距離 L 1， L 2は、測定周波数の信号波長の 1 / 2またはその倍数を除く距離とする必要があり、信号波長の 1/8〜3ノ8の範囲とするのが望ましレ、。今回は、高周波領域用に距離士 1 Ommとした位置（オフセット ± 10mm) と低周波領域用に距離土 30 mmとした位置（オフセット土 3 Omm) での測定を行つた。補正手順のショートチップの測定時には、正常にショートチップが接触している時には全反射力 S起こるため、治具ポート間の伝達係数は非常に小さい。ところが、何らかの原因で接触不良が発生している場合には、ポート間の伝達係数が大きくなる。図 1 0にショートチップが良好に接触している場合（Good)と接触不良を起こしている場合（Bad)の伝達係数の例を示す。このように伝達係数の違いによって、補正手順中に測定ミスを検出できるため、後で被検体を測定した時点で補正に失敗していたと判明するような無駄を防げる。次に、図 1 1のように、被検体である 2端子電子部品（ここでは表面実装部品） 17をマウンタ 1 8によって吸着し、伝送路 12の被検体測定位置（P 1) にシャント接続して測定を行う。この際、使用する伝送路 1 2は上記補正作業で用いたものと同じであり、伝送路 12および同軸ケーブル 14の接続は固定状態のままとする。

以上のようにして求めた被検体 1 7の測定値から、数式 7により補正作業でショートチップ 1 0を用いて求めた誤差係数を除去し、被検体 1 7の電気特性の真値を求める。図 12は、 TRRR補正を用いて、いくつかのインピーダンス素子を 100M Hz〜3 GHzの範囲で測定した結果である。測定した素子は、ショートチップ、 50 Ω抵抗、 2 pFキャパシタ、 100 Ω抵抗である。

50 Ω抵抗、 100 Ω抵抗は周波数の増大に従いインピーダンス値も大きくなつているが、これはチップ抵抗の残留ィンダクタンス成分の影響と考えられる。

2 p Fキャパシタ ίま、低い周波数ではインピーダンスがほぼ周波数に反比例して減少しているものの、周波数が 2 GH ζを越えたあたりからはインピーダンス値が増大している。これも、残留インダクタンス成分の影響と見られる。

いずれにせよ、図 1 2の結果から、 TRRR補正で被検体の真値が得られたことがわかる。以上のように、 TRRR補正は次のような特徴を持つ。

1 ) 補正 ·測定は全て同じ伝送路上で行う。

TRL補正では、レ、くつもの長さの伝送路が標準器として必要で、かつこれらと同軸ケーブルとの接続部の電気特性が全て等しい必要があるが、 T R R R補正では補正作業だけでなく、測定作業でも全て同一の 1つの伝送路を使用するので、伝送路を付け替える必要がなく、伝送路やコネクタ、接続部などの特性バラツキの影響を受けない。

2) レシーバを 3つしか有さないネットヮ一クアナライザで実施できる。

TRR R補正の誤差モデルは SOL T補正の誤差モデルと同じものであるので、 3レシーバ構成のネットワークアナライザで全誤差要因を補正できる。つまり、 4レシーバ構成のネソトワークアナライザが必要な TRL補正に比べて、安価なネットワークアナライザを使用できる。

3) 被検体は伝送路にシャント接続して測定する。

測定治具である伝送路は接地導体と信号導体とに被検体が同時に接続できる構造でなければならなレヽ。例えば、コプレーナウエーブガイド（CPW) やスロットラインのような平面伝送路を使用することができる。

4) 必要な伝送路の長さは、測定したい周波数の下限によって決まる。

高周波では短い伝送路で足りるが、低周波数に対応するには長い伝送路が必要になる。

5) 補正のための測定は、伝送路中の 3箇所以上でショートチップをシャント接続して測定する。

被検体の測定位置からどれだけ離れた位置で何ケ所のショートチップ測定をすべきかは、測定周波数帯域幅と周波数上限によって決定する。周波数帯域幅が広い場合には、測定箇所を増やす必要があるが、 TRL補正のように数多くの標準器を準備する必要がないので、低コストで実施できる。

6) 補正測定の失敗（接触不良）を伝達係数の測定結果から検出できる。

伝送路にショートチップをシャント接続することで補正を行うので、良好な接触が得られている場合は全反射状態であり、ポート間の信号の伝達係数は非常に小さくなる。接触不良は伝達係数が大きくなることによって検出できるので、補正失敗を未然に防止できる。また、補正測定時のショートチップの押しつけを伝送路に垂直に行えるので、十分な押しつけ荷重を確保することが容易で、そもそも接触が安定しやすい。

7 ) 伝送路の寿命を長くできる。

被検体測定を繰り返して接触部の伝送路が磨耗してきた場合、被検体の測定位置を少しずらして伝送路の磨耗のない部分で測定を継続可能であるため、伝送路の寿命を長くできる。この際、補正作業をやり直す必要はなく、数学的に測定系の誤差要因を修正するけで良レ、。一実施例 2— ―

測定器が計算機能と専用ソフトウェアを備え、ショートチップの残留ィンダクタンス及び伝送路のパラメータ（位相定数 C r a d /H z ] および伝達損失 δ

〔d Β /Η ζ〕 ) とショートチップの接触位置を入力すると、各位置における標準器特性を数式 1，数式 2に基づいて自動的に算出し、ここで各位置におけるショートチップ測定（必要であればスルー測定）を行い、これらデータを数式 3の . 補正計算に使用して誤差要因を自動計算するようにしてもよレ、。すなわち、ネットワークアナライザが自動的に標準器の値を予想して T R R R補正をするものである。

この場合は、量産工場のデバイスの検査工程において、標準器の値をオペレータ等が計算する必要が無くなり、また測定器単体で T R R R補正が行えるため、工程が簡素化するという利点がある。一実施例 3—

周波数が高いなどのためにショートチップの残留ィンダクタンスの影響が大きく、ショートチップを伝送路にシャント接続しても、十分に短絡に近くならなレ、場合（ポート間を信号が通過してしまい、全反射が得られない場合）がある。

この場合には、図 1 3の ( a ) に示すようにショートチップを伝送路に対して近接（非接触）させ、伝送路とショートチップの間に発生する浮遊容量 C ( F ) とショートチップの残留インダクタンス L (H) を直列共振状態とするのがよい。このとき、 0 = 1 / ( 2 π f V~ L ) となるように設定する。

なお、ショートチップと伝送路の間の浮遊容量を利用する方法に代えて、図 1 3の（b ) のようにショートチップを伝送路に接触させて直列共振させることもできる。この場合のショートチップは微小容量のコンデンサを用いればよい。

直列共振状態では、ショートチップ接続部のィンピーダンスは 0 Ω、つまり理想の短絡状態になる。つまり、良好なショートチップが得られない高い周波数においても、良好なショートチップを使用したのと同じ効果が得られる。一実施例 4一

前記実施例では、伝送路として C P Wを用いた例を示したが、図 1 4のようなスロット線路 3 0を用いることもできる。スロット線路 3 0は、信号導体 3 1と接地導体 3 2とが同一平面上に隙間 3 3をあけて設けられたものである。ショートチップぉよび被検体は、信号導体 3 1と接地導体 3 2との間にシャント接続される。本発明にかかる高周波電気特性測定方法は、前記実施例に限定されるものではない。

伝送路は、平面伝送路に限るものではなく、信号導体と接地導体とを有し、単位長さ当たりの電気特性が既知で、ショートチップぉよぴ被検体をシャント接続できるものであれば、任意の構造のものを用いることができる。

上記実施例では、測定器として 3レシーバのネットワークアナライザを用いたが、これは S O L T補正の誤差モデルを利用したからであり、 T R L補正の誤差モデルを利用した場合には 4レシーバのネットワークアナライザが必要である。測定器としては、ネットワークアナライザに限らず、高周波電気特性を測定できるものであれば、使用可肯である。産業上の利用可能性

以上のように、本発明にかかる高周波電気特性測定方法は次のような効果を有する。 ·

1 ) 補正に使用する伝送路と被検体測定に使用する伝送路は同じものであるから、伝送路のバラツキの影響を受けにくい。また、伝送路と測定器との接続も、補正および測定において固定であり、再接続の必要がないので、伝送路の接触不良等による補正失敗等の事故も起こらない。

2 ) 全反射状態を得るためのショートチップの接続が接触不良の場合、測定ポート間に信号が伝わるため、ショートチップの接触不良を直ちに検出できる。したがって、補正作業の失敗を未然に防止できる。

3 ) 2端子電子部品単体の高周波特性を、治具等の誤差の影響を受けずに、高精度に測定可能である。した力 Sつて、本発明は高周波電気特性測定器によりチップィンダクタ、チップコンデンサ、チップ抵抗等の 2端子電子部品のィンピーダンス値ゃ Q値等を精度良く測定するためには非常に有効な方法である。

Claims

請求の範囲

1 . 電子部品の高周波電気特性を測定する方法において、

信号導体と接地導体とを有し、単位長さ当たりの電気特性が既知の伝送路の両端を、測定器の測定ポートにそれぞれ接続するステップと、

前記伝送路の長さ方向の少なくとも 3箇所において、全反射状態にして電気特性を測定するステップと、

前記全反射状態での測定値から、前記伝送路を含む測定系の誤差要因を計算するステップと、

前記伝送路に被測定電子部品をシャント接続して電気特性を測定するステップと、

前記被測定電子部品の根 1J定値から前記測定系の誤差要因を除去し、被測定電子部品の電気特性の真値を求めるステップと、を含むことを特徴とする電子部品の高周波電気特性測定方法。

2 . 前記全反射状態にして電気特性を測定するステップは、前記伝送路の信号導体と接地導体とを短絡状態にして電気特性を測定するステップであることを特徴とする請求項 1に記載の高周波電気特性測定方法。

3 . 前記全反射状態にして電気特性を測定するステップは、電気特性が既知の短絡したショートチップまたは部材をシャント接続して電気特性を測定するステツプであることを特徴とする請求項 1に記載の高周波電気特性測定方法。

4 . 前記電気特性が既知の短絡したショートチップまたは部材をシャント接続して電気特性を測定するステップは、伝達係数を測定し、測定した伝達係数を所定値と比較することで、前記ショートチップまたは部材の接触不良を検出するサブステップを含むことを特徴とする請求項 3に記載の高周波電気特性測定方法。

5 . 前記全反射状態にするため、電気特性が既知のデバイスを前記伝送路に対して接触または近接させ、前記デバィス内の容量または前記デバィスと伝送路の間の容量と前記デバィスの残留ィンダクタンスとで直列共振させることを特徴とする請求項 1に記載の高周波電気特性測定方法。

6 . 前記測定系の誤差要因を計算するために、前記全反射状態での測定値のほかに、前記伝送路をスルー状声 Jとして測定した測定値を用いることを特徴とする請求項 1ないし 5のいずれ力に記載の高周波電気特性測定方法,

7. 前記伝送路を含む測定系の誤差要因を計算するステップは、次式により実行されることを特徴とする請求項 6に記載の高周波電気特性測定方法。

〔数式 3〕

D, - I A2 · r_A3*0_UM3_l A1 · Α3 S_UM3-I A2 * Γ_Α3 *S_11M2+ Γ_Α1 * ι '^>11Μ2

+ I Al * Γ_{Α3 11M1}-i _A1

Sn l

EDF - "( ΓΑΙ♦ Γ_Α3 *S_11M2^eSii 3^_rAi* •SUM2.SUM3— Α2 · ΓΑ3 *S_UM1*S_N 3

⁺

ΓΑ2♦ Α3 ·8ΐΐΜ1·8ιΐΜ2

― ΓΑΙ · Γ_Α3 *S_UM1*S_UM2)/Di

ERF+ESF - _11MT-E_DF · E_SF

E_TF= S_21MT * ( 1"ESF * ELF)

上式において、 Γ_Α1：第 1の測定位置における反射係数、 Γ_{Α2 :}第 2の測定位置における反射係数、 Γ _Α3：第 3の測定位置における反射係数、 S _11Μ1：第 1の測定位置における測定値、 S _11Μ2：第 2の測定位置における測定値、 S _11Μ3：第 3の測定位置における測定値、 S_11MT：スルー状態での反射係数， S _21MT：スルー状態での伝達係数、 E_DF E_RF， E_SF E_LF E_XF：測定系の誤差要因。

8. 前記被測定電子部品の測定値から前記測定系の誤差要因を除去する.

は、次式により実行されることを特徴とする請求項 7に記載の電子部品の高周波電気特性測定方法。

〔数式 7〕

_Q (S2IM~EXF)/E F · { (ESH"EL ) · (S₂₂M"EDR)/E_RR+ 1 }

^¾21A一

D₂

上式において、 S_11A ：被測定電子部品の反射係数、 S_21A：被測定電子部の伝達係数、 E_XR E_XF_ ：リーク信号。

9 . 前記伝送路は、信号導体と接地導体とが同一平面上に形成された伝送路であることを特徴とする請求項 1ないし 8のいずれかに記載の高周波電気特性測定方法。

1 0 . 前記伝送路は、信号導体とこの信号導体を間にしてその両側に接地導体を有するコプレーナウエーブガィドであることを特徴とする請求項 9に記載の高周波電気特性測定方法。

1 1 . 前記伝送路は、信号導体と接地導体とが間隔をあけて設けられたスロット線路であることを特徴とする請求項 9に記載の高周波電気特性測定方法。

1 2 . 前記全反射状態にして電気特性を測定する各位置は、測定周波数における信号の波長の 1 / 8〜 3 Z 8だけ相互に離れていることを特徴とする請求項 1ないし 1 1のいずれかに記載の高周波電気特性測定方法。

1 3 . 電子部品の高周波電気特性を測定する装置において、

信号導体と接地導 #：とを有し、単位長さ当たりの電気特性が既知の伝送路と、前記伝送路の信号尊体の両端にそれぞれ接続された測定ポートと、接地導体に接続された測定ポートとを有し、高周波電気特性を測定可能な測定器と、

前記伝送路の少なくとも 3箇所において、全反射状態を得るための手段と、前記全反射状態で測定される前記測定器の測定値から測定系の誤差要因を計算する手段と、

被測定電子部品を前言己伝送路にシャント接続する手段と、

前記被測定電子部品を前記伝送路にシャント接続して測定される前記測定器の測定値から前記測定系の誤差要因を除去し、被測定電子部品の電気特性の真値を求める手段と、を含むことを特徴とする電子部品の高周波電気特性測定装置。

1 4 . 前記全反射状態を得るための手段は、電気特性が既知の短絡したショートチップまたは部材と、このショートチップまたは部材を伝送路にシャント接続する手段とで構成されることを特徴とする請求項 1 3に記載の高周波電気特性測定装置。

1 5 . 前記ショートチップまたは部材をシャント接続して測定される測定値は、反射係数と伝達係数であり、

前記伝達係数を所定値と比較することで、前記ショートチップまたは部材の接触不良を検出する手段を含むことを特徴とする請求項 1 4に記載の高周波電気特性測定装置。