DE102005011624B4

DE102005011624B4 - Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur und zur Durchführung des Verfahrens ausgestattete Schaltkreisanordnung

Info

Publication number: DE102005011624B4
Application number: DE200510011624
Authority: DE
Inventors: Olaf Albert
Original assignee: Palm Inc
Current assignee: Palm Inc
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: DE102005011624A1

Abstract

Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur, mit den Schritten:
a) Setzen eines SMD-Bauelements auf die elektrische Leitungsstruktur, das einen optischen Kristall (4) umfasst, der ein Polarisationsverhalten zeigt, das von einer in dem optischen Kristall (4) vorliegenden elektrischen oder magnetischen Feldstärke abhängt, wobei der Kristall unter Freilassung einer Öffnung (5) für das Laserlicht metallisiert und aufgelötet sowie einen Freiraum in der elektrischen Leitungsstruktur überbrückend angeordnet wird,
b) Beaufschlagen des optischen Kristalls (4) mit polarisiertem Laserlicht einer Wellenlänge, bei der der optische Kristall (4) durchlässig ist,
c) Führen von Laserlicht, das aus dem optischen Kristall (4) reflektiert wird, durch einen Polarisator (10) hindurch und Detektieren dieses Laserlichts und
d) Berechnen der in der Leitungsstruktur vorliegenden elektrischen Feldstärke aufgrund einer Intensität des detektierten Laserlichts.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur sowie auf eine Schaltkreisanordnung, die die elektrische Leitungsstruktur aufweist.
Elektrische Flachbaugruppen, insbesondere Hochfrequenzbaugruppen und hochempfindliche Baugruppen sind einer Funktionsprüfung zu unterziehen, bei der insbesondere das Vorliegen einer zutreffenden elektrischen Feldstärke in bestimmten elektrischen Leitungsstrukturen zu testen ist.
Zum Prüfen dieser elektrischen Feldstärke ist bisher beispielsweise ein Verfahren benutzt worden, bei dem ein koaxialer Prüfpunkt vorgesehen werden muss, der nachteiliger Weise viel Layoutfläche benötigt und unerwünschte Erdschleifen verursachen kann. Auch eine Feldgekoppelte Messung der zu testenden elektrischen Feldstärke ist bekannt, wobei jedoch mit großen Toleranzen gerechnet werden muss.
Allgemein entstehen bei Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur nach dem Stand der Technik durch das Prüfen selbst hohe Störspannungen, wobei große Messtoleranzen vorliegen können.
Die FR 2740876 A1 beschreibt eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Felds, die ein optisches Element E umfasst, das aus einer Schicht C1 aus einem elektro-optischen Material und einer katadioptrischen Schicht C2 aufgebaut ist. Bei dem elektro-optischen Material handelt es sich um einen Polymerfilm, der zur Polarisierung bei einer Temperatur jenseits der Glasübergangstemperatur des Films polarisiert und unter Einwirkung des elektrischen Felds abgekühlt wird. Der Brechungsindex des elektro-optischen Materials nach der Polarisierung ändert sich in Abhängigkeit des Einflusses eines elektrischen Felds. Dieser Effekt wird bei der in der FR 2740876 A1 beschriebenen Vorrichtung zur Prüfung von Radarantennen genutzt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Schaltkreisanordnung zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur, mit den Schritten des Patentanspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in Schritt d) eine Intensitätsschwankung bestimmt werden, da das Verfahren zum Vermessen elektrischer Wechselfelder ausgelegt ist.
Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich der Schaltkreisanordnung durch eine elektronische Schaltkreisanordnung mit einer elektrischen Leitungsstruktur gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 4 aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein optischer Kristall verwendet, der als SMD-Bauelement aufgebaut ist, das auf eine zu prüfende elektrische Leitungsstruktur aufgesetzt wird. Er ist unter Freilassung einer beispielsweise spaltförmigen Öffnung für das polarisierte Laserlicht metallisiert und auf die Leitungsstruktur gelötet sowie einen Freiraum in der elektrischen Leitungsstruktur überbrückend angeordnet. Ein solcher Freiraum kann sowohl eine Unterbrechung in beispielsweise einer Leiterbahn eines Mikrostreifenleiters als auch ein von elektrischen Leitungsstrukturen freier Raum zwischen zwei Leiterbahnen wie beispielsweise bei einer symmetrischen Leitung sein.
Als Materialien für den optischen Kristall kommen unter anderem Si- und III-V-Halbleiter-Kristalle, aber auch bevorzugt Lithiumniobat-Kristalle (LiNbO₃) zum Einsatz. Diese Kristalle zeigen ein Polarisationsverhalten, das von einer darin vorliegenden elektrischen Feldstärke abhängt. Es können aber auch optische Kristalle zum Einsatz kommen, bei denen eine vorliegende magnetische Feldstärke ihr Polarisationsverhalten ändert. Solche optischen Kristalle sind beispielsweise Yttriumeisengranat oder Bi₁₂SiO₂₀. Ohne hiermit eine Auswahl zu treffen, wird die Erfindung nachfolgend in erster Linie unter Bezugnahme auf optische Kristalle mit einem Polarisationsverhalten beschrieben, das von einem elektrischen Feld abhängt.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann in dem Schritt b) ein Puls-Laser zum Bereitstellen des Laserlichts, das polarisiert zu dem optischen Kristall gelangt, verwendet werden. Für eine möglichst große Messfrequenz ist es günstig, wenn ein Puls-Laser verwendet wird, der sich durch eine sehr geringe Pulsbreite, beispielsweise im Bereich von einigen 10 ps, auszeichnet. Eine geringe Pulsbreite des Puls-Lasers gestattet außerdem eine zeitaufgelöste Messung des in dem optischen Kristall vorliegenden elektrischen oder magnetischen Feldes. Durch zeitliches Verschieben des Laser-Pulses kann eine zeitliche Abtastung des elektrischen Feldes erfolgen.
Über die Messung der elektrischen oder magnetischen Feldstärke kann bei einem gegebenen Abstand zwischen elektrischen Komponenten, zwischen denen das elektrische Feld anliegt, eine zugehörige Spannung berechnet werden. Wenn ein (Leitungs-)Wellenwiderstand an der Messstelle bekannt ist, kann eine transportierte Leistung bestimmt werden. Es ist ebenso möglich, dass bei dem Verfahren, aber auch bei der Schaltkreisanordnung, wie sie in den Ansprüchen 4 bis 7 niedergelegt ist, an mehreren Stellen der elektrischen Leitungsstruktur, die jeweils mit einem optischen Kristall versehen sind, gemessen wird. Mit Hilfe der dann entstehenden stehenden Wellen kann auch ein Reflektionsfaktor bestimmt werden, mit dem die zu vermessende Leitung abgeschlossen wurde. Sie gestattet außerdem eine zeitaufgelöste Messung des in dem optischen Kristall vorliegenden elektrischen oder magnetischen Feldes. Durch zeitliches Verschieben des Laser-Pulses kann eine zeitliche Abtastung des elektrischen Feldes erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Durchführen eines Verfahrens zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur,
2 eine Ansicht von oben auf die elektrische Leitungsstruktur von 1,
3 eine Querschnittsansicht einer Einzelheit der elektrischen Leitungsstruktur von 1 mit aufgesetztem optischen Kristall,
4 eine Ansicht von oben einer Mikrostreifenleitung auf einem Substrat mit aufgesetztem optischem Kristall und
5 eine Ansicht von oben einer symmetrischen Leitung auf einem Substrat mit aufgesetztem optischem Kristall.
1 zeigt eine Übersichts-Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens, mit dem eine elektrische Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur berührungslos festgestellt werden kann.
Gegenstand der Prüfung ist eine Leiterbahn 1 auf einem Substrat 2, wobei auf einer der Leiterbahn 1 gegenüberliegenden Seite des Substrats 2 eine Massefläche 3 vorgesehen ist.
Auf einer zu untersuchenden Stelle der Leiterbahn 2 ist ein optischer Kristall 4, beispielsweise aus Lithiumniobat (LiNbO₃), angeordnet. Der optische Kristall 4 weist außen eine Metallisierung 15 auf, so dass er sich an der gewünschten, zu prüfenden Stelle auf der Leiterbahn 1 anbringen, beispielsweise auflöten lässt. Auf einer dem Substrat 2 abgewandten Seite des optischen Kristalls 4 ist in der Metallisierung 15 eine Öffnung 5 vorgesehen (vgl. 2), die einen Eintritt von Licht in den optischen Kristall 4 gestattet.
Die Erfindung geht nunmehr davon aus, dass sich zwischen der auf einem bestimmten Potential liegenden Leiterbahn 1 und der Massefläche 3 ein elektrisches Feld ausbildet. Da der optische Kristall 4 dem Substrat 2 unmittelbar benachbart ist, setzt sich das elektrische Feld in den optischen Kristall 4 hinein fort. Insofern liegt in dem optischen Kristall 4 ein elektrisches Feld vor, so dass das Polarisationsverhalten des optischen Kristalls 4 durch dieses elektrische Feld in einem bestimmten Maß, das von der Feldstärke im optischen Kristall abhängt, verändert wird gegenüber einem feldfreien Zustand des optischen Kristalls 4.
Zur Beaufschlagung des optischen Kristalls 4 mit Laserlicht wird ein Puls-Laser 6 eingesetzt, dessen Ausgangslichtpulse mit Hilfe eines Polarisators 7 linear polarisiert werden. Als der Puls-Laser 6 kann insbesondere ein Titan-Saphir-Laser eingesetzt werden, der sich durch besonders kurze Lichtpulslängen von beispielsweise 100 fs auszeichnet. Ebenfalls geeignet sind Halbleiter-Laser der neusten Generation. Die polarisierten Lichtpulse gelangen daraufhin zu einem Strahlteiler 8, der einen ersten vorbestimmten Anteil des polarisierten Laserlichts in Richtung auf einen Detektor 9, dem ein weiterer Polarisator 10 vorgeschaltet ist, auskoppelt. Ein zweiter Teil des Laserlichts wird an dem Strahlteiler 8, der oberhalb des optischen Kristalls 4 angeordnet ist, durchgelassen, gelangt durch die in 2 als Schlitz ausgeführte Öffnung 5 in den optischen Kristall 4 hinein, wird an einer z. B. verspiegelten Unterseite des optischen Kristalls 4 reflektiert und verlässt den optischen Kristall 4 wiederum durch die Öffnung 5. Eine Verspiegelung der Unterseite des optischen Kristalls 4 hat den Vorteil, dass ein daran reflektierter Lichtanteil konstanter ist, insbesondere unabhängig von Oberflächeneigenschaften eines darunter liegenden Materials.
Allerdings bewirkt ein in dem optischen Kristall 4 vorliegendes elektrisches Feld eine Drehung der Polarisation des Laserlichts, abhängig von der in dem optischen Kristall 4 vorliegenden elektrischen Feldstärke.
Das aus dem optischen Kristall 4 austretende, in seiner Polarisation geänderte Laserlicht trifft wiederum auf den Strahlteiler 8, von dem aus es durch den weiteren Polarisator 10 zu dem Detektor 9, der in Form einer Fotodiode vorliegen kann, geleitet wird. Ein Ausgangssignal des Detektors gelangt zu einem Verstärker 11, der ein weiterverarbeitbares Ausgangs-Spannungssignal liefert.
2 zeigt eine Detailansicht der Anordnung nach 1, wobei der Bereich im Einzelnen dargestellt wird, in dem der optischen Kristall 4 auf die Leiterbahn 1 aufgesetzt ist. In der 3 sind außerdem Feldlinien eines in dem Substrat vorliegenden und in den optischen Kristall 4 eindringenden elektrischen Feldes dargestellt. Das elektrische Feld liegt in dem optischen Kristall 4 vor, da die Leiterbahn 1 unterhalb des optischen Kristalls 4 eine Unterbrechung 16 aufweist. Die Metallisierung 15 des optischen Kristalls 4 überbrückt die Unterbrechung 16 elektrisch, so dass sie gewissermaßen Teil der Leiterbahn 1 wird. Es reicht daher aus, wenn die Metallisierung 15 an denjenigen Seitenflächen des optischen Kristalls 4 vorliegt, welche mit ihren Unterkanten die Leiterbahn 1 berühren, sowie auf einer Oberseite des optischen Kristalls 4.
In der 3 rechts und links von dem optischen Kristall 4 ist jeweils Lotmaterial 12 erkennbar, mit dem der optische Kristall 4 über seine Metallisierung 15 auf die Leiterbahn 1 gelötet worden ist.
4 zeigt eine Ansicht von oben auf die Leiterbahn 1, die als Mikrostreifenleitung ausgeführt ist. Die Öffnung 5 ist bei diesem Ausführungsbeispiel etwa elliptisch geformt.
5 zeigt in einer Ansicht von oben eine abgewandelte elektrische Leitungsstruktur mit symmetrischen Leitungen 13, 14, von denen die eine 13 eine +-Leitung und die andere 14 eine –Leitung ist. Zwischen den beiden, auf verschiedenen elektrischen Potential liegenden Leitungen 13, 14 bildet sich ein elektrisches Feld aus, das wiederum in den aufgesetzten optischen Kristall 4 eindringt und dessen Polarisationsverhalten beeinflusst. Die Öffnung 5 ist bei der Ausführungsform nach 5 wiederum schlitzförmig, wobei sich der Schlitz in seiner Breite etwa so weit erstreckt, wie der Abstand zwischen den beiden Leitungen 13, 14.
Unabhängig von den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen liefert der in 1 veranschaulichte Verstärker 11 in kurzer zeitlicher Abfolge ein Referenz-Spannungssignal, das auf dem ersten Teil des von dem Strahlteil 8 ausgekoppelten Laserlichts beruht, sowie ein zeitlich etwas später folgendes (ggf. wenige Nanosekunden) Messsignal, das von dem in dem optischen Kristall 4 reflektierten Laserlicht herrührt. Beide Signale beruhen auf Lichtsignalen, die den Polarisator 10 passiert haben. Eine Verdrehung der Polarisation des Laserlichts bewirkt eine verminderte Intensität des reflektierten Laserlichts nach Passieren des Polarisators 10. Insofern kann ein Vergleich der Intensitäten der beiden Spannungssignale, nämlich dem Referenz- und dem Messsignal, Rückschlüsse über eine beispielsweise in dem Substrat 2 (1, 2, 3, 4) oder zwischen den beiden Leitungen 13, 14 vorliegende elektrische Feldstärke liefern.

Claims

Verfahren zum Prüfen einer elektrischen Feldstärke in einer elektrischen Leitungsstruktur, mit den Schritten: a) Setzen eines SMD-Bauelements auf die elektrische Leitungsstruktur, das einen optischen Kristall (4) umfasst, der ein Polarisationsverhalten zeigt, das von einer in dem optischen Kristall (4) vorliegenden elektrischen oder magnetischen Feldstärke abhängt, wobei der Kristall unter Freilassung einer Öffnung (5) für das Laserlicht metallisiert und aufgelötet sowie einen Freiraum in der elektrischen Leitungsstruktur überbrückend angeordnet wird, b) Beaufschlagen des optischen Kristalls (4) mit polarisiertem Laserlicht einer Wellenlänge, bei der der optische Kristall (4) durchlässig ist, c) Führen von Laserlicht, das aus dem optischen Kristall (4) reflektiert wird, durch einen Polarisator (10) hindurch und Detektieren dieses Laserlichts und d) Berechnen der in der Leitungsstruktur vorliegenden elektrischen Feldstärke aufgrund einer Intensität des detektierten Laserlichts.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt a) ein Lithiumniobat-Kristall als der optische Kristall (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem in Schritt b) ein Puls-Laser (6) verwendet wird.
Elektronische Schaltkreisanordnung mit einer elektrischen Leitungsstruktur, die auf eine in ihr herrschende elektrische Feldstärke zu prüfen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die elektrische Leitungsstruktur ein SMD-Bauelement mit einem optischen Kristall (4) gesetzt ist, der ein Polarisationsverhalten zeigt, das von einer in dem optischen Kristall (4) vorliegenden elektrischen Feldstärke abhängt, und der unter Freilassung einer Öffnung (5) für Laserlicht metallisiert und auf die Schaltkreisanordnung aufgelötet sowie einen Freiraum in der elektrischen Leitungsstruktur überbrückend angeordnet ist.
Schaltkreisanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als optischer Kristall (4) ein Lithiumniobat-Kristall vorliegt.
Schaltkreisanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitungsstruktur als zu prüfende Leiterbahn (1) eine Mikrostreifenleitung aufweist.
Schaltkreisanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitungsstruktur symmetrische Leitungen (13, 14) aufweist.