DE4323928A1 - Druckkontakt zum Verbinden einer koaxialen Abschirmung mit einer Mikrostreifenleitermasseebene - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf elektronische Hochfrequenz­ verbinder und im besonderen auf Verbinder zum Anpassen eines Koaxialkabels an eine Hochfrequenzmikrostreifenleitung oder an andere nicht-koaxiale Übertragungsleitungen.

Viele elektronische Testanwendungen erfordern eine Befesti­ gungsvorrichtung, die zum Schaffen mehrerer gleichzeitiger Verbindungen für Ansteuersignale an ein Testling und zur Verbindung der Antwortsignale an Testgeräte tauglich ist. Beispiele schließen das Testen integrierter Schaltungen auf einem Wafer, das hybride Testen, das Testen von aus mehreren Chips bestehenden Modulen und das Testen von gedruckten Lei­ terplatten ein. Im besonderen benötigt eine Sondenbefesti­ gungsvorrichtung an einem Wafer eine Schnittstellenschaltung nahe zu den Sonden und vielleicht hunderte von Signalverbin­ dungen, alles auf einem sehr begrenzten Raum. Nachdem Schal­ tungen immer schneller und komplexer werden, wird die Mög­ lichkeit, solche Schaltungen bei deren Betriebsgeschwindig­ keit zu testen, immer schwieriger.

Herkömmliche Nadelsonden­ befestigungsvorrichtungen an einem Wafer können typischer­ weise nicht bei Frequenzen größer als 100 MHz verwendet werden. Sonden, die für Mikrowellenfrequenzen (bis zu 50 GHz) entworfen sind, sind typischerweise nur für Bauelemente mit geringer Kontaktstellenanzahl geeignet. Es besteht ein Bedarf an Sondenbefestigungsvorrichtungen, die hunderte von Sonden mit einer gleichzeitigen Mischung von niedrigen Fre­ quenzsignalen und hohen Frequenzsignalen mit Bandbreiten bis zu einigen GHz schaffen.

Für höhere Frequenzen (<100 MHz) kann der Testling oder die Befestigungsvorrichtung Übertragungsleitungen enthalten, um die Signalverzerrung und die Dämpfung zu minimieren. Eine weit verbreitete nicht-koaxiale Übertragungsleitung für kurze Entfernungen innerhalb von Schaltungsmodulen ist eine Mikrostreifenleitung. Dies ist ein Streifenleiter und eine sich parallel erstreckende leitende Oberfläche, die durch ein dielektrisches Substrat getrennt sind. Alternativ schließen nicht-koaxiale Übertragungsleitungen Konfigura­ tionen ein, bei denen ein Streifenleiter koplanar mit sich parallel erstreckenden leitenden Oberflächen (abgetrennt durch Luft) ist und Konfigurationen, bei denen ein Streifen­ leiter innerhalb eines dielektrischen Substrates vergraben ist, mit sich parallel ausbreitenden leitenden Oberflächen über und unter dem Streifenleiter (Stripline).

Zur Übertragung über längere Entfernungen kann ein Koaxial­ kabel verwendet werden. Verbindungen zwischen einem Koaxial­ kabel und einem Mikrostreifen werden typischerweise durch Drahtbonden eines Koaxialverbinders auf Kontaktstellen auf einem Substrat oder durch Anlöten eines Koaxialverbinders an eine Kante des Substrats hergestellt. Drahtgebondete oder gelötete Verbinder lassen sich nicht leicht entfernen und das Entfernen kann zerstörend wirken. Aufgrund der Platzbe­ schränkungen können kanten-montierte Verbinder die Anzahl der Hochfrequenzverbindungen, die hergestellt werden können, begrenzen. Zusätzlich können kanten-montierte Verbinder un­ erwünscht lange Signalwege erfordern. Es besteht ein Bedarf an vorübergehenden Verbindungen oder leicht entfernbaren Verbindungen für Hochfrequenzsignale, die kein Drahtbonden oder Anlöten auf einen Mikrostreifen erfordern. Zusätzlich gibt es einen Bedarf für Hochfrequenzsignalverbindungen mit dem Inneren eines Substrates und nicht nur mit der Kante. Im besonderen besteht beim Testen von integrierten Schaltungen auf einem Wafer ein Bedarf an Befestigungsvorrichtungen zum Testen, die zahlreiche, vorübergehende Verbindungen für nie­ derfrequente Signale schaffen und gleichzeitig zahlreiche, vorübergehende Verbindungen zwischen externen Koaxialkabeln und Mikrostreifen schaffen, die innerhalb der Befestigungs­ vorrichtung zum Testen liegen.

Ein Übergang von einer Streifenleitung auf eine Koaxiallei­ tung erzeugt eine unvermeidbare Diskontinuität der Übertra­ gungsleitungsimpedanz, die eine Signalverzerrung aufgrund von Reflexionen verursacht. Es besteht ein Bedarf an einer vorübergehenden oder leicht entfernbaren Verbindung, die eine Verbindungsgeometrie hat, die die Reflexionen mini­ miert im besonderen besteht ein Bedarf eines kurzen Weges zwischen der Mikrostreifenleitermasseebene und der Abschir­ mung des Koaxialkabels.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vor­ übergehenden oder leicht entfernbaren Massekontakt für eine Verbindung zwischen einem Koaxialverbinder und einem Mikro­ streifen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Verbinden einer Koaxialkabelabschirmung mit einem Masseleiter auf einem dielektrischen Substrat gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung schafft einen kurzen Masseweg von der Kabelab­ schirmung auf die Mikrostreifenmasse, der Übertragungslei­ tungsimpedanzdiskontinuitäten minimiert. Nicht-koaxiale Über­ tragungsleitungen, wie z. B. Mikrostreifen, werden angepaßt, um koplanare Kontakte sowohl für das Signal als auch für die Masse zu schaffen. Der Kontakt zwischen dem koplanaren Mikrostreifenmassekontakt und der Koaxialkabelabschirmung wird durch einen flachen Federstreifen hergestellt, der mit dem Zylinder eines koaxialen Adapterverbinders verbunden ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach­ folgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Befestigungs­ vorrichtung zum Testen gemäß der vorliegenden Er­ findung;

Fig. 2 einen Querschnitt eines Abschnitts der Befesti­ gungsvorrichtung zum Testen aus Fig. 1;

Fig. 3 einen genauen Querschnitt eines unter Federdruck stehenden Mittelleiters für einen koaxialen Adap­ ter, der in Fig. 2 dargestellt ist;

Fig. 4 einen Querschnitt des koaxialen Adapters, der in Fig. 2 dargestellt ist, einschl. des unter Feder­ druck stehenden Mittelleiters, der in Fig. 3 darge­ stellt ist;

Fig. 5 einen Querschnitt eines Abschnitts der Befesti­ gungsvorrichtung zum Testen, der eine alternative Massevorrichtung für den koaxialen Adapter, der in Fig. 2 dargestellt ist, darstellt;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Massefeder, die in Fig. 5 dargestellt ist;

Fig. 7 eine Draufsichtdarstellung eines Substrats, die die Leiterspuren zur Anwendung mit dem koaxialen Adap­ ter aus Fig. 2 und der Massefeder aus Fig. 6 dar­ stellt;

Fig. 8A, 8B und 8C alternative Konfigurationen der Masse­ feder; und

Fig. 9A und 9B alternative nicht-koaxiale Übertragungslei­ tungskonfigurationen.

Fig. 1 stellt eine Sondenbefestigungsvorrichtung zum Testen von integrierten Schaltungen auf einem Wafer dar, um ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darzustellen. Die Befestigungsvorrichtung zum Testen hat ein Dickfilm­ keramiksubstrat 100 mit Miniatursonden 102 zum Sondieren von Bond-Kontaktstellen auf einer integrierten Schaltung auf einem Wafer (nicht dargestellt). Das Keramiksubstrat 100 kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Maximum von 144 Sonden unterstützen. Zusätzlich werden speziell an­ gefertigte Dickfilmschaltungselemente (nicht dargestellt), wie z. B. getrimmte Widerstände und Bypass-Kapazitäten, nahe dem Testling bereitgestellt. Eine gedruckte Leiterplatte 106 hat einen Bandkabelverbinder 108 zur Leistungsversorgung und für niederfrequente Ansteuer- und Antwort-Signale. Ein Elas­ tomerzwischenstreifen 110 verbindet Leiterspuren auf der Unterseite der gedruckten Leiterplatte 106 mit Leiterspuren auf der Oberseite des Keramiksubstrats 100. Der Elastomer­ zwischenstreifen 110 ist zwischen dem Keramiksubstrat 100 und der gedruckten Leiterschaltung 106 durch eine Ausstei­ fungsschiene 112 (eine von 4), durch eine Klemme 114 (eine von 4), durch eine Schraube 116 (eine von 20) und durch eine kleine Gewindeeinsetzbuchse 118 (eine von 20) eingeklemmt.

Der Elastomerzwischenstreifen 110 ist ein im Handel erhält­ liches Material, das eine elektrische Leitung in einer Rich­ tung senkrecht zu der Ebene des Streifens, aber nicht längs der Ebene des Streifens schafft. Z. B. kann der Streifen aus Siliziumgummi mit kurzen, eingebetteten Drähten in vertika­ ler Richtung aufgebaut sein. Ein geeignetes Material ist ein Zwischenverbinder vom Typ GD, käuflich erhältlich von Shin- Etsu Polymer America, Inc., 34135 7th Street, Union City, CA 94587.

Fig. 1 stellt ebenfalls eine größere Gewindeeinsetzbuchse 120 (eine von 28) dar, die den Gewindekörper des koaxialen Adapters (in Fig. 1 nicht dargestellt) aufnehmen kann. Ko­ axiale Adapter werden für Hochfrequenzsignale benutzt, die mit dem Mikrostreifen auf dem Keramiksubstrat 100 in Kontakt treten sollen.

Bei der Befestigungsvorrichtung zum Testen, die in Fig. 1 dargestellt ist, entspricht das Keramiksubstrat 100 genau einer bestimmten integrierten Schaltung mit einer bestimmten Mischung von Nieder- und Hochfrequenzsignalen und einem be­ stimmten Muster von Bondkontaktstellen. Die gedruckte Lei­ terplatte 106 ist entworfen, um an alle integrierten Schal­ tungen anpassungsfähig zu sein, sie kann aber auch für spe­ zielle Anforderungen angefertigt werden.

Fig. 2 stellt einen Querschnitt eines Abschnittes der Be­ festigungsvorrichtung aus Fig. 1 dar. Wie in Fig. 1 ver­ bindet ein Elastomerzwischenstreifen auch in Fig. 2 Leiter­ spuren auf der Unterseite der gedruckten Leiterplatte 106 mit Leiterspuren auf der Oberseite des Keramiksubstrats 100. Der Elastomerzwischenstreifen 110 ist zwischen das Keramik­ substrat 100 und die gedruckte Leiterplatte 106 durch eine Aussteifungsschiene 112 (eine von 4), durch eine Klemme 114 (eine von 4), durch eine Schraube 116 (eine von 20) und durch eine kleine Gewindeeinsetzbuchse 118 (einer von 20) geklemmt. Eine größere Gewindeeinsetzbuchse 120 (eine von 28) nimmt den Gewindekörper des Koaxialadapters 200 (eine von 28) auf. Der Adapter hat einen unter Federdruck steh­ enden Mittelleiteranschlußstift 202, der mit einer Hochfre­ quenzmikrostreifensignalleiterspur auf der oberen Oberfläche des Keramiksubstrats 100 in Kontakt tritt. Ein Koaxialkabel­ verbinder 204, der an ein Koaxialkabel 206 angebracht ist, ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Bei einer bestimmten Anwendung der Befestigungsvorrichtung zum Testen eines Wafers ist der Koaxialkabelverbinder 204 ein männlicher Ver­ binder der Sub-Miniaturserie A (SMA).

Fig. 3 stellt einen Querschnitt des unter Federdruck steh­ enden Mittelleiteranschlußstiftes 202 dar, der in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Metallkörper 300 trägt den Mittelan­ schlußstift 202, der mit einer leitenden Kugel 302, einer Feder 304 und einer Stellschraube 306 in Kontakt ist. Ein Schlitz 308 durch ein Ende des Körpers 300 schafft einen flexiblen (ausbreitungsfähigen) Kontakt für den Mittelan­ schlußstift eines passenden Koaxialverbinders, wie z. B. des Verbinders 204 in Fig. 2.

Fig. 4 stellt den zusammengesetzten koaxialen Adapter dar. Der Mittelanschlußstiftkörper ist in einen Teflon-Isolier­ schlauch 402 gepreßt und die zusammengesetzte Verbindung von Mittelanschlußstift und Isolierschlauch ist in den Körper 400 des Adapters gepreßt.

Zurückkehrend zu Fig. 2 hat das Koaxialkabel 206 eine Ab­ schirmung 208, die mit einem Gewindegehäuse auf dem ko­ axialen Verbinder 204 verbunden ist, der seinerseits auf den Adapter 200 geschraubt ist und schließlich mit einer Masse­ leiterfläche 212 auf dem Keramiksubstrat 100 elektrischen Kontakt herstellt. Bei der Konfiguration, wie in Fig. 2 dar­ gestellt, verläuft der Masseweg für den Körper des Adapters 200 durch die große Gewindeeinsetzbuchse 120, durch eine Masseebene 210 auf der PC-Platte, auf die kleine Gewindeein­ setzbuchse 118, zu der leitenden (Beryllium-Kupfer) Klemme 114, zu einer leitenden Rückseitenebene 212 auf der Unter­ seite des Keramiksubstrats 100. Dieser Schaltungsmasseweg begrenzt den niederen Verzerrungsfrequenzbereich der Ver­ bindung aufgrund der Diskontinuitäten der Übertragungslei­ tungsimpedanz bis etwa 3,2 GHz.

Fig. 5 stellt eine Vorrichtung zum Schaffen eines verbesser­ ten Massepfades dar. In Fig. 5 wird eine Massekontaktstelle 500 (eine von 28) auf der oberen Oberfläche des Keramiksub­ strats 100 durch ein metallisiertes Durchgangsloch 502 (eins von 56 oder mehr), das mit einer rückseitigen Masseebene 212 verbunden ist, bereitgestellt. Eine Massefeder 504 (eine von 28) ist zwischen der unteren Oberfläche der gedruckten Lei­ terplatte 106 und einer Gewindemutter 508 eingeklemmt. Die Massefeder 504 verbindet den Zylinder des Adapters 200 mit der Massekontaktstelle 500. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist die Massefeder nicht auf eine Masseebene auf der gedruckten Leiterplatte 106 oder auf Leiterspuren auf der gedruckten Leiterplatte 106 angewiesen. Folglich ist mit Massefedern eine Leiterplatte für koaxiale Verbindungen nicht notwendig. Eine Platte zur mechanischen Unterstützung ist die einzige Voraussetzung.

Das Keramiksubstrat 100 mit metallisierten Durchgangslöchern 502, wie in Fig. 5 dargestellt, setzt voraus, daß Übertra­ gungsleitungen auf dem Keramiksubstrat eine Masseebene auf der unteren Seite des Keramiksubstrats haben. Die Löcher können metallisiert sein oder sie können gänzlich mit einem guten elektrischen Leiter (z. B. Gold mit Glasfüllstoff) ge­ füllt sein. In alternativen Ausführungsbeispielen kann ein Wellenleiter einen Signalstreifen mit koplanaren Massestrei­ fen (siehe Fig. 8C) haben. Bei einer koplanaren Wellenlei­ terkonfiguration werden die metallisierten Durchgangslöcher nicht benötigt.

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung der Massefeder 504, die in Fig. 5 dargestellt ist. Die Massefeder 504 kann aus jeglichem leitenden Material mit ausreichender Elasti­ zität sein, um einen Druckkontakt zu ermöglichen. Für An­ wendungen, wie in Fig. 1 gezeigt, ist Beryllium-Kupfer ge­ eignet.

Fig. 7 ist eine Draufsichtdarstellung eines Substrats, die die Leiterspuren zur Verwendung mit der Massevorrichtung aus Fig. 5 darstellen. Es ist eine Kontaktfläche 700 für den unter Federdruck stehenden Mittelleiter des koaxialen Adap­ ters vorhanden. Es ist zusätzlich eine größere Kontaktfläche 702 für die Massefeder vorhanden. Es sind mehrere metal­ lisierte Durchgangslöcher 502 nahe der Massefederkontakt­ fläche 702 für einen niedrigen Impedanzweg zu einer rück­ seitigen Ebene auf der Rückseite des Keramiksubstrats vor­ handen.

Fig. 8 stellt eine Massefeder mit einem einzelnen nach außen gehenden Streifen dar. Fig. 8A stellt eine alternative Form dar. Die Feder 800 in Fig. 8A hat einen Kontaktstreifen 802, der sich derart unter den Körper des koaxialen Adapters rollt, daß der Massekontakt in direkter Linie mit der Ab­ schirmung ist. Zusätzlich können mehrere Streifen verwendet werden, wie durch die Massefeder 804 in Fig. 8B dargestellt ist. Mehrere Streifen sind für einen koplanaren Wellenlei­ ter, wie in Fig. 8C dargestellt, besonders geeignet. In Fig. 8C ist ein Signalstreifen 806 durch eine koplanare Masse­ fläche 808 umgeben. Eine drei-streifige Massefeder 810 kon­ taktiert die Massefläche 808 an drei Orten.

Fig. 9A und 9B stellen eine Anwendung der vorliegenden Er­ findung mit alternativen Konfigurationen für nicht-koaxiale Übertragungsleitungen dar. Fig. 9A zeigt ein Substrat, bei dem die Oberseite (Verbindungsseite) primär eine Masseebene 900 mit einer Signalleiterspur 902 auf der Unterseite ist. Bei dieser Konfiguration ist die Signalleiterspur 902 durch das Substrat durch ein metallisiertes Durchgangsloch 904 mit einer leitenden Kontaktstelle 906 zur Kontaktgabe mit dem Mittelleiter des Adapterverbinders (siehe Fig. 2, Bezugszei­ chen 202) verbunden. Fig. 9B zeigt ein mehrschichtiges Keramiksubstrat, bei dem beide Seiten primär Masseebenen 908 sind und bei dem eine Signalleiterspur 910 innerhalb der Keramik vergraben ist. Wie in Fig. 9A, so ist auch in Fig. 9B die Signalleiterspur 910 durch das Substrat durch ein metallisiertes Durchgangsloch 912 mit einer leitenden Kon­ taktstelle 914 zur Kontaktgabe mit dem Mittelleiter des Adapterverbinders (siehe Fig. 2, Bezugszeichen 202) verbun­ den. Bei den Konfigurationen, wie in Fig. 9A und 9B darge­ stellt, kann die Massefederkonfiguration mehrere Streifen haben, wie Feder 810 in Fig. 8C.

Claims (7)

1. Eine Vorrichtung zum Verbinden einer Koaxialkabelab­ schirmung (208) mit einem Masseleiter (212) auf einem dielektrischen Substrat (100), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine Adaptereinrichtung (200) zum mechanischen Anbringen eines Koaxialkabels (206) an eine Platte (106), die eine erste Plattenseite und eine zweite Plattenseite hat,
wobei die Adaptereinrichtung (200) einen Adaptermittel­ leiter (202), der von einem leitenden Adapterzylinder (400) elektrisch isoliert ist, umfaßt,
wobei der Adapterzylinder (400) durch ein Loch in der Platte (106) reicht,
wobei der Adapterzylinder (400) elektrisch mit der Ko­ axialkabelabschirmung (208) verbunden ist und
wobei das Koaxialkabel (206) mechanisch an die Adapter­ einrichtung (200) auf der ersten Plattenseite angebracht ist;
eine leitende Massefeder (500; 800; 804; 810) mit einem ebenen Abschnitt mit einem Massefederloch und einem oder mehreren Federstreifen, die in einem Winkel relativ zu dem ebenen Abschnitt gebogen sind, wobei der Adapterzy­ linder (400) durch das Massefederloch reicht;
eine mechanische Befestigungseinrichtung (508) zum An­ bringen der Massefeder (500; 800; 804; 810) an den Adapterzylinder (400) und an die zweite Plattenseite,
wobei die mechanische Befestigungseinrichtung (508) an dem Adapterzylinder (400) angebracht ist und die Masse­ feder (504; 800; 804; 810) zwischen die mechanische Be­ festigungseinrichtung (508) und die zweite Plattenseite preßt, so daß die Massefederstreifen unter Federdruck gegen den Masseleiter (500) auf dem dielektrischen Sub­ strat (100) stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das dielektrische Substrat (100) eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche hat und der Masseleiter (500) auf der oberen Oberfläche angebracht ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung ferner einen Mikrostreifen mit folgenden Merkmalen aufweist:
einem Streifensignalleiter, der auf der oberen Ober­ fläche angebracht ist;
einer leitenden Masserückseite (212), die auf die untere Oberfläche angebracht ist; und
einer Mehrzahl von metallisierten Löchern (502) durch das dielektrische Substrat (100), wobei jedes metal­ lisierte Loch (502) die Masserückseite mit dem Masse­ leiter elektrisch verbindet.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Federstreifen (bei 504; bei 804; bei 810) von dem Massefederloch wegstehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federstreifen (802) auf das Massefederloch zuge­ rollt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das dielektrische Substrat (100) eine obere Oberfläche hat und der Masse­ leiter (500) an der oberen Oberfläche angebracht ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung ferner einen Wellenleiter mit folgendem Merkmal aufweist:
einem Streifensignalleiter, der an die obere Oberfläche angebracht ist und koplanar mit dem Masseleiter (212) ist,
wobei der Masseleiter (212) durch einen im wesentlichen gleichen Abstand von dem Streifensignalleiter getrennt ist und sich folglich eine im wesentlich gleiche Übertragungsleitungsimpedanz zwischen dem Streifensig­ nalleiter und dem Masseleiter (212) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federstreifen (bei 504; bei 804; bei 810) von dem Massefederloch wegstehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federstreifen (802) in Richtung des Massefeder­ lochs eingerollt sind.