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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Störfestigkeit elektrischer und/oder
elektronischer Bauteile, insbesondere Halbleiterbausteine mit hochohmigen
Eingängen,
gegen elektrostatische Felder.
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Elektrische
und Elektronische Bauteile der gattungsbildenden Art sind dem Fachmann
in ihren vielfältigen
Variationen bekannt und werden bei den unterschiedlichsten Baugruppen
und Geräten,
insbesondere auch auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik eingesetzt.
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Um
die Funktionstüchtigkeit
und -zuverlässigkeit
derartiger Bauteile zu gewährleisten,
werden diese üblicherweise
bereits bei der Herstellung bis hin zur Endabnahme vielfältigen Prüfungen unterzogen
und insbesondere auch auf deren Störsicherheit und elektromagnetische
Verträglichkeit
(EMV) getestet.
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Um
ein Halbleiterbauelement hinsichtlich seines Durchbruchverhaltens
bei elektrostatischer Aufladung zu testen, wird in
US 4,806,857 A eine Vorrichtung
zum Prüfen
eines solchen Halbleiterbauelements beschrieben. Dabei wird ein
geladenes Modell des Bauelements benutzt, das aufgrund elektrostatischer
Aufladung eines dielektrischen Gehäuses des Halbleiterbauelements
beschädigt
wurde. Die elektrostatische Aufladung erfolgt dadurch, daß eine Metallplatte
mit dem dielektrischen Gehäuse
in Berührung
gebracht wird. Anschließend
wird eine zweistufige Entladung des Halbleiterbauelements durchgeführt, wobei
es bei einer kritischen Feldstärke
zu einem Durchbruch des Halbleiterbauelements kommt, das heißt, ein
hochohmiger Zustand zwischen zwei Anschlußstiften geht in einen, zumeist
irreversiblen, niederohmigen Zustand über.
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Zur
Prüfung
einer elektrischen Leiteranordnung, insbesondere von Leiterbahnen
auf einer Leiterplatte, auf Kurzschluß und/oder Unterbrechung wird
in
DE 41 34 193 A1 ein
Verfahren beschrieben, bei dem Prüfpunkte der Leiteranordnung
mittels Meßsonden
kontaktiert und die ermittelten Meßergebnisse ausgewertet werden.
Dabei wird die Leiteranordnung mit einem inhomogenen elektrischen
Feld beaufschlagt und mindestens ein sich aufgrund des elektrischen
Feldes bildendes Potential von den Meßsonden an den einzelnen Prüfpunkten
abgenommen und mit dem Potential anderer Prüfpunkte und/oder mit einer
Referenz verglichen wird.
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Gleichwohl
dieser Überprüfungen häuften sich
die Beschwerden, daß einzelne
Geräte
mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen in deren Funktionstauglichkeit
zeitweise fehlerbehaftet sind. So beklagten sich Benutzer von Telefonapparaten, daß diese
vorübergehend
ausfielen und nach einer gewissen Zeit wieder voll funktionsfähig seien
oder sogar vollständig
aussetzen. Da in vielen derartigen Fällen bei der Instandsetzung
und Wartung keine Fehler festgelstellt werden konnten und Instandhalter um
eine Zerstörung
durch statische Spannungen zu vermeiden, mit Erdungsarmbändern mit
einer Bezugserde verbunden sind, wurde als Ursache dieser Störungen ein
Problem hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit
vermutet. Alle für
die Prüfung
der elektromagnetischen Verträglichkeit
bekannten Prüf-
und Meßverfahen – ESD (elektrostatic discharge)
verliefen jedoch negativ.
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Nachforschungen
bei den Herstellerfirmen ergaben, daß im wesentlichen nur Geräte betroffen waren,
bei denen einzelne Eingänge
(PINs) eines Bauteils nicht definiert abgeschlossen bzw. offen waren.
Ausgehend von der Vermutung, daß die
Ursache für
die vorstehend beschriebenen Störungen
in dem Bereich dieser offenen Eingänge zu suchen ist, wurde auf
das folgende Phänomen
geschlossen:
Ein offener Eingang in Form nicht abgeschlossener Pins
eines elektrischen und/oder elektronischen Bauteils stellen jeweils
eine kleine Fläche
dar und bildet somit gegenüber
einem Bezugspotential eine kleine Kapazität aus. Wird das Bauteil einem
elektrostatischen Feld ausgesetzt, wird auf den Pin eine Ladung übertragen,
die zu einem Verschiebestrom führt,
wodurch wiederum zwischen dem offenen Eingang und dem Bezugspotential
eine Spannung erzeugt wird. Erreicht diese Spannung einen vorbestimmten Schaltpegel
des Bausteins, wird dessen Ausgang in einen nicht gewünschten
logischen Zustand geschaltet. Je hochohmiger dabei die Eingänge des
Bauteils sind, desto geringere Verschiebeströme reichen aus, um die für den unerwünschten
Schaltvorgang notwendigen Schaltspannungen zu erzeugen. Ein dieses
Störphänomen überprüfendes Meßverfahren
ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem
die Störfestigkeit eines
elektronischen und/oder elektrischen Bauteils gegen elektrostatische
Felder geprüft
und offene, insbesondere hochohmige Eingänge des Bauteils erkannt werden
können.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Um
das Erkennen offener unerwünschter elektrischer
Verbindungen zu ermöglichen
und eine hierdurch begründete
verminderte Störfestigkeit
gegen elektrostatische Felder bei elektrischen und/oder elektronischen
Bauteilen nachzuweisen, wird in erfindungsgemäßer Weise das zu prüfende Bauteil
einem elektrostatischen Feld definierter Feldstärke ausgesetzt. Ein Vergleich
eines definierten Zustandes wenigstens eines Ausgangs des Bauteils
(z. B. der logische Pegel an einem bestimmten Ausgang), der ermittelt
wird, bevor das Bauteil dem elektrostatischen Feld ausgesetzt worden
ist, mit dem Zustand desselben Ausgangs des Bauteils nach dem Einbringen
in das elektrostatische Feld, ermöglicht erstmals, unerwünschte offene
Verbindungen gezielt aufzuspüren und
nach einem vorschriftsmäßigen Abschließen dieser
offenen Verbindungen die Störfestigkeit
gegen elektrostatische Felder wesentlich zu erhöhen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann vorzugsweise insbesondere unmittelbar bei der Halbleiterherstellung
zur Kontrolle von integrierten Bausteinen auf offene, nicht aus
dem IC herausgeführte
Verbindungen, bei der Qualitätssicherung
und Fertigungsüberwachung
zur Suche nach offenen Eingängen,
die die Funktion von Geräten
oder Baugruppen beeinträchtigen
können
und zum Auffinden von nicht einwandfreien oder vergessenen Lötverbindungen während oder
nach der Fertigung sowie im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeitsprüfungen als
Meßverfahren
für die
Störfestigkeit
gegen elektrostatische Felder eingesetzt werden. Dadurch können im
Vorfeld erhebliche Kosten durch Nachbesserungen oder infolge von
Rückrufaktionen
vermieden werden.
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In
vorteilhafter und bevorzugter Ausgestaltung wird zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ein herkömmlicher
Plattenkondensator eingesetzt, so daß die Überprüfung eines Gerätes bzw.
Bauteils auf schnelle und einfache Art und Weise auch unmittelbar
vor Ort beim Kunden durchgeführt
werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsform
beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine
schematische Seitenansicht der in 1 dargestellten
Ausführungsform
und
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3 eine
Prinzipskizze der Wirkweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Nachfolgend
wird auf die 1 und 2 Bezug genommen, welche
beispielhaft eine besonders einfache Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
darstellen. Das zu prüfende
Gerät ist
in diesem Ausführungsbeispiel
ein handelsübliches
Telefon, bei welchem ein Telefonhörer 1 über eine
Telefonhörerschnur
mit der dazu gehörigen
Ablageschale 2 verbunden ist, die wiederum über eine
Telefonanschlußschnur
mit einer TAE-Dose 3 verbunden ist. Der Telefonhörer 1 ist,
wie insbesondere bei 2 zu sehen, zwischen zwei elektrisch
leitfähige
Platten 4 und 5 angeordnet. Bei der in den 1 und 2 dargestellten
Anordnung sind zwischen der oberen und unteren Platte 4 bzw. 5 elektrische
Isolatoren 6 angeordnet, die die beiden Platten 4 und 5 in
einem vorbestimmten Abstand zueinander halten, ohne diese elektrisch
miteinander zu verbinden. Die untere Platte 5 ist mit Schutzerde verbunden.
Ein einstellbares Gleichspannungsnetzgerät 7, das eine Hochspannung
von beispielsweise 7 kV liefern kann, ist mit der positiver Anschlußklemme
an der oberen Platte 4 und mit der negativen Anschlußklemme
an der unteren Platte 5 angeschlossen. Es sei darauf hingewiesen,
daß die
Polarität
der Platten 4 und 5 nicht vorgeschrieben, sondern
frei wählbar
ist. Ferner ist ein Meßgerät 8 mit
dem Spannungsgerät 7 über die
Anschlußklemme
elektrisch verbunden.
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Der
Abstand zwischen den beiden Platten 4 und 5 bei
der in den 1 und 2 beispielhaft dargestellten
Versuchsanordnung beträgt
10 cm. Bei einem Spannungsgerät 7 mit
einer max. Ausgangsspannung von 7 kV kann somit eine max. Feldstärke von
70 kV/m erzeugt werden. Aufgrund der relativ großen Fläche der oberen Platte 4 von
ungefähr
50 auf 50 cm wurde diese bei der experimentellen Versuchsdurchführung zusätzlich mit
nicht dargestellten Berührungsschutz
aufgebaut, wobei die eigentliche metallische Platte beidseitig mit
einer PVC-Isolierung beschichtet wurde. Bei der oberen Platte 4 kann
es sich beispielsweise um eine 2 mm dicke Aluminiumplatte und bei
der unteren Platte 5 um eine 1 mm dicke Kupferplatte handeln.
Die untere Platte 5 dient als Auflagefläche für das zu prüfende Objekt 1 und kann
größe als die
obere Platte 4 bemessen sein. Auch wenn mit der dargestellten
Anordnung bzw. des dargestellten Aufbaus eines Plattenkondensators
nur kleine Objekte, wie beispielsweise das Telefon 1 geprüft werden
können,
können
bei entsprechender Vergrößerung des
Abstandes der Platten 4 und 5 zueinander auch
größere Objekte
geprüft
werden. Die an den Platten 4 und 5 anliegende
Spannung ist hierfür
entsprechend zu erhöhen,
um die für
eine Prüfung vorbestimmten
Feldstärken
zu erzeugen.
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Nachfolgend
wird auf 3 Bezug genommen, welche die
Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
schematisch darstellt. Nach Erzeugung eines elektrostatischen Feldes
zwischen den beiden Platten 4 und 5 liegt zwischen
diesen eine Spannung Uc an, wobei infolge der Polarität der beiden
Platten 4 und 5 die durch die Pfeile 9 angedeuteten
Feldlinien von der oberen Platte 4 zur unteren Platte 5 verlaufen.
Umfaßt
das zu prüfende
Gerät eine
offene Verbindung, stellt diese eine kleine mit der Linie 10 angedeutete
Fläche
dar (stark vergrößert dargestellt),
die gegenüber
dem Bezugspotential 11, welches beispielsweise durch einen
mit der unteren Platte 5 elektrisch verbundener benachbarter
Pin gebildet werden kann, eine kleine Kapazität ausbildet. Das zwischen den
Platten 4 und 5 aufgebaute elektrostatischen Feld
bewirkt, daß das
Potential an dem Pin 10 steigt und dadurch eine Spannung
Ue zwischen dem Pin 10 und der Bezugsfläche 11 erzeugt wird.
Erreicht die Spannung Ue einen schaltungstechnisch vorbestimmten
Schaltpegel, wird ein entsprechender Ausgang des Bauteils in einen
nicht gewünschten
Zustand geschaltet.
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Sind
vor dem Prüfen
des Bauteils 1 die Zustände
vorbestimmter Ausgänge
erfaßt
und protokolliert worden und werden bei oder nach Durchführung des
Verfahrens wiederum die Zustände
der gleichen Ausgänge
erfaßt
und protokolliert, kann durch Vergleichen der hierbei jeweils gewonnenen
Ergebnisse eine unerwünschte
offene Verbindung erkannt und und behoben werden. Es sei darauf
hingewiesen, daß es
sich bei den zu erfassenden Zuständen
um Spannungen und/oder Ströme
als auch um ein einfaches akustisches oder visuelles Wahrnehmen
handeln kann, und zwar in Abhängigkeit
von dem prüfenden
Gerätes
und der Wirkung des geschalteten Zustandes.