KR20080087101A

KR20080087101A - 스캐터링 파라미터들을 측정함으로써 특성 라인파라미터들을 결정하기 위한 측정 장치

Info

Publication number: KR20080087101A
Application number: KR1020087015496A
Authority: KR
Inventors: 토마스 루드빅; 헬뮤트 셰틀러; 토마스 마이클 빈켈
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2008-09-30
Also published as: JP2009520960A; EP1963872A1; CN101341413A; WO2007071519A1

Abstract

본 발명은 증가된 측정 대역폭, 즉 4GHz 보다 큰 측정 대역폭을 달성하는, 전기적 신호 라인(14)의 주파수의 함수로서 S-파라미터들을 측정함으로써 특성 라인 파라미터들을 결정하는 측정 장치에 관한 것이다. 이를 달성하기 위해, 테스트 하의 전기적 신호 라인은 교대 방식으로 한쪽 측면 상에서 그라운드에 접속하고 반대쪽 측면 상에서 오픈되어 있는 수개의 인접 신호 라인들(12)을 가진다.

Description

스캐터링 파라미터들을 측정함으로써 특성 라인 파라미터들을 결정하기 위한 측정 장치{MEASUREMENT ARRANGEMENT FOR DETERMINING THE CHARACTERISTIC LINE PARAMETERS BY MEASURING SCATTERING PARAMETERS}

본 발명은 본원 청구항 1의 특징에 따라 전기 신호 라인의 주파수의 함수로서 스캐터링 파라미터(S-파라미터)들을 측정함으로써 특성 라인 파라미터들을 결정하기 위한 측정 장치에 관한 것이다.

모든 패키징 레벨 상의 하드웨어 상관 측정들에 대한 모델은 오늘날 고성능 컴퓨터의 개발 프로세스에 있어서 필수적이다. 시간 및 주파수 영역에서의 상이한 측정 기술들은 상이한 측정 셋업(set-up) 및 테스트 사이트(test site) 설계를 요구한다. 테스트 사이트에 대한 한가지 요구는 제품(product)에 상응하여야 한다는 것이다. 따라서, 칩 상의 전송 라인은 칩 상의 모든 금속 층들에 분포된 그라운드 배선과 전원(power)과 같은 제품에서 측정되는 것이 필요하다. 또한, 단일 전송 라인뿐만 아니라 배선 채널 이용과 같은 제품을 측정하는 것도 관심사항이다. 이는 칩 상의 실신호(real signal) 커플링 특성(coupling behavior) 및 상부 금속층들과 반도전성(semi conducting) 기판 사이의 금속층들의 차폐 효과(shielding effect)를 영상화(image)하기 위해 필수적이다.

공지의 측정 기술은 이른바 S-파라미터 측정이다. 이에 대해 진케/브룬스빅, "고주파수 기술의 텍스트북", 슈피링어 출판사, 1989(Zinke/Brunswig, "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik", Springer-Verlag, 1989)를 참조할 수 있다. S-파라미터들은 n-포트 네트워크의 반사 및 전송 계수들이다. 단일 전송 라인에 대한 등가물은, 예컨대 2x2 S-파라미터 행렬에 의해 특징화되는 2 포트 네트워크이다.

2 포트 네트워크는 다음과 같은 관계에 의해 설명된다.

여기서, S₁₁, S₂₂, S₁₂ 및 S₂₁은 S-파라미터이고,

S₁₁ = 출력 포트가 정합된 부하에 의해 종단된 입력 반사 계수,

S₂₂ = 입력 포트가 정합된 부하에 의해 종단된 출력 반사 계수,

S₁₂ = 입력 포트가 정합된 부하에 의해 종단된 역전송(reverse transmission)(삽입) 이득,

S₂₁ = 출력 포트가 정합된 부하에 의해 종단된 순전송(forward transmission)(삽입) 이득, 그리고

변수 a₁, a₂ 및 b₁, b₂는 2 포트 네트워크의 제1 및 제2 포트 상에서 입사되 고 그 포트들로부터 반사되는 복소 전압 웨이브이다.

본 예에서, S-파라미터는 높은 주파수에서 다른 종류의 파라미터들보다 측정하고 작업하기에 용이하기 때문에, S-파라미터 측정은 유리한 측정 기술이다.

또한, S-파라미터 측정들로부터 특성 임피던스 Z(f) 또는 전파 상수(propagation constant) γ(f) 등과 같은 다른 특성 주파수 의존 라인 파라미터들을 이끌어내기 위한 상이한 방법들이 당업계에 공지되어 있어, 이러한 파라미터들은 S-파라미터 측정들로부터 용이하게 얻어질 수 있다. 이에 관해 토마스-마이클 빈켈, 로히 사가 두타, 하르트무트 그라빈스키, "고주파수 S-파라미터 측정들에 기초한 손실을 갖는 라인의 특성 임피던스의 정확한 결정", IEEE 멀티칩 모듈 컨퍼런스 MCMC 96, 페이지 190-195, 1996년 2월(Thomas-Michael Winkel, Lohit Sagar Dutta, Hartmut Grabinski, "An Accurate Determination of the Characteristic Impedance of Lossy Lines on Chips Based on High Frequency S-Parameter Measurements", IEEE Multi-Chip Module Conference MCMC 96, pp. 190-195, February 1996), 토마스-마이클 빈켈, "광대역 측정을 이용한 상이한 전도도의 실리콘 기판 상의 라인들 간의 커플링의 연구", 박사 논문, 하노버 대학, 1997년 11월(Thomas-Michael Winkel, "Untersuchung der Kopplung zwischen Leitungen auf Silizium-Substraten unterschiedlicher Leitfahigkeit unter Verwendung breibandiger Messungen", Ph D. Thesis, University of Hannover, November 1997)을 참조할 수 있다.

이 예에서 고주파수 S-파라미터 측정들을 위한 특별 요구조건은 전송 라인이 칩상의 임의의 활성 장치에 접속되어 있지 않다는 것이다. 이러한 이유로, 병렬 신호 라인들이 임의의 구동기(driver) 및 수신기에 접속되지 않는 경우, 플로팅(floating)될 수 있다. 테스트 사이트 상의 병렬 라인들이 구동기, 수신기 및 트랜지스터가 없는 일부 포인트에 접속되어야 할 때 문제가 발생한다.

제1 옵션은 신호 라인들의 양 측면을 오픈(open)한 상태로 두고, 플로팅 라인들은 제품에 대응하지 않도록 하는 것으로, 이에 따라 측정 결과들을 변경할 것이다.

제2 옵션은 병렬 신호 라인들의 양 말단을 그라운드(ground)에 접속시키는 것이다. 이 예에서, 모든 신호 라인들은, 제품과 역시 대응하지 않는 그라운드 라인들과 같이 동작한다.

원리상 구동기는 낮은 임피던스를 갖는 반면에 수신기는 높은 임피던스를 갖는다. 따라서, 제3 옵션은 병렬 신호 라인의 일 측면을 접속하고, 반대 측면을 오픈시키는 것이다. 이 옵션은 제품을 모방하는(imitate) 것이지만, 고주파수 범위에서 양쪽의 측정 포트들은 양 포트 상에서 상이한 전기적 특성을 나타내기 때문에, 고주파수 측정은 4 GHz 미만으로 대역폭이 제한된다는 점에서 문제점이 발생한다. 하나의 포트는 단지 병렬 라인들이 오픈된 것으로 보이나, 반대쪽 포트는 단지 접지된 병렬 라인들을 보인다. 결과적으로, 4 GHz보다 큰 주파수에서는 단지 하나의 신호 라인 모드만 테스트 구조체에서 여기되는(excited) 것이 아니다.

이상의 검토에서 나타나듯이, 상기 기재한 결점에 구애받지 않고, 측정 대역폭의 상당한 이득을 가져오는, 전기적 신호 라인의 주파수의 함수로서 S-파라미터 들을 결정하는 측정 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 증가된 측정 대역폭, 즉 4 GHz보다 큰 측정 대역폭을 달성하는 전기 신호 라인의 주파수의 함수로서 S-파라미터들을 측정함으로써 특성 전송 라인 파라미터들을 결정하기 위한 측정 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 측정 장치는 독립 청구항 1에서 구체화되는 것에 의해 특징화된다.

본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항들에서 구체화된다.

본 발명의 측정 장치는 테스트 하에 있는 신호 라인(측정 라인) 및 다수의 인접 신호 라인들을 포함하고, 상기 측정 라인 및 상기 인접 신호 라인들은 2 포트 네트워크의 포트 1(S₁₁) 및 포트 2(S₂₂)를 나타내는 제1 및 제2 단부를 갖는다. 본 발명에 따라, 각각의 인접하는 신호 라인의 한쪽 단부는 낮은 임피던스에 의해 종단되고, 각각의 인접하는 신호 라인의 다른쪽 단부는 높은 임피던스에 의해 종단되어, 모든 인접 신호 라인들의 제1 및 제2 단부는 각각 낮은 임피던스 및 높은 임피던스에 의해 종단되고, 그들의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 낮은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들의 개수는 그들의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 높은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들의 개수와 동일하거나 거의 동일하다.

특정 접속 패턴의 결과로 인해, 양쪽 포트들은 적어도 거의 동일한 상태로 보인다. 따라서, 오직 하나의 신호 모드만이 여기되고, 주파수 대역폭이 상당히 증가된다.

본 발명의 특징에 따르면, 낮은 임피던스는 폐쇄 단부 라인(closed-end line)(그라운드에 연결)에 의해 형성되고, 상기 높은 임피던스는 오픈 단부 라인(open-ended line)에 의해 형성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 측정 라인은 평면 배열 내에 있고, 인접 신호 라인들은 라인 패턴 물체(line pattern matter) 내에 또는 병렬 배열 내에 측정 라인에 대한 평면 내에(in-plane) 배열된다.

바람직하게는, 서로에 대해 직접 인접하도록 배열된 인접 신호 라인들은 그들의 제1 단부 및 제2 단부 상에서 상이한 임피던스를 가지게 되어, 모든 인접 신호 라인들의 제1 단부 및 제2 단부는 각각 낮은 임피던스 및 높은 임피던스에 의해 교대하여 종단된다. 이는 포트 1 및 포트 2 상에서 각각 교대 배열(alternating arrangement)에 이르게 한다. 이는 양쪽 포트가 동일한 상태(appearance)를 갖는 것을 의미하여, 그 결과 주파수 대역폭이 20 GHz가 넘도록 증가된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 측정 라인의 양쪽 측면 상의 인접 신호 라인들의 개수는 동일하다.

또한, 측정 라인에 대해 직접 인접하여 배열된 인접 신호 라인들은 그들의 제1 단부 및 제2 단부 상에서 각각 상이하거나 동일한 임피던스를 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 측정 라인 및 인접 신호 라인은 멀티층 칩(multi-layer chip) 내의 신호 라인들이고, 2개의 인접한 층들 사이의 신호 라인들의 방향은 90°회전된 것이며, 측정 라인 및 그것에 인접하는 신호 라인들은 동일한 층(측정 층) 내에 병렬 배열로 배열되고, 측정 층에 인접한 층들 내의 신호 라인들(이웃하는 층 라인들)은 그들의 제1 단부 및 제2 단부 상에서 각각 상이한 임피던스를 갖는 병렬 배열 내에 배열되어, 모든 인접 층 라인들의 제1 및 제2 단부는 각각 낮은 임피던스 및 높은 임피던스에 의해 종단되고, 그들의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 낮은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들의 개수는 그들의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 높은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들의 개수와 동일하거나 거의 동일하다.

바람직하게는, 서로에 대해 직접 인접하여 배열된 인접 층 라인들은 그들의 제1 단부 및 제2 단부 상에 상이한 임피던스를 가지게 되어, 모든 인접 층 라인들의 제1 단부 및 제2 단부가 각각 낮은 임피던스 및 높은 임피던스에 의해 교대하여 종단된다. 인접 신호 라인들의 교대 배열과 관련된 이러한 인접 층 라인들의 교대 배열은 측정 대역폭의 상당한 이득을 가져온다. 실험에 의하면 본 발명의 칩 상의 와이어링 배열에 의해 대역폭이 20 GHz까지 증가되는 것을 알 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 측정 라인 및 인접 라인들은 다발(bunch)로서 배열된다.

다발의 양쪽 포트의 거의 동일한 상태를 달성하기 위해, 낮은 임피던스 및 높은 임피던스를 각각 갖는 인접 신호 라인들의 단부들은 다발의 가상 단면 영역에 대해 동일하거나 거의 동일하게 배열된다.

본 발명의 추가적인 목적, 이점, 및 특징들은 첨부된 도면과 함께 이하의 설 명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 신호 라인들의 접속 패턴을 갖는 멀티층 칩의 개략도이다.

도 2는 도 1에 따른 포트 1 및 포트 2 상에서 측정된 반사 파라미터 S₁₁ 및 S₂₂의 크기를 도시한다.

도 3은 도 2에 따른 포트 1 및 포트 2 상에서 측정된 반사 파라미터 S₁₁ 및 S₂₂의 위상을 도시한다.

도 4는 본 발명에 따른 신호 라인들의 접속 패턴을 갖는 멀티층 칩의 개략도이다.

도 5는 도 4에 따른 포트 대칭적인 테스트 사이트에 대해 측정된 반사 파라미터 S₁₁ 및 S₂₂의 크기를 도시한다.

도 6은 도 4에 따른 포트 대칭적인 테스트 사이트에 대해 측정된 반사 파라미터 S₁₁ 및 S₂₂의 위상을 도시한다.

도면 참조 표시 리스트

10 멀티층 칩

12 인접 신호 라인들

14 측정 라인

16 포트 1

18 포트 2

20 인접 층 라인들

도 1은 신호 라인들의 비대칭적 접속 패턴을 갖는 멀티층 칩(10)의 개략도를 도시한다(종래 기술).

칩(10) 상에 실신호 커플링 특성(real signal coupling behavior)을 영상화하기 위해서, 부가 신호 라인들(12), 소위 인접(neighboring) 신호 라인들이 동일한 층 내의 테스트(14) 하의 신호 라인, 소위 측정 라인에 인접하여 부가된다.

인접 신호 라인들(12)은 구동기를 모사(imitate)하기 위해 비아(via)에 의해 한쪽 측면(16), 여기서 포트 1 상의 그라운드에 접속되었고, 수신기를 모방하기 위해 반대쪽 측면(18), 여기서 포트 2 상에서 오픈되었다.

상부 금속층들과 반도체 기판 사이의 금속층들의 차폐 효과를 영상화하기 위해, 부가 신호 라인들(20), 소위 인접 층 라인들이 하부(bottom) 금속 층들 내에 부가되었다. 모든 인접 신호 라인들(20)은 또한 한쪽 측면 상에 그라운드로 접속되고, 반대쪽 측면 상에 오픈되었다.

도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 측정된 반사 파라미터들 S₁₁, S₂₂는 더 높은 주파수들에 대해 더 이상 동일하지 않다.

임의적(random)이고 시스템적인(systematically) 측정 에러들로 인해 크기에 대한 측정 불확실성은 보통 3% 이하이다. 4 GHz보다 큰 주파수에서, 양쪽 반사 파 라미터들간의 차이는 위상에 대해서뿐만 아니라 크기에 대해서도 이 값을 초과한다. 이는 이러한 테스트 구조체에서 단지 하나의 신호 라인 모드 이상이 여기됨(excited)을 의미한다. 따라서, 모든 추출된 전송 라인 파라미터들은 단지 4 GHz까지만 유효하다.

추출된 데이터의 주파수 대역폭을 증가시키기 위해, 테스트 사이트(test site) 설계는 본 발명에 따라 변경되어야 할 필요가 있다. 포트 1(S₁₁) 및 포트 2(S₂₂)에 대해 측정된 반사 파라미터들이 거의 동일해지도록 보장하여야 하는데, 이러한 목적을 양쪽 포트들(16,18)이 전기적 관점에서 볼 때 대칭적이 되도록 함으로써 달성할 수 있다.

도 4에서 도시된 바와 같이, 인접한 인접 신호 라인들(12) 중 제2 라인들은 각각 포트 1(S₁₁)(16) 상의 그라운드로 접속되고, 다른 모든 인접한 인접 신호 라인들(12)은 포트 1(S₁₁)(16) 상에 오픈됨으로써 포트 대칭성이 달성되었다. 포트 1(S₁₁)(16) 상에서 오픈된 상태인 인접한 인접 신호 라인들(12)은 포트 2(S₂₂)(18) 상에서 접지된다. 다른 금속층들 내의 다른 모든 인접 층 라인들(20)은 또한 동일한 교대 방식(alternating manner)으로 그라운드에 접속된다.

이러한 변경의 결과로 인해, 포트 1(S₁₁)(16) 및 포트 2(S₂₂)(18)에 대한 측정된 반사 파라미터들은 적어도 20GHz에 이르는 주파수 범위 내에서 크기와 관련된 도 5 및 위상과 관련된 도 6에 도시된 바와 같이 거의 동일하다. 양 측정된 반사 파라미터들간의 약간의 차이는 통상적이나, 양호한 측정을 위한 척도로서 그 차이들은 크기에 대해 (20GHz에서) 0.03db 및 위상에 대해 (20GHz에서) 2°의 기대되는 측정 불확실성을 초과하면 안된다.

Claims

전기적 신호 라인(측정 라인)(14)의 주파수의 함수로 스캐터링 파라미터(S-파라미터)들을 측정함으로써 특성 라인 파라미터들을 결정하는 측정 장치에 있어서, 상기 측정 라인(14)은 수개의 인접 신호 라인들(12)을 가지고, 상기 측정 라인(14) 및 상기 인접 신호 라인들(12)은 제1 단부 및 제2 단부를 각각 갖는 것이고,

각각의 인접 신호 라인(12)의 한쪽 단부는 낮은 임피던스에 의해 종단되고, 각각의 인접 신호 라인(12)의 다른쪽 단부는 높은 임피던스에 의해 종단되어, 모든 인접 신호 라인들(12)의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부는 각각 낮은 임피던스 및 높은 임피던스에 의해 종단되며, 인접 신호 라인들(12)의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 낮은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들(12)의 개수는 인접 신호 라인들(12)의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 높은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들(12)의 개수와 동일하거나 거의 동일한 것인 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 낮은 임피던스는 폐쇄 단부 라인(closed-end line)(그라운드에 연결)에 의해 형성되고, 상기 높은 임피던스는 오픈 단부 라인(open-ended line)에 의해 형성되는 것인, 측정 장치.
제1항 및 제2항에 있어서, 상기 측정 라인(14)은 평면 배열(plane arrangement) 내에 있고, 상기 인접 신호 라인들(12)은 라인 패턴 물체(line pattern matter) 내의 상기 측정 라인(14)에 대한 평면 내에(in-plane) 배열되는 것인, 측정 장치.
제1항 및 제2항에 있어서, 상기 측정 라인(14)은 평면 배열 내에 있고, 상기 인접 신호 라인들(12)은 병렬 배열 내에 상기 측정 라인(14)에 대한 평면 내에(in-plane) 배열되는 것인, 측정 장치.
제1항 내지 제4항에 있어서, 서로에 대해 직접 인접하여 배열된 상기 인접 신호 라인들(12)은 이 라인들(12)의 제1 단부 및 제2 단부 각각에서 상이한 임피던스를 갖는 것인, 측정 장치.
제1항 내지 제5항에 있어서, 상기 측정 라인(14)의 양쪽 측면 상의 상기 인접 신호 라인들(12)의 개수는 동일한 것인, 측정 장치.
제1항 내지 제6항에 있어서, 상기 인접 신호 라인들(12)은 이 라인들(12)의 제1 단부 및 제2 단부 각각에서 상이한 임피던스를 갖는 측정 라인(14)에 대해 직접 인접하여 배열되는 것인, 측정 장치.
제1항 내지 제6항에 있어서, 측정 라인(14)에 대해 직접 인접하여 배열된 상 기 인접 신호 라인들(12)은 이 라인들(12)의 제1 단부 및 제2 단부 상에서 각각 동일한 임피던스를 갖는 것인, 측정 장치.
제1항 내지 제8항에 있어서, 상기 측정 라인(14) 및 상기 인접 신호 라인(12)은 멀티층 칩(multi-layer chip)(10) 내의 신호 라인들이고, 2개의 인접한 층들 사이의 상기 신호 라인들의 방향은 90°회전된 것이며, 측정 라인(14) 및 이 측정 라인(14)에 인접하는 신호 라인들(12)은 동일한 층(측정 층) 내에 병렬 배열 내에 배열되고, 상기 측정 층에 인접한 층들 내의 상기 신호 라인들(20)(인접 층 라인들)은 이 인접 층 라인들의 제1 단부 및 제2 단부 상에서 각각 상이한 임피던스를 갖는 병렬 배열 내에 배열되어, 모든 인접 층 라인들(20)의 상기 제1 및 제2 단부는 각각 낮은 임피던스 및 높은 임피던스에 의해 종단되고, 상기 인접 층 라인들의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 낮은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들(20)의 개수는 상기 인접 층 라인들의 제1 단부 또는 제2 단부 상에 높은 임피던스를 갖는 인접 신호 라인들(20)의 개수와 동일하거나 거의 동일한 것을 특징으로 하는 측정 장치.
제9항에 있어서, 서로에 대해 직접 인접하여 배열된 상기 인접 층 라인들(20)은 이 인접 층 라인들(20)의 제1 단부 및 제2 단부 상에 각각 상이한 임피던스를 갖는 것인, 측정 장치.