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Für die Inspektion
an potentialführenden
Teilen und planaren Leiterzügen
(Leiterplatten, Dünn- und
Dickschichtschaltungen, flexible Schaltungsträger) werden Testspitzen zur
Detektion von Leiterunterbrechungen und Kurzschlüssen eingesetzt. Solche Verfahren
erfordern einen hohen Prüfaufwand, da
zahlreiche Anschlüsse
mit den Testspitzen einzeln angefahren werden müssen.
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Bei
der klassischen Inspektion von Schaltungsträgern wird ein Testsignal in
eine Leiterbahn eingespeist und anschließend mit galvanisch und kapazitiv
gekoppelten Testspitzen entlang der Leiterzüge detektiert. Insbesondere
bei komplexen Schaltungen ist dieses Verfahren sehr aufwändig.
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Bildgebende
Inspektionsverfahren sind häufig
hinsichtlich der Detektion kleinerer Fehlstellen, wie zum Beispiel
Haarrisse, problematisch. Systembedingte Risiken, wie mangelnde
Kontrastschärfe und
die erforderlichen hohen Scan-Raten, führen bei optischer Inspektion
zu unvermeidlichen Fehlern.
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Ein
alternatives Testverfahren wird mit Hilfe eines kapazitiven CMOS-Bildsensors
realisiert, bei dem die Fotodioden gegen Metallelektroden ausgetauscht
werden. Aus Scheffer, D.: "Platinentest
elektrostatisch",
Elektronik 11/2002, WEKA Fachzeitschriften-Verlag GmbH, Poing, ist
ein bildgebendes Inspektionsverfahren bekannt, für das CCDs zu kapazitiv messenden
Sensoren umgebaut werden.
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Aus
GB 2143954 A ist
eine Vorrichtung zum Prüfen
eines Bauelements bekannt, die eine für eine ortsaufgelöste Messung
angeordnete Vielzahl von Streufeldelementen aufweist.
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Davon
ausgehend besteht die Aufgabe in der Entwicklung einer wirtschaftlichen
und zuverlässigen Vorrichtung
mit hoher Ortsauflösung.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine
Vorrichtung zum Prüfen
eines elektrischen Bauelements, insbesondere einer Leiterplatte, Dünn- und
Dickschichtschaltung, eines flexiblen Schaltungsträgers oder
einer Platine, weist ein Streufeldelement zum Erzeugen und/oder
Messen eines Streufeldes in und/oder an dem elektronischen Bauelement
auf. Die Vorrichtung arbeitet also nach dem Fringing-Field-Messprinzip.
Weiterhin weist die Vorrichtung Mittel zum Detektieren eines Fehlers
des elektrischen Bauelements aufgrund des gemessenen Streufelds
auf. Diese Mittel können
beispielsweise aus Mitteln zum Feststellen einer unzulässigen Größe des gemessenen
Streufeldes bestehen. Die unzulässige
Größe kann
durch eine entsprechende Schaltung oder auch, wie unten im einzelnen
beschrieben, durch die Beobachtung durch einen Benutzer festgestellt
werden.
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Sollen
nicht nur große
Defekte des elektrischen Bauelements, sondern zum Beispiel auch Haarrisse
gemessen werden können,
so ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung Mittel zum Erzeugen
eines Wechselfeldes an zumindest einem potentialführenden
Teil des elektrischen Bauelements aufweist. Durch die Vorrichtung
wird dann mit dem Bauelement eine aktive Struktur mit einem aktiven
Feld gemessen, die potentialführend
ist, indem beispielsweise ein Leiterzug selbst ein Feld generiert.
Es wird also die Veränderung
des Streufeldes durch Einbringen eines weiteren Feldes in das Streufeld
gemessen. Gerade Defekte werden hier eine sehr starke Streufeldänderung
hervorrufen.
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Die
Mittel zum Erzeugen eines Wechselfeldes an zumindest einem potentialführenden
Teil des elektrischen Bauelementes können beispielsweise als Elektrodenfeld
ausgebildet sein, das an der der Vorrichtung zum Prüfen des
elektrischen Bauelementes gegenüberliegenden
Seite des elektrischen Bauelementes angeordnet werden kann. Dieses Elektrodenfeld
zum Erzeugen eines Wechselfeldes an zumindest einem potentialführenden
Teil kann analog zum im Weiteren beschriebenen Elektrodenfeld mit
Streufeldelementen zum Erzeugen und/oder Messen eines Streufeldes
ausgebildet sein. Alternativ ist aber auch die Verwendung herkömmlicher
Kontaktspitzen denkbar, um eine Wechselspannung im zu prüfenden elektronischen
Bauelement zu erzeugen.
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Zur
Erzeugung und/oder Messung des Streufeldes enthält das Streufeldelement vorzugsweise
ein Elektrodenpaar. Das Steuerfeldelement kann dabei ein Elektrodenpaar
zur Erzeugung des Streufeldes und ein Elektrodenpaar zur Messung
des Streufeldes enthalten. Vorzugsweise enthält das Streufeldelement allerdings
ein Elektrodenpaar, mit dem das Streufeld sowohl erzeugt als auch
gemessen werden kann.
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Soll
ein flächiges
elektrisches Bauelement geprüft
werden, so ist die Vorrichtung vorzugsweise als Streufeldflächensensor
in Form eines Sensorfeldes ausgebildet, indem sie eine Vielzahl
von Streufeldelementen aufweist, die für eine ortsaufgelöste Messung
des elektrischen Anordnung angeordnet sind.
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Zur
Kontaktierung der Vielzahl von Streufeldelementen weist die Vorrichtung
insbesondere sich in zumindest zwei Ebenen überkreuzende Leiterbahnen auf.
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Ist
die Vielzahl von Streufeldelementen an und/oder in einer Folie angeordnet,
bzw. die Vorrichtung als Folie realisiert, so ergeben sich gleich
mehrere Vorteile. Beispielsweise können nicht nur vollständig planare,
sondern auch gewölbte
elektrische Bauelemente geprüft
werden. Weiterhin kann die Folie zum Prüfen eines elektrischen Bauelementes durch
Unterdruck an das Bauelement angesaugt werden, so dass Streufeldelemente
und elektrisches Bauelement sich jeweils immer in einem definierten, engen
Abstand zueinander befinden.
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Zum
vorgenannten Zweck kann die Vorrichtung über Mittel zum Ansaugen der
Folie an das elektrische Bauelement verfügen.
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Ein
Verfahren zum Prüfen
eines elektrischen Bauelementes ist analog zur Vorrichtung zum Prüfen eines
elektrischen Bauelementes realisierbar. Dies gilt auch für bevorzugte
Weiterbildungen.
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Weitere
wesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 eine
Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Prüfen eines elektrischen Bauelements,
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2 ein
Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten Vorrichtung;
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3 einen
Schnitt gemäß der Linien
III-III in 1 und
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4 das
Messprinzip der in 1 dargestellten Vorrichtung.
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1 zeigt
eine teilweise Draufsicht auf die Vorrichtung zum Prüfen eines
elektrischen Bauelements, wobei der mehrschichtige Aufbau der Vorrichtung
dem in 3 dargestellten Schnitt gemäß der Linie III-III zu entnehmen
ist. Bei der Herstellung der in den Figuren dargestellten Vorrichtung
wird von einem nicht dargestellten Hilfsträger z.B. aus Borosilicatglas
ausgegangen. Um die Haftung des nachfolgenden Aufbaus auf dem Hilfsträger mit
Sicherheit zu gewährleisten,
wird durch Sputtern eine Haftschicht aus Titan aufgebracht. Auf
diese Haftschicht wird dann eine Basisschicht 3 aufgebracht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dieser Basisschicht 3 um eine Folie
aus einem thermostabilen Polymer, zum Beispiel Kapton, das eine
Dicke von 50 μm
aufweist, und durch Laminieren aufgebracht wird. Anschließend wird
die Basisschicht 3 durch das Aufschleudern eines Isolationsmaterials planarisiert,
wobei dieser Vorgang in 3 durch eine separat dargestellte
Planarisierung 4 aufgezeigt ist.
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Die
nachfolgende Erzeugung metallischer Strukturen in Form einer Schar
von ersten Leiterbahnen 5 kann grundsätzlich in Subtraktivtechnik,
Additivtechnik oder Semiadditivtechnik vorgenommen werden. Im geschilderten
Ausführungsbeispiel
werden die ersten Leiterbahnen 5 semiadditiv hergestellt.
Auf die ganzflächig
mit einer Schichtenfolge aus Titan und Palladium besputterte Planarisierung 4 wird
dabei ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Fotoresist aufgebracht
und so strukturiert, dass auf das freie entwickelte Leiterbahnbild
zum Beispiel galvanisch Gold oder galvanisch bzw. chemisch Kupfer abgeschieden
werden kann. Nach dem Strippen des Fotoresists werden dann die nicht
den gewünschten ersten
Leiterbahnen 5 entsprechenden Bereiche der Schichtenfolge
aus Titan und Palladium durch selektives Ätzen bis zur Oberfläche der
Planarisierung 4 abgetragen.
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Auf
die ersten Leiterbahnen 5 wird dann eine fotostrukturierbare
erste Isolationsschicht 6 aufgebracht, in welche durch
Belichten und Entwickeln Löcher 61 eingebracht
werden, die beispielsweise einen Durchmesser von 25 μm aufweisen.
Bei der nachfolgenden Herstellung einer zweiten Lage metallischer
Feinstrukturen in Form von ersten Elektroden 51, zweiten
Leiterbahnen 7 und zweiten Elektroden 71, werden
dann im Bereich der Löcher 61 Durchkontaktierungen
erzeugt, welche die ersten Elektroden 51 mit zugeordneten
darunter liegenden Leiterbahnen 5 elektrisch leitend verbindet.
Die vorstehend erwähnte
zweite Lage metallischer Feinstrukturen wird im geschilderten Ausführungsbeispiel wieder
semiadditiv hergestellt. Aus der schematischen Darstellung gemäß 1 ist
ersichtlich, dass sich die Schar von ersten Leiterbahnen 5 und
die Schar von zweiten Leiterbahnen 7 orthogonal kreuzen.
Es ist außerdem
ersichtlich, dass die zweiten Elektroden 71 durch flächige Verbreiterungen
der zweiten Leiterbahnen 7 gebildet sind und dass die ersten
Elektroden 51 und die zweiten Elektroden 71 ein
Pixelfeld bilden, dessen Pixelraster je nach zu prüfendem elektrischen
Bauteil gewählt
werden kann und insbesondere 70 μm
oder weniger, bevorzugt 50 μm
oder weniger beträgt.
Die ersten Leiterbahnen 5 münden endseitig in Anschlüsse für Sendeleitungen AS,
während
die zweiten Leiterbahnen 7 in Anschlüsse für Empfangsleitungen AE münden. Über die
Anschlüsse
AS und AE wird das Sensorfeld dann mit einer Auswerteelektronik
verbunden.
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten
Vorrichtung. Zwischen den ersten Leiterbahnen 5 und den
orthogonal kreuzenden zweiten Leiterbahnen 7 werden jeweils
Kapazitäten
C gebildet. Bei diesen Kapazitäten
C handelt es sich um Streukapazitäten zwischen benachbarten ersten Elektroden 51 und
zweiten Elektroden 71. Im geschilderten Ausführungsbeispiel
ist C < 10 fF.
Der Abstand zweier Elektroden eines Elektrodenpaares voneinander
beträgt
etwa 5 μm.
Der Abstand zweier Elektrodenpaare voneinander beträgt etwa
50 μm.
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In 3 wird
noch einmal der Schichtaufbau der Vorrichtung mit Basisschicht 3,
Planarisierung 4, ersten Leiterbahnen 5, erster
Isolationsschicht 6, zweiten Leiterbahnen 7 und
zweiter Isolationsschicht 8 sowie ersten Elektroden 51 und
zweiten Elektroden 71 deutlich.
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Bei
der geschilderten Vorrichtung dient das Streufeld zwischen benachbarten
ersten Elektroden 51 und zweiten Elektroden 71 des
durch die Elektrodenpaare gebildeten Sensorfeldes als Messgröße zum Prüfen des
elektrischen Bauelements. Dieses auch als Fringing-Field-Messprinzip
bezeichnete Prinzip ist aus 4 ersichtlich.
Hier erkennt man über
dem Elektrodenpaar 51, 71 und der zweiten isolierenden
Schicht 8 zur Passivierung der Vorrichtung das elektrische
Bauelement 9 in Form eines Schaltungsträgers mit einem potentialführenden
Teil 10 in Form einer Leiterbahn. Zwischen der ersten Elektrode 51 und
der zweiten Elektrode 71 des Elektrodenpaares der Vorrichtung
zum Prüfen
des Bauelements 9 wird durch Anlegen einer Wechselspannung
ein als gepunktete Linien dargestelltes Streufeld SF erzeugt. Dieses
Streufeld SF wird durch die gegenüber der Dielektrizitätskonstante
von Luft geänderte
Dielektrizitätskonstante
des Bauelementes 9 und seines potentialführenden
Teils 10 in charakteristischer Weise verändert. Dies
gilt bereits, wenn an das potentialführende Teil 10 noch
kein zusätzliches
Potential angelegt ist.
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Die
Messempfindlichkeit kann aber noch ganz wesentlich erhöht werden,
indem an das potentialführende
Teil 10 des zu prüfenden
Bauelements 9 seinerseits ein Wechselpotential angelegt
wird, wie dies in 4 durch die gestrichelten Potentiallinien WP
gezeigt ist.
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Zum
Prüfen
wird das Bauelement beispielsweise unter der mit dem beschriebenen
Foliensensor ausgebildete Vorrichtung positioniert. Die Folie des Foliensensors
wird dann an das elektrische Bauelement mittels Vakuum angesaugt.
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Die
Sensorfläche,
die durch die Vielzahl der Streufeldelemente in Form von Elektrodenpaaren
abgedeckt wird, ist von der Größe des zu
prüfenden elektrischen
Bauelementes abhängig
und beträgt beispielsweise
mehr als 50 mm × 50
mm und je nach Anwendung auch 200 mm × 200 mm oder mehr. Entsprechend
ergibt sich ein Feld von beispielsweise 20.000 × 20.000 Streufeldelementen
in Form von Elektrodenpaaren. Diese werden über eine Ausleseelektronik
ausgelesen und die Messwerte können dann über schnelle
A-D-Umsetzer mit
8 Bit Auflösung digitalisiert
werden. Dadurch sind kurze und wirtschaftliche Abfragezyklen im μs-Bereich
realisierbar.
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Zum
Detektieren eines Fehlers des elektrischen Bauelements werden die
digitalisierten Messwerte beispielsweise als Graustufenbild dargestellt. Über Bildverarbeitungssoftware,
die beispielsweise über
Fourier-Transformation Verschiebungen und Verdrehungen des elektrischen
Bauelements herausfiltert, können
Ungenauigkeiten in der Positionierung des Bauelements gegenüber der
Vorrichtung eliminiert werden.
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Bildverarbeitungssoftware
kann beispielsweise auch eingesetzt werden, um das Messbild des zu
prüfenden
Bauelementes mit einem Referenzbild eines intakten Bauelementes
zu vergleichen, und dadurch einen eventuellen Fehl er des zu prüfenden Bauelementes
zu detektieren.
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Es
ist aber auch denkbar, das Messbild auf einem Bildschirm darzustellen
und dadurch einem Benutzer der Vorrichtung Mittel zum Detektieren
eines Fehlers des elektrischen Bauelementes aufgrund des gemessenen
Streufeldes zur Verfügung
zu stellen.
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Zusammenfassend
lassen sich die Vorrichtung und das Verfahren wie folgt darstellen:
Zur Überprüfung von
Fehlstellen in Leiterzügen
wird ein passives Sensorfeld nach dem Fringing-Field-Messprinzip verwendet. Das Sensorfeld
mit Streufeldelementen besteht aus einem Mehrlagenaufbau in Dünnfilmtechnik
und wird als Foliensensor ausgeführt.
Zur Inspektion wird das flexible und großflächige Sensorfeld auf den zu
prüfenden
Schaltungsträger
gepresst oder die Folie angesaugt. Die Fehlererkennung an potentialtragenden
Leiterzügen
erfolgt dabei durch entstehende Streukapazitätsänderungen, die in einem Mehrlagenaufbau
mit sich orthogonal kreuzenden Elektrodenstrukturen detektiert werden.
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Durch
die konstruktive Auslegung des Sensorfeldes werden eine hohe lokale
Auflösung
von weniger als 50 μm
und kurze Pixelabfragezyklen im μs-Bereich
möglich.
Das verwendete Messprinzip führt
zu einer extrem hohen Empfindlichkeit gegenüber Sreukapazitätsänderungen.
Gleichzeitig ist mit der Herstellbarkeit großer Sensorfelder von 200 mm × 200 mm
oder mehr eine sehr effektive und schnelle Inspektion von Fehlstellen
garantiert. Der Aufbau des Sensorfeldes auf Folie ermöglicht eine
kostengünstige
Fertigung und die verwendete Dünnfilmtechnologie
garantiert eine hohe Ortsauflösung.