DE19648949C2 - Sondenkarte zur Messung von äußerst niedrigen Strömen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sondenkarten, wie sie zum Abtasten von Prüflingen, beispielsweise von integrierten Schal­ tungen auf einem Wafer, verwendet werden, und insbesondere Son­ denkarten, die zur Messung äußerst niedriger Ströme geeignet sind. Derartige Sondenkarten sind z. B. aus der DE 43 10 111 A1 oder der US 4.731.577 bekommt.

Typischerweise wird beim Aufbau einer solchen Sondenkarte eine dielek­ trische Platine als Grundelement verwendet. Eine Mehrzahl von Abtastvorrichtungen, im folgenden auch als Abtastmeßgeräte bezeichnet, ist radial um eine Öffnung in der Platine herum angeordnet, so daß die Abtastelemente dieser Vorrichtung, wobei es sich beispielsweise um schmale leitende Nadeln handeln kann, unterhalb der Öffnung in einer musterartigen Anordnung enden, die zum Abtasten der Kontaktstellen des Prüflings geeignet ist. Die Abtastmeßgeräte sind über eine Mehrzahl von Verbindungslei­ tungen einzeln an entsprechende Kanäle eines Testinstruments angeschlossen, wobei der Abschnitt einer jeden Leitung, der zwischen dem entsprechenden Abtastmeßgerät und dem äußeren Rand der dielektrischen Platine verläuft, ein Verbindungskabel oder ein direkt auf der Platine ausgebildetes Leiterzugmuster sein kann. Bei einer herkömmlichen Art von Aufbau, bei dem die Prüf­ linge auf einem Halbleiterwafer ausgebildete integrierte Schal­ tungen sind, wird die Sondenkarte mittels einer Halterung oder eines Tastkopfs über dem Wafer befestigt, und eine Haltevorrich­ tung unter dem Wafer bewegt den Wafer derart, daß jede darauf befindliche Einheit der Reihe nach mit den Nadeln oder Abtastele­ menten der Sondenkarte in Kontakt gebracht wird.

Im besonderen Hinblick auf Sondenkarten, die zur Messung äußerst geringer Ströme (d. h. in einem Wertebereich von Femto-Ampere oder noch kleiner) besonders geeignet sind, waren die Konstruk­ teure von Sondenkarten bislang mit der Aufgabenstellung konfron­ tiert, Techniken zur Eliminierung oder zumindest Verringerung der Auswirkungen von Kriechströmen zu entwickeln. Derartige Kriechströme sind unerwünschte Ströme, die von umgebenden Kabeln oder Kanälen in ein bestimmtes Kabel oder einen bestimmten Kanal fließen können und dabei den in diesem bestimmten Kabel oder Kanal gemessenen Strom verzerren. Bei einer gegebenen Potential­ differenz zwischen zwei beabstandeten Leitern schwankt der Be­ trag des zwischen diesen fließenden Kriechstroms in Abhängigkeit vom Volumenwiderstand des die Leiter trennenden Isoliermateri­ als, d. h. bei Verwendung eines Isolators mit verhältnismäßig geringerem Widerstand ergibt sich ein vergleichsweise höherer Kriechstrom. Daher wird ein Konstrukteur von Sondenkarten für niedrige Ströme im Normalfall die Verwendung von einadrigen Drähten mit Gummiisolierung auf einer Glas-Epoxy-Platine ver­ meiden, da Gummi und Glas-Epoxy-Materialien bekanntlich Isolato­ ren mit relativ geringem Widerstand sind, durch die relativ große Kriechströme fließen können.

Eine Technik zur Unterdrückung von Kriechströmen zwischen Kanä­ len sieht vor, den inneren Kern eines jeden Eingangsdrahts mit einem zylindrischen "Abschirmungs"-Leiter zu umgeben, wobei dieser Leiter durch eine Rückkopplungsschaltung im Ausgangskanal des Testinstruments auf demselben Potential gehalten wird wie der innere Kern. Aufgrund der Tatsache, daß die Spannungspoten­ tiale des äußeren Abschirmungs-Leiters und des inneren leitenden Kerns einander im wesentlichen nachlaufen, fließt ein vernach­ lässigbarer Kriechstrom über das diese Leiter trennende, innere Dielektrikum, unabhängig davon, ob das innere Dielektrikum aus einem Material mit geringem oder mit hohem Widerstand herge­ stellt ist. Obwohl es noch immer zu einem fließen von Kriech­ strom zwischen den Abschirmungs-Leitern der entsprechenden Kabel kommen kann, stellt dies im typischen Fall kein Problem dar, da diese Abschirmungs-Leiter im Gegensatz zu den inneren leitenden Kernen eine geringe Impedanz haben. Durch Verwendung dieser Abschirmungstechnik läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Fähigkeit von gewissen Auslegungen von Sondenkarten zur Messung niedriger Ströme erzielen.

Zur weiteren Verbesserung der Fähigkeit zur Messung niedriger Ströme sind Sondenkarten derart ausgelegt worden, daß sie Kriechströme zwischen den einzelnen Abtastmeßgeräten, die die Abtastnadeln oder andere Elemente halten, minimieren. Bei diesen Vorrichtungen wurden isolierende Materialien mit höherem Widerstand anstelle von Materialien mit geringerem Widerstand verwendet und zusätzliche leitende Oberflächen um jede Vorrichtung herum vorgese­ hen, um als Abschirmung bezüglich dieser Vorrichtung zu fungieren. Bei einer Art von Aufbau ist beispielsweise jedes Abtastmeßgerät unter Verwendung eines dünnen Plättchens aus keramischem Materi­ al hergestellt, d. h. einem Material, das bekanntlich einen rela­ tiv hohen Volumenwiderstand hat. Ein länglicher Leiterzug ist auf einer Seite des Plättchens als Signalleitung vorgesehen, und eine leitende Oberfläche auf der Rückseite ist auf der anderen Seite des Plättchens zum Zwecke der Abschirmung vorgesehen. Das Abtastelement dieser Vorrichtung wird von einer schmalen leitenden Nadel gebildet, beispielsweise aus Wolfram, die einseitig einge­ spannt vom Signalleiterzug weg verläuft. Derartige Vorrichtungen sind im Handel erhältlich, zum Beispiel von der Cerprobe Corporation, Tempe, Arizona, Vereinigte Staaten von Amerika. Während des Zusammenbaus der Sondenkarte werden die Keramikplättchen radial um die Öffnung in der Karte herum am Rand angeordnet, so daß die Nadeln innerhalb der Öffnung in einer musterartigen Anordnung auslaufen, die zum Abtasten des Prüflings geeignet ist. Die leitende Rückseite eines jeden Plättchens ist mit dem Abschir­ mungsleiter des entsprechenden Kabels verbunden ebenso wie mit dem entsprechenden leitenden Flecken oder "Land" in der Nähe der Öffnung in der Sondenkarte. Auf diese Weise ist jeder leitende Pfad durch den Leiter auf der Rückseite auf der gegenüberliegen­ den Seite des Plättchens und durch den leitenden Flecken dar­ unter abgeschirmt.

Es wurde jedoch festgestellt, daß selbst bei Verwendung von abgeschirmten Kabeln und Abtastmeßgeräten aus Keramik der gerade beschriebenen Art und auch bei derartigen Abtastmeßgeräten wie sie in der DE 43 16 111 A1 und der US 4 731 577, die eingangs erwähnt wurden, beschrieben sind, der Pegel unerwünschten Hintergrundstroms immer noch nicht so verringert ist, daß er den Fähigkeiten der letzten Generation von im Handel erhältlichen Testinstrumenten gleichkäme, die in der Lage sind, Ströme bis zu einem Wert von einem Femto-Ampere oder noch weniger zu messen. Somit lag die Schlußfolgerung nahe, daß andere Änderungen an Sondenkartenauslegungen vorgenommen werden mußten, um mit der Technologie der Auslegung von Testinstrumenten Schritt halten zu können.

Die US 5 382 898 beschreibt eine Sondenkarte, bei der das Auftreten von Kriechströmen durch einen genügend großen Abstand zwischen Abtastmeßgeräten und Sondenkarte verhindert werden soll.

In der letzten Generation von Sondenkarten gingen die Bestrebun­ gen dahin, Kriechstromwege mit geringem Widerstand innerhalb der Sondenkarte systematisch zu eliminieren und umfangreiche und ausgefeilte Abschirmungsaufbauten vorzusehen, die die Leiter entlang dem Signalpfad umgeben sollen (vgl. EP 0 574 149 A1). In einer neueren Auslegung wurde beispielsweise die gesamte Hauptplatine aus Glas-Epoxy-Material durch eine Platine aus Keramikmaterial ersetzt, wobei dieses Material, wie bereits voranstehend erwähnt, einen relativ hohen Widerstand gegenüber Kriechströmen hat. In dieser Auslegung wurden die Eingangsdrähte durch Signalleiterzüge ersetzt, die direkt auf der Hauptplatine aufgebracht wurden, wobei diese Leiterzüge von einem äußeren Rand der Hauptplatine zu entsprechenden leitenden Flecken verlaufen, die die Öffnung der Platine umgeben. Jeder Flecken ist wiederum mit dem Signalleiterzug eines korrespondierenden keramischen Plättchens verbunden. Außerdem ist ein Paar Abschirmungs-Leiterzüge auf jeder Seite eines jeden Signalleiterzugs vorgesehen, um jeden Leiterzug weiter gegenüber Kriechströmen zu isolieren.

In einer weiteren dieser neueren Auslegungen wird eine Haupt­ platine aus Keramikmaterial mit drei aktiven Schichten verwen­ det, um eine dreidimensionale Abschirmung zu erhalten. Über die­ ser Hauptplatine und in Verbindung mit dieser befindet sich eine Schnittstellenplatine mit vier Quadranten, die weitere Abschir­ mungsaufbauten enthält. Zwischen diesen zwei Platinenaufbauten befindet sich eine dritte Einheit mit einem "gefederten Karus­ sell ("pogo carousel"). In diesem gefederten Karussell werden gefederte Stifte verwendet, um eine Mehrzahl von Signalleitungen zu bilden, die die Schnittstellenplatine mit der unteren Haupt­ platine verbinden. Es versteht sich, daß bezüglich dieser gefe­ derten Stifte das Ziel des Ersetzens von Isolatoren mit geringe­ rem Widerstand durch solche mit höherem Widerstand seine prakti­ sche Grenze erreicht hat, d. h. der Isolator, der normalerweise den inneren Leiter umgeben würde, wurde vollkommen eliminiert.

Die soeben beschriebenen Auslegungsformen von Sondenkarten stel­ len den aktuellen Stand der Technik dar. Aus den voranstehenden Beispielen ergibt sich, daß ein grundlegender Aspekt im Stand der Technik die Unterdrückung von Kriechströmen zwischen Kanälen ist. Durch Verwendung dieser neueren Auslegungsformen wurde es möglich, Ströme bis fast in den Femto-Ampere-Bereich zu messen. Jedoch ist das in diesen neueren Auslegungen verwendete Keramik­ material relativ teurer als das zuvor verwendete Glas-Epoxy- Material. Ein weiteres Problem bei Keramikmaterialien ist ihre relativ große Neigung zur Absorption von Oberflächenverunreini­ gungen, wie sie beispielsweise während der Handhabung der Son­ denkarte von der Haut auf dieser abgelagert werden. Diese Ver­ unreinigungen können den Oberflächenwiderstand des Keramikmate­ rials in einem solchen Maße verringern, daß sich eine erhebliche Steigerung von Kriechstrompegeln ergibt. Außerdem schlagen die teureren und ausgefeilteren Abschirmungsstrukturen, die in die­ sen neueren Auslegungen verwendet werden, mit einer starken Erhöhung der Auslegungs- und Montagekosten zu Buche. Aus diesen Entwicklungen läßt sich erahnen, daß Verbesserungen der Fähig­ keit der Karten zur Messung niedriger Ströme aller Wahrschein­ lichkeit nach nur allmählich erzielt werden können, wobei der­ artige Verbesserungen beispielsweise auf immer ausgefeiltere Abschirmungssysteme oder auf weitere Forschung im Bereich von Isoliermaterialien mit hohem Widerstand zurückzuführen sein werden.

Es ist ebenfalls zu beachten, daß es auch andere, von der Aus­ legung unabhängige Faktoren gibt, die Einfluß darauf nehmen, ob das Potential einer bestimmten Sondenkarte zur Messung geringer Ströme vollkommen realisiert wird oder nicht. Wenn bei der Mon­ tage der Karte nicht besondere Sorgfalt aufgewandt wird, dann können beispielsweise Oberflächenverunreinigungen, beispiels­ weise Öle und Salze von der Haut oder Lötzinnreste, die Ober­ fläche der Karte verunreinigen und ihre Leistung verschlechtern (aufgrund ihrer ionischen Natur können derartige Verunreinigun­ gen unerwünschte elektrochemische Wirkungen haben). Selbst unter der Annahme, daß die Karte korrekt ausgelegt und montiert wurde, kann es ferner passieren, daß die Karte vielleicht nicht richtig an das Testinstrument angeschlossen ist, oder daß das Testin­ strument vielleicht nicht richtig kalibriert ist, um beispiels­ weise die Wirkungen von Spannungs- und Stromoffsets vollkommen auszuschalten. Außerdem können die Sondenkarte oder die Verbin­ dungsleitungen als Aufnahmestellen für Wechselstromfelder die­ ne, wobei diese Wechselstromfelder von der Eingangsschaltung des Testinstruments gleichgerichtet werden können, so daß Fehler in den angezeigten Gleichstromwerten auftreten. Somit müssen geeignete Abschirmungsvorgänge bezüglich der Sondenkarte, der Verbindungsleitungen und des Testinstruments angewandt werden, um diese Feldstörungen abzuschirmen. Aufgrund dieser Faktoren kann es beim Testen einer neuen Sondenkartenauslegung äußerst schwierig sein, die Ursachen für unerwünschten Hintergrundstrom in der neuen Auslegung zu isolieren, aufgrund der zahlreichen und möglicherweise interagierenden Faktoren, die für eine der­ artige Störung verantwortlich sein können.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sonden­ karte bereitzustellen, die zur Messung äußerst niedriger Strompegel verwendbar ist und gleichzeitig aus relativ billigen Materialien in einem relativ unkomplizierten Montageprozess kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Es wurde nämlich festgestellt, daß das primäre Problem, zumindest in einer bestimmten Stufe der Auslegung, nicht darin besteht, wie man die zwischen den verschiedenen Signalkanälen fließenden Kriechströme unterdrückt, sondern viel­ mehr darin liegt, wie diejenigen Ströme, die als Ergebnis der reibungselektrischen Wirkung intern in jedem Kabel oder Signal­ kanal auftreten, am besten unterdrückt. In einem abgeschirmten Kabel können reibungselektrische Ströme aufgrund von Reibung zwischen dem Abschirmungsleiter und dem inneren Dielektrikum zwischen diesen auftreten, wodurch freie Elektronen den Leiter verlassen und ein Ladungsungleichgewicht entsteht, das zum Flie­ ßen von Strom führt. Hatte man erst einmal erkannt, daß diese reibungselektrische Wirkung vielleicht der kritische Punkt ist, wurde diese Erkenntnis getestet, indem rauscharme Kabel anstelle der bis dahin verwendeten Abschirmungskabel verwendet wurden. Diese rauscharmen Kabel, die aufgrund der vorgeschriebenen Grö­ ßenverhältnisse maßgefertigt werden mußten, wirkten sich in einer erheblichen Änderung der Fähigkeit der Karte zur Messung niedriger Ströme aus. Obwohl diese Kabel in Verbindung mit einer relativ kostengünstigen Glas-Epoxy-Platine verwendet wurden, und obwohl nach herkömmlicher Betrachtungsweise diese Art von Mate­ rial nicht ausreichend hohen Widerstand hat, um Messungen von äußerst niedrigen Strömen zu ermöglichen, war es tatsächlich möglich, Strommessungen bis in den Femto-Ampere-Bereich hinein durchzuführen.

Es versteht sich, daß der Erfinder im vorliegenden Fall keines­ falls für sich beansprucht, eine neue Lösung für das Problem des reibungselektrischen Effekts gefunden zu haben. Eine relativ einfache Lösung dieses Problem findet sich auf dem Gebiet der Kabeltechnologie, wo bekannt ist, wie ein rauscharmes Kabel durch Verwendung einer zusätzlichen Materialschicht zwischen dem äußeren Leiter und dem inneren Dielektrikum herzustellen ist, wobei dieses Material eine geeignete Zusammensetzung zur Unter­ drückung des reibungselektrischen Effekts hat. Diese Schicht enthält insbesondere einen nichtmetallischen Anteil, der physi­ kalisch mit dem inneren Dielektrikum kompatibel ist, so daß ver­ hindert wird, daß sie übermäßig gegen dieses Dielektrikum reibt, und sie enthält andererseits einen ausreichend leitenden Anteil, der sofort jedwedes Ladungsungleichgewicht beseitigt, das von freien Elektronen verursacht wird, die den äußeren Leiter durch Reibung verlassen haben. Es wird nicht vom Erfinder beansprucht, daß diese bestimmte Lösung des durch Reibungselektrizität be­ dingten Problems seine Erfindung ist. Vielmehr ist es die Er­ kenntnis, daß dieses spezifische Problem eine Hauptursache für eine Leistungsverschlechterung auf dem Gebiet der Auslegung von Sondenkarten zur Messung geringer Ströme darstellt, die der Erfinder als seine Erfindung betrachtet.

Zurückblickend läßt sich darüber spekulieren, warum die Bedeu­ tung des reibungselektrischen Effekts nicht früher von Forschern auf dem Gebiet der Auslegung von Sondenkarten entdeckt wurde. Ein möglicher Grund hierfür mag darin liegen, daß die Überprü­ fung der Bedeutung dieses Effekts nicht bloß eine Frage des Ersetzens von Abschirmungskabeln durch rauscharme Kabel ist. Wie bereits im vorhergehenden erwähnt, wurden in der neueren Genera­ tion von Sondenkartenauslegungen Abschirmungskabel größtenteils durch direkt auf der dielektrischen Hauptplatine aufgebrachte Leiterzüge ersetzt. Daher muß, um mit einer Auslegung zu begin­ nen, bei der dieses Problem einer unkomplizierten Lösung zugäng­ lich ist, auf eine ältere und vermutlich weniger effektive Tech­ nologie zurückgegriffen werden. Außerdem würde der Durch­ schnittsfachmann, der eine Sondenkarte mit rauscharmen Kabeln zusammengebaut und anschließend getestet hat, aufgrund der vor­ anstehend erwähnten, von der Auslegung unabhängigen Faktoren nicht unbedingt die Überlegenheit dieser Sondenkarte zur Messung von geringen Strömen erkennen. Beispielsweise könnte sich der Hintergrundpegel von Strom aufgrund von Oberflächenverunreini­ gungen, die sich während der Montage der Sondenkarte auf dieser abgelagert haben, derart erhöhen, daß die Wirkung der rauschar­ men Kabel nicht zu Tage tritt. Hinzu kommt, daß die auf dem Gebiet der Auslegung von Sondenkarten eingeschlagene Richtung, wo die Betonung auf dem Problem der Unterdrückung von Kriech­ strömen zwischen Kanälen liegt, zu Lösungen geführt hat, die zufällig auch im wesentlichen zu einer Lösung des Problems des reibungselektrischen Effekts geführt haben. Diese Lösungen, die ein Ersetzen der Kabel durch Leiterzüge auf Keramikplatinen oder die Verwendung von Signalleitungen, in denen der Signalleiter (wie im Fall von Signalleitungen, die durch gefederte Stifte gebildet wurden) keinen ihn umgebenden Isolator hat, vorsehen, sind im Vergleich zu der relativ unkomplizierten Lösung des Erfinders für das Problem des reibungselektrischen Effekts rela­ tiv kompliziert und teuer. Die indirekte und abschwächende Wir­ kung dieser alternativen Lösungen, die zur Verhüllung des Pro­ blems beitrug, liefert auch eine Erklärung, warum eine direktere Lösung des Problems des reibungselektrischen Effekts selbst von raffinierten Entwicklern von Sondenkarten aus dem Stand der Technik nicht erkannt wurde.

Gemäß vorliegender Erfindung wird also eine Sondenkarte zur Verwendung bei der Messung von äußerst geringen Strömen bereit­ gestellt, wobei diese Sondenkarte folgendes enthält: eine die­ lektrische Platine, eine Mehrzahl von Abtastmeßgeräten, die radial am Rande einer Öffnung in der Platine angebracht sind, und eine Mehrzahl von Kabeln zum Anschluß eines jeden Abtastmeß­ geräts an einen entsprechenden Kanal eines Testinstruments. Diese Kabel haben einen geeigneten Aufbau, der es ermöglicht, daß sie in einem abgeschirmten Modus verwendet werden können, d. h. sie enthalten einen äußeren Leiter, der den inneren Leiter oder Kern des Kabels umgibt, wobei der äußere Leiter als Ab­ schirmungsleiter bezüglich des inneren Leiters verwendet werden kann. Des weiteren enthalten diese Kabel eine innere Material­ schicht zwischen dem äußeren Leiter und dem darunter befindli­ chen inneren Dielektrikum, wobei diese Schicht eine geeignete Zusammensetzung hat, um die Erzeugung von reibungselektrischen Strom zwischen dem inneren Dielektrikum und dem äußeren Leiter auf weniger als das Maß zu verringern, das auftreten würde, wenn das innere Dielektrikum und der äußere Leiter direkt beieinan­ derlägen.

Mit dem voranstehend beschriebenen Aufbau wird eine Sondenkarte bereitgestellt, in der eine wesentliche Quelle von Hintergrund­ strom auf relativ einfache Art und Weise unterdrückt wird, wo­ durch das Erfordernis von komplizierten und teuren Aufbauten zur Unterdrückung anderer, weniger bedeutender Quellen, um die Fä­ higkeit zur Messung äußerst geringer Ströme zu erzielen, ent­ fällt.

Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.

Im folgenden wird im Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht von oben auf eine Sondenkarte zur Messung geringer Ströme, wobei ein Teil einer auf der Karte vorgesehenen leitenden Abdeckung entfernt wurde, um darunter befindliche Elemente sichtbar zu machen;

Fig. 2 ein Seitenansicht der Sondenkarte zur Messung geringer Ströme aus Fig. 1;

Fig. 3 eine aufgebrochene Ansicht im Aufriß der Sondenkarte zur Messung geringer Ströme aus Fig. 1 in dem Bereich, der die Öff­ nung in der Karte umgibt, wobei in dieser Darstellung die Ab­ deckung weggelassen wurde, um die darunter befindlichen Elemente sichtbar zu machen;

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang den Linien 4-4 aus Fig. 3;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Eingangsabschnitts eines bestimmten Kabels, entlang der Schnittlinie 5-5 aus Fig. 1;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht des auf der Platine befindlichen Teiles eines bestimmten Kabels, entlang der Schnittlinie 6-6 aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Sondenkarte 20 zur Messung geringer Ströme. Wie auch in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, enthält diese Karte eine Mehr­ zahl von Abtastelementen 22. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform bestehen diese Abtastelemente aus Wolframnadeln, die in allgemein radialer Anordnung verlaufen, so daß ihre Spit­ zen in einem Muster auslaufen, das zur Abtastung der Kontakt­ stellen auf einem (nicht dargestellten) Prüfling geeignet ist Handelt es sich beispielsweise bei der zu prüfenden Einheit um eine individuelle Schaltung auf einem Halbleiterwafer mit qua­ dratischer Anordnung der Kontaktstellen, würden die Nadeln ent­ sprechend in einem quadrat-ähnlichem Muster auslaufen. Weiter auf der Sondenkarte vorgesehen ist eine Mehrzahl von Kabeln 24. Bei Verwendung der Sondenkarte wird jedes dieser Kabel mit einem separaten Kanal eines (nicht dargestellten) Testinstruments verbunden, um auf diese Weise eine elektrische Verbindung zwi­ schen jedem Kanal und einem entsprechenden der Abtastelemente herzustellen. Es versteht sich hierbei, daß, obgleich nur sechs Kabel und Abtastelemente in den Zeichnungen dargestellt sind, diese kleine Anzahl lediglich zur Vereinfachung der Darstellung gewählt wurde. Tatsächlich enthält die in den Zeichnungen dar­ gestellte Sondenkarte jedoch vierundzwanzig Kabel und Abtast­ elemente, obwohl auch eine größere Anzahl als diese vorgesehen werden kann, wie nachstehend ausgeführt ist.

Die Sondenkarte 20 enthält eine dielektrische Platine 26, die in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform aus FR4 Glas-Epoxy-Material hergestellt ist. Diese Platine dient allgemein als Grundelement für die Sondenkarte, auf dem die anderen Kartenkomponenten angeordnet sind. Wie in Fig. 1 ge­ zeigt, enthält jedes Kabel einen Eingangsabschnitt 28 und einen auf der Platine verlaufenden Abschnitt 30, wobei diese jeweili­ gen Abschnitte mittels eines Steckverbinders 32 lösbar mitein­ ander verbunden sind, was ein separates Testen der Eingangsab­ schnitte der Kabel erleichtert. Wie weiterhin nachstehend be­ schrieben ist, enthalten diese Kabel koaxial zueinander angeord­ nete leitende und dielektrische Schichten sowie ferner zumindest eine Materialschicht innerhalb eines jeden Kabels, die zur Un­ terdrückung des reibungselektrischen Effekts ausgelegt ist, um jedwede unerwünschten Ströme zu minimieren, die ansonsten auf­ grund dieses Effekts intern in jedem Kabel entstehen würden. Diese Materialschicht ermöglicht zusammen mit bestimmten ande­ ren, auf der Sondenkarte vorgesehenen Aufbauten eine Verwendung der Karte zur Messung äußerst geringer Ströme von einem Wert bis zu einem Femto-Ampere oder darunter. Im Vergleich zu einer Aus­ legung, bei der Leiterzüge auf einer Keramikplatine verwendet werden, ist die vorliegende Auslegung nicht nur kostengünstiger in der Herstellung, sondern auch weniger empfindlich gegenüber Oberflächenverunreinigungen und kann beispielsweise in Testumge­ bungen mit niedrigen Temperaturen, in denen sich Feuchtigkeit auf der Hauptplatine niederschlagen kann, weiterhin zufriedens­ tellend betrieben werden.

Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, ist der auf der Platine be­ findliche Teil 30 eines jeden Kabels elektrisch mit einem Ende eines Abtastmeßgeräts 34 verbunden, während das andere Ende dieses Geräts das Abtastelement oder die Abtastnadel 22 enthält. Bei der beispielhaft dargestellten Sondenkarte 20 enthält jedes Abtastmeßgerät ein dielektrisches Substrat 36, welches vorzugs­ weise aus Keramik oder einem vergleichbaren Isoliermaterial mit hohem Widerstand besteht. Dieses Keramiksubstrat oder "Plätt­ chen" hat ein Paar breite parallele Seiten, die durch einen dünnen Rand miteinander verbunden sind. Auf einer Seite eines jeden Plättchens ist ein länglicher Leiterzug 38 ausgebildet, während die andere Seite eine leitende Oberfläche 40 auf der Rückseite aufweist. Ein (nicht dargestellter) unterer Leiter ist entlang einem unteren Abschnitt eines jeden Rands ausgebildet, wobei dieser Leiter mit dem entsprechenden länglichen Leiterzug 38 elektrisch verbunden ist. Jedes Abtastelement oder jede Ab­ tastnadel 22 ist wiederum elektrisch an einen entsprechenden dieser Leiter angeschlossen, so daß das Element oder die Nadel einseitig befestigt über das entsprechende Substrat 36 hinaus verläuft, wie in Fig. 4 gezeigt. In der bestimmten dargestellten Ausführungsform hat das Substrat oder Plättchen 36 ein allgemein L-förmiges Profil und ist auf der dielektrischen Platine 26 am Rand befestigt, so daß der kurze Arm eines jeden L-förmigen Plättchens durch eine Öffnung 42 in der Platine verläuft, wo­ durch ermöglicht wird, daß die Nadeln unterhalb der Öffnung enden. Wie voranstehend erwähnt, sind Plättchen mit dem gerade beschriebenen Typ von Aufbau im Handel erhältlich von der Fa. Cerprobe Corporation, Tempe, Arizona, Vereinigte Staaten von Amerika.

Wie in Fig. 3 gezeigt, sind auf der dielektrischen Platine 26 um die Öffnung 42 herum mehrere innere leitende Bereiche 44 aus­ gebildet, die im Umfang voneinander beabstandet angeordnet sind.

Ebenfalls auf der Platine ausgebildet ist ein äußerer leitender Bereich 46, der die inneren leitenden Bereiche in Abstand zu diesen umgibt. Dieser äußere leitende Bereich verläuft nach außen zu den vier Ränder der Platine. Wie in den Fig. 3-4 zu sehen ist, bildet eine Lötverbindung 48 die elektrische Verbin­ dung zwischen der leitenden Oberfläche 40 der Rückseite eines jeden Keramikplättchens 36 und einem entsprechenden der inneren leitenden Bereiche 44, so daß die Keramikplättchen in radialer Anordnung um die Öffnung 42 herum am Rand befestigt sind. Die Keramikplättchen sind dann zum Anschluß an die auf der Platine befindlichen Abschnitte 30 der Kabel bereit, wie nun beschrieben werden wird.

Fig. 6 zeigt eine querverlaufende Schnittansicht durch den auf der Platine befindlichen Abschnitt 30 eines der Kabel 24, wobei der Schnitt entlang den Linien 6-6 aus Fig. 1 verläuft. Dieser Abschnitt, der koaxial aufgebaut ist, enthält einen inneren Leiter oder Kern 50, ein inneres Dielektrikum 52, eine innere Schicht 54, einen äußeren Leiter 56 und eine isolierende Umhül­ lung 58. Die Zusammensetzung der inneren Schicht 54 ist geeig­ net, die Erzeugung von reibungselektrischem Strom zwischen dem inneren Dielektrikum und dem äußeren Leiter auf weniger als das Maß zu verringern, das erzeugt würde, wenn das innere Dielek­ trikum und der äußere Leiter direkt beieinander lägen. Wie vor­ anstehend ausgeführt, sollte diese innere Schicht 54 physikali­ sche Eigenschaften ähnlich denjenigen des inneren Dielektrikums 52 haben, damit sie trotz Kabelbiegung oder Temperaturverände­ rungen nicht übermäßig gegen das innere Dielektrikum reibt. Gleichzeitig sollte diese innere Schicht ausreichend leitende Eigenschaften haben, um jegliche Ladungsungleichgewichte, die aufgrund irgendwelcher freier Elektronen auftreten können, wel­ che den äußeren Leiter durch Reibung verlassen haben, zu besei­ tigen. Ein geeignetes Material für diesen Zweck ist ein Fluor­ polymer wie beispielsweise TEFLON^TM oder ein anderes isolierendes Material wie Polyvinylchlorid oder Polyethylen in Verbindung mit Graphit oder einem anderen ausreichend leitfähigen Zusatz.

Auf dem Gebiet der Hochfrequenz- (HF-) Kabeltechnologie werden Kabel mit einer Schicht des soeben beschriebenen Typs allgemein als "rauscharme" Kabel bezeichnet. Bezugsquellen für diese Art von Kabel sind die Firmen Belden Wire and Cable Company, Rich­ mond, Indiana, U.S.A. und Suhner HF-Kabel, Herisau, Schweiz. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform stammte das ver­ wendete Kabel von der Fa. Times Microwave Systems, Wallingford, Connecticut, U.S.A.. Zur Bereitstellung der gewünschten 24-Ka­ nal-Kapazität wurden diese Kabel auf Maß bestellt, so daß ihr Durchmesser nicht über demjenigen eines Kabels der Norm RG178 lag.

Es ist zu beachten, daß bei der Verbindung des auf der Platine befindlichen Abschnitts 30 eines jeden Kabels mit dem entspre­ chenden Abtastmeßgerät 34 sorgfältig vorgegangen werden muß, um Beschädigungen zu vermeiden, die die Fähigkeit der Sondenkarte zur Messung von geringen Strömen erheblich beeinträchtigen wür­ den.

Wie in den Fig. 3-4 gezeigt ist, verbindet eine Lötverbindung 60 den inneren Leiter 50 eines jeden Kabels mit dem hinteren Ende des länglichen Leiterzugs 38 des entsprechenden Abtastmeß­ geräts 34. Vor der Herstellung dieser Verbindung sollte das Kabel derart positioniert werden, daß die den inneren Kern 50 umgebenden leitenden und dielektrischen Schichten im Kabel um einen gewissen Abstand 62 vom hinteren Rand des Abtastmeßgeräts 34 zurückversetzt sind. Hierdurch verringert sich die Möglich­ keit, daß eine dünne Haarsträhne oder eine andere Verunreinigung eine niederohmige oder leitende Brücke bildet, was zu einem niederohmigen Nebenschluß oder Kurzschluß der Signalleitung führen würde. Bei der Herstellung dieser Verbindung ist es eben­ falls wichtig, das Kabel nicht zu überhitzen, um nicht die strukturellen Eigenschaften des Materials, das das innere Die­ lektrikum 52 bildet, zu beeinträchtigen, wobei dieses Material zur maximalen Temperaturstabilität beispielsweise "luftgestreck­ tes" TEFLON^TM umfassen kann. Schließlich sollten nach der Her­ stellung der Verbindung jegliche verbleibenden Lötflußmittel­ reste von der Platine entfernt werden, um unerwünschte elektro­ chemische Effekte zu verhindern und den Oberflächenwiderstand der Glas-Epoxy-Platine 26 auf einem brauchbaren Niveau zu hal­ ten.

Um die Möglichkeit unerwünschter Nebenschlußverbindungen weiter zu verringern, ist der äußere Leiter oder die Metallumflechtung 56 des Kabels über den entsprechenden inneren leitenden Bereich 44 indirekt mit der leitenden Oberfläche 40 der Rückseite ver­ bunden, d. h. eine Lötverbindung 64 verbindet die Metallumflech­ tung elektrisch mit dem inneren leitenden Bereich, und eine zweite Lötverbindung 48 verbindet den inneren leitenden Bereich elektrisch mit der leitenden Oberfläche 40 der Rückseite. Wie­ derum muß darauf geachtet werden, daß das Kabel nicht überhitzt wird oder daß keine Lötflußmittelreste auf der Schaltungsplatine zurückbleiben. Während der Verwendung der Sondenkarte wird die Signaländerung oder Spannung über den inneren Leiter 50, den länglichen Leiterzug 38 und das Abtastelement 22 die Karte ent­ lang übertragen. Vorzugsweise sind die Testgeräte derart ange­ schlossen, daß eine Rückkoppelschaltung im Ausgangskanal der Testgeräte eine "Abschirmungs"-Spannung liefert, die der momen­ tanen Signalspannung entspricht, wobei diese Abschirmungsspan­ nung an den äußeren Leiter 56 und den entsprechenden inneren leitenden Bereich 44 angeschlossen wird. Auf diese Weise ist dann jeder längliche Leiterzug durch die leitende Oberfläche 40 der Rückseite auf der gegenüberliegenden Seite des Plättchens 36 und durch den entsprechenden inneren leitenden Bereich 44, der unter dem Leiterzug angeordnet ist, abgeschirmt. Durch eine Minimierung der Kriechströme in jeden bzw. aus jedem länglichen Leiterzug verringert dieses Abschirmungssystem die Pegel uner­ wünschter Hintergrundströme und verbessert somit die bezüglich der Kabel aufgrund der Unterdrückung des reibungselektrischen Effekts erhaltene Wirkung.

Eine weitere mögliche Quelle von Stromstörungen kann sich anhand von Wechselstromfeldern in der externen Umgebung um die Sonden­ karte herum ergeben. Eine herkömmliche Lösung dieses Problems besteht darin, Testinstrument, Verbindungskabel und Sondenkarte allesamt in einen "Drahtkäfig" zu setzen, um diese Komponenten gegen Wechselstrom-Einstreuungen abzuschirmen.

Bei der Sondenkarte 20 wird das Problem von Wech­ selstrom-Einstreuungen direkter angegangen. In Fig. 5 ist eine querverlaufende Schnittansicht des Eingangsabschnittes 28 eines bestimmten der Kabel 24 dargestellt, wobei der Schnitt entlang den Linien 5-5 aus Fig. 1 verläuft. Ähnlich dem auf der Platine befindlichen Abschnitt 30 des in Fig. 6 gezeigten Kabels enthält der Eingangsabschnitt einen inneren Leiter oder Kern 50a, ein inneres Dielektrikum 52a, eine innere Schicht 54a, einen äußeren Leiter 56a und eine isolierende Umhüllung 58a. Der Eingangsab­ schnitt des Kabels enthält jedoch ferner ein zweites inneres Dielektrikum 66 und einen zweiten äußeren Leiter 68. In der Tat ist der Eingangsabschnitt des Kabels ein Triaxialkabel des "rau­ scharmen" Typs, bei dem der zweite äußere Leiter derart ange­ schlossen werden kann, daß er als Abschirmungsleiter zur Selbst­ abschirmung der Eingangsabschnitte der Kabel dient.

Der zweite äußere oder Abschirmungsleiter 68 ist über einen Steckverbinder 32 elektrisch mit dem äußeren leitenden Bereich 46 der dielektrischen Platine 26 verbunden, wobei dieser Ver­ binder eine metallisierte äußere Oberfläche hat, die zur Her­ stellung einer solchen Verbindung geeignet ist. Der äußere lei­ tende Bereich 46 ist wiederum mit einer leitenden Abdeckung 70 elektrisch verbunden. Wenn der zweite äußere Leiter vom Test­ instrument auf das Abschirmungspotential eingestellt ist, wobei dieses Potential typischerweise auf Masse liegt, dann sind nicht nur die Eingangsabschnitte der Kabel, sondern auch die auf der Platine befindlichen Sondenkartenkomponenten im wesentlichen gegen Wechselstromfelder abgeschirmt. Insbesondere bilden der äußere leitende Bereich 46 und die leitende Abdeckung 70 ein in sich selbst abgeschlossenes und kompaktes Abschirmungsgehäuse, das die auf der dielektrischen Platine angeordneten Sondenkar­ tenkomponenten im wesentlichen umgibt und abschirmt. Im Oberteil der leitenden Abdeckung ist eine Schauöffnung 72 ausgebildet, in die das Schaurohr eines Mikrokops eingesetzt werden kann, um das Betrachten der Abtastelemente oder -nadeln 22 bei ihrer Positio­ nierung auf den Kontaktstellen des Prüflings zu erleichtern.

In einer alternativen Ausführungsart der Sondenkarte können eine größere Anzahl von Kanälen gehandhabt werden, indem die Sondenkarte derart modifiziert wird, daß die eine größere Anzahl von Kabeln aufnehmen kann, indem ein Kabelverbinder ver­ wendet wird, bei dem die Kabel entlang von zwei Gliedern anstel­ le von nur einem befestigt sind.

Claims (9)

1. Sondenkarte (20) zur Messung von geringer Ströme mittels Abtasten eines Prüflings, mit:

• a) einer dielektrischen Platine (26), in der eine Öffnung (42) ausgebildet ist;
• b) einer Mehrzahl von Abtastvorrichtungen (34) zum Abtasten einer entsprechenden Anzahl von Kontaktstellen des Prüflings, wobei jede Abtastvorrichtung (34) folgendes aufweist: ein dielektrisches Substrat (36) mit einer ersten und einer zweiten Seite, mit einem länglichen Leiterzug (38) auf der ersten Seite und mit einem längliches Abtastelement oder einer längliche Abtastnadel (22), das bzw. die mit einem Ende des länglichen Leiterzugs (38) verbunden ist, so daß es einseitig befestigt über das Substrat (36) hinaus verläuft, wobei die Abtastvorrichtungen (34) auf der Platine (26) in radialer Anordnung um die Öffnung (42) herum befestigt sind, so daß die Abtastelemente bzw. die Abtastnadeln (22) unter der Öffnung (42) enden und dort ein Muster bilden, das zum Abtasten der Kontaktstellen geeignet ist; und
• c) einer Mehrzahl von Kabeln (24) zum Verbinden einer jeden Abtastvorrichtung (34) mit einem entsprechenden Signalkanal eines Testinstruments, wobei jedes Kabel (24) einen inneren Leiter (50), ein inneres Dielektri­ kum (52) und einen äußeren Leiter (56) aufweist, wobei jeder innere Leiter (50) elektrisch mit dem Leiterzug (38) verbunden ist und wobei jedes Kabel (24) durch eine innere Materialschicht (54) zwischen dem inneren Dielektrikum (52) und dem äußeren Leiter (56) rauscharm ist.

2. Sondenkarte nach Anspruch 1, bei der jede Abtastvorrichtung (34) eine leitende Oberfläche (40) auf der zweiten Seite aufweist, der jeweilige äußere Leiter (56) elektrisch mit der leitenden Oberfläche (40) verbunden ist, und die Abtastvorrichtungen (34) derart angeordnet sind, daß sich in einer Abfolge die leitenden Oberflächen (40) mit den Leiterzügen (38) abwechseln.

3. Sondenkarte nach Anspruch 2, bei der die dielektrische Platine (26) eine Mehrzahl innerer leitender Bereiche (44) aufweist, die voneinander beabstandet die Öffnung (42) radial umgeben, und jede leitende Oberfläche (40) elektrisch mit einem der inneren leitenden Bereiche (44) verbunden ist.

4. Sondenkarte nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine leitende Abdeckung (70), die über der dielektrischen Plati­ ne (26) angeordnet ist.

5. Sondenkarte nach Anspruch 4, bei der die dielektrische Platine (26) einen äußeren leitenden Bereich (46) aufweist, der die Mehrzahl von inneren leitenden Bereichen (44) im Abstand zu diesen umgibt, und die Abdeckung (70) einen unteren Rand hat, entlang dem die Abdeckung (70) elektrisch mit dem äußeren leitenden Bereich (46) verbunden ist.

6. Sondenkarte nach Anspruch 4, bei der jedes Kabel (24) einen Eingangsabschnitt (28) aufweist, der zu der Platine (26) führt und der Eingangsabschnitt (28) einen abschirmenden Leiter (68) enthält, der den äußeren Leiter (56a) in radialem Abstand umgibt, wobei der abschirmende Leiter (68) elektrisch mit der Abdeckung (70) verbunden ist.

7. Sondenkarte nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Kabelverbinder, durch den die Kabel (24) direkt in die abschirmende Abdeckung (70) hinein verlaufen, wobei der Kabelver­ binder einen elektrischen Verbindungspfad bildet, der die abschirmenden Leiter (68) und die Abdeckung (70) miteinander verbindet.

8. Sondenkarte nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Pla­ tine (26) eine Mehrzahl innerer leitender Bereiche (44) enthält, die radial zueinander und beabstandet voneinander die Öffnung (42) umgeben und jede Abtastvorrichtung (34) derart befestigt ist, daß jeder längliche Leiterzug (38) über einem der inneren leitenden Bereiche (44) positioniert ist sowie jeder äußere Leiter (56) direkt mit einem der inneren leitenden Bereiche (44) verbunden ist.

9. Sondenkarte nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platine (26) aus Glas-Epoxy-Material besteht.