JP2018146455A

JP2018146455A - Ｒｆデバイスの不具合解析法および等価回路

Info

Publication number: JP2018146455A
Application number: JP2017043323A
Authority: JP
Inventors: 亮坂巻; Ryo Sakamaki
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2018-09-20

Abstract

【課題】VNA（ベクトルネットワークアナライザー）を用いたタイムドメイン解析はそれらの装置の不具合場所を見つける強力なツールの一つであるが、どのような種類の不具合がどこで起こったのかを知るのは難しく、不具合解析を行なうために、時には評価用治具やデバイスを分解する必要があり詳細を見つけるのに膨大な時間かかる。【解決手段】本発明は、実際のVNA構成を等価回路でモデル化し、１ポート評価システムまたは２ポート評価システムにおいて測定されるSパラメータの周波数ドメインのSパラメータのスペクトルを評価して実際のVNA構成の具体的不具合を解析する手法を開発した。【選択図】図２

Description

本発明はRFデバイスの不具合を解析するための解析法および等価回路に関する。

ミリ波はマイクロ波と比して利用可能な周波数帯域が多く残存している事と大容量データ転送が可能であるため、WiGigに代表される各種デバイスに幅広く利用が検討されている（非特許文献１）。しかしそのようなデバイスの開発は製造再現性や評価再現性に問題があり、多くの労力を費やす事を余儀なくされる事が多々ある。

高周波プローブ評価に関しては、測定結果がスケート量（プローブの押付圧）の違いにより容易に変化することが知られている（特許文献１）。再現性の高い結果を得るには適切な評価用冶具を開発するのが好ましいが、接触安定性、取り扱いの容易さ、耐久性、コストなど要求があり、評価治具の開発そのものも難しい。

特に接触安定性は評価用冶具の開発に最も重要な開発要素と考えられる。評価用冶具に不安定な接触があると測定結果に対して特定の周波数における反射やオフセット、ノイズといった影響が与えられる。作製とパッケージング処理に繊細な取り扱いが求められる高周波デバイスの開発にも同じような現象がみられる。

VNA（ベクトルネットワークアナライザー）を用いたタイムドメイン解析はそれらの装置の不具合場所を見つける強力なツールの一つであるが、それでも、どのような種類の不具合がどこで起こったのかを知るのは難しい。

不具合解析を行なうために、時には評価用治具やデバイスを分解する必要があり詳細を見つけるのに膨大な時間かかる。しかしそうしても欠陥箇所を見つけるのは難しい。例えば接触不良であれば、分解したときにその問題が解消されてしまうからである。

特願２０１６−０００７２８明細書

TDR-TDT法による基板内蔵キャパシタの静電容量評価（https://www.jstage.jst.go.jp/article/ejisso/22a/0/22a_0_101/_pdf） Network Analyzer Error Models and Calibration Methods（http://www2.electron.frba.utn.edu.ar/~jcecconi/Bibliografia/04%20-%20Param_S_y_VNA/Network_Analyzer_Error_Models_and_Calibration_Methods.pdf）

従って本発明は試験器を破壊せず、分解せずにその欠陥の種類と場所を知る新しい検査手法を提供することを課題とする。

本発明は１ポート評価システムまたは２ポート評価システムにおいて測定されたSパラメータの周波数ドメインのS-パラメータのスペクトルを評価するだけで欠陥を見つけ得る手法を提供する。
なお、本出願で示されるVNAの校正によって得られるエラータームであるe11とe22の算出手法については、非特許文献２に記載の算出手法と同じとする。

（１）
VNAとその１個のポートとそれに接続された周波数拡張器とそれに繋がるケーブルとそのケーブルに接続された接触部とその接触部がその表面に接触して高周波を発射してその反射波S₁₁を測定する試料とで構成される１ポート評価システムを表す等価回路であって、周波数拡張器を表すリアクタンス回路Rと、前記接触部とケーブルを表す結合容量Cprobe,cableと、前記接触部が接触する試料の表面を表すインダクタLshortの両端に接触抵抗Rcontと寄生容量Ccontの並列回路を直列に接続した表面回路Sと、１端が接地された交流電源の他端に接続されたVNAの高周波出力C₁とで構成され、周波数拡張器Rと結合容量Cprobe,cableと表面回路SとVNAの高周波出力C₁とが順に並列に結合されており、表面回路Sの接触抵抗Rcontの変化により計算される当該等価回路のインピーダンスの共振ピーク周波数が測定され、該１ポート評価システムで測定したS₁₁パラメータのピーク周波数が略等しい時の当該接触抵抗Rcontの値を該１ポート評価システムの接触抵抗推定値とする等価回路による解析を特徴とする１ポート評価システム。
（２）
前記接触部は高周波プローブであることを特徴とする（１）に記載の１ポート評価システム。
（３）
前記試料はSHORT基準器であることを特徴とする（２）に記載の１ポート評価システム。

（４）
VNAとその２個のポートとそれらに接続された周波数拡張器とそれに繋がるケーブルとそのケーブルに接続された接続部とその接続部がその表面に接触して高周波を発射してその反射波S₁₁、S₂₂を測定する１の試料とで構成される２ポート評価システムを表す等価回路であって、周波数拡張器を表すリアクタンス回路R₁、R₂と、１組の前記接続部とケーブルを表す結合容量Cprobe,cable₁、Cprobe,cable₂と、１組の前記接続部が接触する試料の表面を表す、接触抵抗Rcont₁と寄生容量Ccont₁の並列回路と接触抵抗Rcont₂と寄生容量Ccont_２の並列回路T_２の間に抵抗RcpwとインダクタLcpwからなる直列回路を接続しかつその直列回路の両端に容量Ccpwを並列接続しその他端を接地した表面回路Sと、１端が接地された交流電源の他端に接続されたVNAの高周波出力C₁₁、および、抵抗R_Lと接続されたVNAの高周波出力C₁₂とで構成され、周波数拡張器R₁と結合容量Cprobe,cable₁、周波数拡張器R_２と結合容量Cprobe,cable_２とは並列に接続されて一端は並列回路T₁とT_２の開放端にそれぞれ接続され、かつ、VNAの高周波出力C₁₁とVNAの高周波出力C₁₂とに並列に接続され、表面回路Sの接触抵抗Rcont₁とRcont₂との変化により計算される当該等価回路のインピーダンスの共振ピーク周波数が測定され、該２ポート評価システムで測定したS₁₁、S₂₂パラメータのピーク周波数が略等しい時の当該接触抵抗Rcont₁とRcont₂との値を該２ポート評価システムの１組の前記接続部の接触抵抗推定値とする等価回路による解析を特徴とする２ポート評価システム。
（５）
前記接続部は高周波プローブであることを特徴とする（４）に記載の２ポート評価システム。
（６）
前記試料はTHRU基準器であることを特徴とする（５）に記載の２ポート評価システム。
（７）
前記接続部は1mm同軸コネクタであることを特徴とする（４）に記載の２ポート評価システム。
（８）
前記試料は1mm同軸アダプタであることを特徴とする（７）に記載の２ポート評価システム。

（９）
前記１ポート評価システムにおける前記接触部の高周波プローブの接触抵抗値を推定する前記等価回路による解析方法であって、
（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の前記１ポート評価システムを表す前記等価回路の発振をシミュレートして得られる前記接触抵抗値を前記接触部の接触抵抗値と推定する前記等価回路による解析方法。

（１０）
前記２ポート評価システムにおける前記１組の接続部の接触抵抗値を推定する前記等価回路による解析方法であって、
（４）乃至（８）のいずれか１項に記載の前記２ポート評価システムを表す前記等価回路の発振をシミュレートして得られる前記接触抵抗値を前記１組の前記接続部の接触抵抗値と推定する前記等価回路による解析方法。

（１１）
前記１ポート評価システムにおける前記接触部の前記接触抵抗推定値を推定するシミュレーションのための前記等価回路による解析プログラムであって、（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の前記１ポート評価システムを表す等価回路の発振をシミュレートして得られる前記当該接触抵抗Rcontの値を前記接触部の前記接触抵抗推定値と推定するプログラム。

（１２）
前記２ポート評価システムにおける前記１組の接続部の前記接触抵抗推定値を推定するシミュレーションのための前記等価回路による解析プログラムであって、（４）乃至（８）のいずれか１項に記載の前記２ポート評価システムを表す等価回路の発振をシミュレートして得られる前記当該接触抵抗Rcont₁とRcont₂との値を前記１組の接続部の接触抵抗推定値と推定するシミュレーションのための前記等価回路による解析プログラム。

（１３）
（３）に記載の１ポート評価システムであって、前記S₁₁パラメータのピーク周波数が略70GHz付近に観察された時は、前記SHORT基準器の接触不良であると判断することを特徴とする１ポート評価システム。

（１４）
（６）に記載の２ポート評価システムであって、前記S₁₂パラメータのピーク周波数が略40GHz付近に観察された時は、前記THRU基準器の接触不良であると判断することを特徴とする２ポート評価システム。
（１５）
（８）に記載の２ポート評価システムであって、前記S₁₂パラメータのピーク周波数が略100GHz付近に観察された時は、前記1mm同軸アダプタの片方の端が接続不良であると判断することを特徴とする２ポート評価システム。

本手法は非破壊（分解せず）に実施できるため、不具合解析のコストを削減できる。
本手法は、SHORT、THRU基準器及び1mm同軸アダプタで説明したが、他の基準器、構成にも適宜拡張適用が可能である。

SHORT基準器校正における接触が良・不良時のスケート量におけるエラータームe₁₁を表す図である。１ポート評価システムの等価回路を表す図である。図２の等価回路で計算した接触が良・不良時のインピーダンス・スペクトラムを表す図である。 THRU基準器校正における接触が良・不良時のスケート量におけるエラータームe₂₂を表す図である。２ポート評価システムの等価回路を表す図である。図５の等価回路で計算した接触が良・不良時のインピーダンス・スペクトラムを表す図である。透過アダプタの異なる接続状態における伝送効率を表す図である。 (ａ) SHORT、(ｂ) THRU、(ｃ) LOAD各基準器の形態を表す図である。平面回路評価装置（高周波特性検査装置の例）の画像である。 (ａ)１ポート評価システムと、(ｂ)２ポート評価システム、(ｃ)2ポート評価システム（1mm同軸アダプタ評価時）の構成図である。

図９は、本発明に使用する高周波特性検査装置8（サンプルの校正基準としてCascade社製ISS:101-109、可動ステージ2にCascade社のSummit12000、プローブ1に同社のGSG-Infinity-150pitch（登録商標）、VNA3としてKeysight社のE8361Aを使用した）（制御装置として使用したパーソナルコンピュータは含まない）を撮影した写真画像であり、図１０(ａ)は１ポート評価システム、(ｂ)は２ポート評価システム、及び(ｃ)は1mm同軸アダプタ評価時の2ポート評価システムの構成図である。

Sパラメータを評価するため1mmの周波数拡張器18を備えたVNA3を使用した。

評価した周波数は10MHzから110GHzであり、測定点はリニアスイープで201点だった。IF帯幅は100Hzだった。

プローブステージ2の位置は移動精度1μmで制御した。

LOAD, SHORT, およびTHRU基準器のSパラメータはスケート量を所定の量に変化させ校正値を適用しないで修正した。プローブ1の接地時のスケート量はゼロとした。

誤差項は12-term SOLT校正アルゴリスムで計算した。

図１０(ａ)に１ポート評価システムの構成を示す。

最初にスケート量7μm（接触状態・不良）と25μm（接触状態・良）のSHORT基準器の原データ、およびスケート量25μmのTHRU、LOADの基準器の原データ、及びOPENの原データを使用してSHORT基準器におけるプローブのスケーティングの影響を試験した。評価システムの僅かな変化を避けるためにすべての計算に同じ原データを用いた。

得られた結果を説明するために等価回路解析を実行した。

図１はSHORT基準器におけるスケーティングの影響を表す。

図１では、70GHzにおけてエラータームe₁₁のピークが見られる。
スケート量が7μmの時は、SHORT基準器の校正でスケーティングが不適切だったためにe₁₁のピークが生じたと考えられる。

図２はSHORT基準器の１ポート評価時の等価回路を表す。等価回路で使用する電気素子パラメータを次の表に表す。

C1とL1は1mmの周波数拡張器のバイアスTを形成し、VNAの出力端子に接続される。2から5の下付き文字のリアクタンス素子はその他の測定系の構成要素を構成する。

ケーブルとプローブはキャパシタでモデル化し、プローブの表面に接触するSHORT基準器はLshortの両端にRcontとCcontの並列回路を直列に接続した回路でモデル化した。

プローブの接触が良・不良のシミュレーションはRcontをそれぞれ1Ωと10mΩに設定して行った。

図３に見られるように、接触が良の時は70GHz付近にピークが見られ、これは等価回路を構成するLC共振回路が生成したものと考えられる。

共振点付近では接触状態の違いによってインピーダンスが急激に変化しやすいため、接触状態の違いがエラータームの値に影響を及ぼしやすい。

従って観測された図１におけるe₁₁ピークの発生原因は１ポート評価システムの共振とみてよい。
すなわち、SOLT校正を行なった後に評価対象（DUT）を測定したとき、70GHz付近でピーク成分が観測された場合は、SHORT基準器を校正する際の接触不良が原因であると判断できる。

図１０(ｂ)に２ポート評価システムの構成を示す。
最初にスケート量7μm（接触状態・不良）と25μm（接触状態・良）のTHRU基準器の原データ、およびスケート量25μmのSHORT、LOADの基準器の原データ、及びOPENの原データを使用してTHRU基準器におけるプローブのスケーティングの影響を試験した。評価システムの僅かな変化を避けるためにすべての計算に同じ原データを用いた。
得られた結果を説明するために等価回路解析を実行した。THRU基準器はSHORT基準器と同様に２ポート評価に適切な等価回路モデルを用いて評価した。

図４はTHRU基準器におけるスケーティングの影響を表す。エラータームe₂₂において、ピークが40GHz付近に見られる。

図５はTHRU基準器の２ポート評価の等価回路を示し、図６は計算したインピーダンスの周波数依存性を表す。図６において実線はRcontが1Ω、点線は10mΩで計算した曲線である。

計算したインピーダンスは30GHz付近にピークがある。CcpwとLcpwの定義により図４と図６のピークの周波数には若干の差があるが、２つのピークは相互に関連付けてよい。実際例１と同様に、エラータームe22のピークはLC共振によって発生したものだと考えられる。

そのため、SOLT校正を行なった後に評価対象（DUT）を測定したとき、40GHz付近でピーク成分が観測された場合は、THRU基準器を校正する際の接触不良が原因であると判断できる。

基準器だけでなく、実用的なデバイスである1mm同軸アダプタについても同様に検証を行なった。
図１０(ｃ)に２ポート評価システム（1mm同軸アダプタおよび1mm同軸コネクタ）の構成を示す。

図７は異なる接続条件で測定されたS₂₁を表す。実線はアダプタを正常に接続した時、破線はポート2側のみを切り離した時に得られる曲線である。ポート2を切り離した時に100GHzにピークが見られた。中の小図はインピーダンスの計算結果を表す。

計算には図５で示す等価回路が使用された。ポート2側の切断を模擬するため、各ポートのRcontはそれぞれ10 mΩと1MΩに設定された。

実験で観測されたS₂₁のピーク周波数がシミュレーション結果にも同様に見られる。そのため、SOLT校正を行なった後に評価対象（DUT）を測定したとき、100GHz付近でピーク成分が観測された場合は、アダプタの片側のポートにおける接続不良が原因だと判定できる。

よってこの対応関係から確立した等価回路は、実施例１と２に示した基準器だけではなく、各種デバイスにも応用できると考えられる。

１、１ａ、１ｂプローブ（高周波プローブ）
２可動ステージ（サンプルステージ、プローブステージ、プローブステーション）
３ＶＮＡ（計測装置）
４周波数拡張ユニット
５抵抗体
６ステージコントローラ
７制御装置
８平面回路評価装置（高周波特性検査装置）
９ＴＨＲＵ基準器
１０ＬＯＡＤ基準器
１１ＳＨＯＲＴ基準器
１２シグナル領域（信号領域）
１３グランド領域
１４、１４ａ、１４ｂシグナル端子（Ｓ）
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄグランド端子（Ｇ）
１６測定対象（ＤＵＴ）
１７同軸ケーブル
１８周波数拡張器

Claims

VNAとその１個のポートとそれに接続された周波数拡張器とそれに繋がるケーブルとそのケーブルに接続された接触部とその接触部がその表面に接触して高周波を発射してその反射波S₁₁を測定する試料とで構成される１ポート評価システムを表す等価回路であって、周波数拡張器を表すリアクタンス回路Rと、前記接触部とケーブルを表す結合容量Cprobe,cableと、前記接触部が接触する試料の表面を表すインダクタLshortの両端に接触抵抗Rcontと寄生容量Ccontの並列回路を直列に接続した表面回路Sと、１端が接地された交流電源の他端に接続されたVNAの高周波出力C₁とで構成され、周波数拡張器Rと結合容量Cprobe,cableと表面回路SとVNAの高周波出力C₁とが順に並列に結合されており、表面回路Sの接触抵抗Rcontの変化により計算される当該等価回路のインピーダンスの共振ピーク周波数が測定され、該１ポート評価システムで測定したS₁₁パラメータのピーク周波数が略等しい時の当該接触抵抗Rcontの値を該１ポート評価システムの接触抵抗推定値とする等価回路による解析を特徴とする１ポート評価システム。
前記接触部は高周波プローブであることを特徴とする請求項１に記載の１ポート評価システム。
前記試料はSHORT基準器であることを特徴とする請求項２に記載の１ポート評価システム。
VNAとその２個のポートとそれらに接続された周波数拡張器とそれに繋がるケーブルとそのケーブルに接続された接続部とその接続部がその表面に接触して高周波を発射してその反射波S₁₁、S₂₂を測定する１の試料とで構成される２ポート評価システムを表す等価回路であって、周波数拡張器を表すリアクタンス回路R₁、R₂と、１組の前記接続部とケーブルを表す結合容量Cprobe,cable₁、Cprobe,cable₂と、１組の前記接続部が接触する試料の表面を表す、接触抵抗Rcont₁と寄生容量Ccont₁の並列回路と接触抵抗Rcont₂と寄生容量Ccont_２の並列回路T_２の間に抵抗RcpwとインダクタLcpwからなる直列回路を接続しかつその直列回路の両端に容量Ccpwを並列接続しその他端を接地した表面回路Sと、１端が接地された交流電源の他端に接続されたVNAの高周波出力C₁₁、および、抵抗R_Lと接続されたVNAの高周波出力C₁₂とで構成され、周波数拡張器R₁と結合容量Cprobe,cable₁、周波数拡張器R_２と結合容量Cprobe,cable_２とは並列に接続されて一端は並列回路T₁とT_２の開放端にそれぞれ接続され、かつ、VNAの高周波出力C₁₁とVNAの高周波出力C₁₂とに並列に接続され、表面回路Sの接触抵抗Rcont₁とRcont₂との変化により計算される当該等価回路のインピーダンスの共振ピーク周波数が測定され、該２ポート評価システムで測定したS₁₁、S₂₂パラメータのピーク周波数が略等しい時の当該接触抵抗Rcont₁とRcont₂との値を該２ポート評価システムの１組の前記接続部の接触抵抗推定値とする等価回路による解析を特徴とする２ポート評価システム。
前記接続部は高周波プローブであることを特徴とする請求項４に記載の２ポート評価システム。
前記試料はTHRU基準器であることを特徴とする請求項５に記載の２ポート評価システム。
前記接続部は1mm同軸コネクタであることを特徴とする請求項４に記載の２ポート評価システム。
前記試料は1mm同軸アダプタであることを特徴とする請求項７に記載の２ポート評価システム。
前記１ポート評価システムにおける前記接触部の高周波プローブの接触抵抗値を推定する前記等価回路による解析方法であって、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の前記１ポート評価システムを表す前記等価回路の発振をシミュレートして得られる前記接触抵抗値を前記接触部の接触抵抗値と推定する前記等価回路による解析方法。
前記２ポート評価システムにおける前記１組の接続部の接触抵抗値を推定する前記等価回路による解析方法であって、
請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の前記２ポート評価システムを表す前記等価回路の発振をシミュレートして得られる前記接触抵抗値を前記１組の前記接続部の接触抵抗値と推定する前記等価回路による解析方法。
前記１ポート評価システムにおける前記接触部の前記接触抵抗推定値を推定するシミュレーションのための前記等価回路による解析プログラムであって、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の前記１ポート評価システムを表す等価回路の発振をシミュレートして得られる前記当該接触抵抗Rcontの値を前記接触部の前記接触抵抗推定値と推定するプログラム。
前記２ポート評価システムにおける前記１組の接続部の前記接触抵抗推定値を推定するシミュレーションのための前記等価回路による解析プログラムであって、請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の前記２ポート評価システムを表す等価回路の発振をシミュレートして得られる前記当該接触抵抗Rcont₁とRcont₂との値を前記１組の接続部の接触抵抗推定値と推定するシミュレーションのための前記等価回路による解析プログラム。
請求項３に記載の１ポート評価システムであって、前記S₁₁パラメータのピーク周波数が略70GHz付近に観察された時は、前記SHORT基準器の接触不良であると判断することを特徴とする１ポート評価システム。
請求項６に記載の２ポート評価システムであって、前記S₁₂パラメータのピーク周波数が略40GHz付近に観察された時は、前記THRU基準器の接触不良であると判断することを特徴とする２ポート評価システム。
請求項８に記載の２ポート評価システムであって、前記S₁₂パラメータのピーク周波数が略100GHz付近に観察された時は、前記1mm同軸アダプタの片方の端が接続不良であると判断することを特徴とする２ポート評価システム。