DE10240143B4

DE10240143B4 - Prüfung und Detektion potentialführender Teile und Leiterzüge mittels eines Foliensensors auf der Basis von Streukapazitätsmessungen

Info

Publication number: DE10240143B4
Application number: DE2002140143
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr. Naundorf; Gernot Schimetta; Max Zellner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2022-08-31
Also published as: DE10240143A1

Abstract

Vorrichtung zum Prüfen eines Bauelements (9), mit
– einer Vielzahl von Streufeldelementen (51, 71), die für eine ortsaufgelöste Messung angeordnet sind, zum Erzeugen und/oder Messen eines Streufeldes an und/oder in dem Bauelement (9),
– Mitteln zum Detektieren eines Fehlers des elektrischen Bauelements (9) aufgrund des gemessenen Streufeldes, wobei die Vorrichtung und ihre Vielzahl von Streufeldelementen (51, 71) gebildet sind mit
– einer Basisschicht (3) aus einem elektrisch isolierenden Material,
– mehreren auf der Basisschicht (3) angeordneten ersten Leiterbahnen (5),
– einer auf die Basisschicht (3) und die ersten Leiterbahnen (5) aufgebrachten ersten Isolationsschicht (6) aus einem elektrisch isolierenden Material,
– mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten ersten Elektroden (51), die über Durchkontaktierungen mit zugeordneten darunter liegenden ersten Leiterbahnen (5) elektrisch leitend verbunden sind,
– mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten und die ersten Leiterbahnen (5) kreuzenden zweiten Leiterbahnen (7),...

Description

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.

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.

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.

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.

Aus GB 2143954 A ist eine Vorrichtung zum Prüfen eines Bauelements bekannt, die eine für eine ortsaufgelöste Messung angeordnete Vielzahl von Streufeldelementen aufweist.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe in der Entwicklung einer wirtschaftlichen und zuverlässigen Vorrichtung mit hoher Ortsauflösung.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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.

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.

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.

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.

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.

Zur Kontaktierung der Vielzahl von Streufeldelementen weist die Vorrichtung insbesondere sich in zumindest zwei Ebenen überkreuzende Leiterbahnen auf.

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.

Zum vorgenannten Zweck kann die Vorrichtung über Mittel zum Ansaugen der Folie an das elektrische Bauelement verfügen.

Ein Verfahren zum Prüfen eines elektrischen Bauelementes ist analog zur Vorrichtung zum Prüfen eines elektrischen Bauelementes realisierbar. Dies gilt auch für bevorzugte Weiterbildungen.

Weitere wesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Dabei zeigt

1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Prüfen eines elektrischen Bauelements,

2 ein Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten Vorrichtung;

3 einen Schnitt gemäß der Linien III-III in 1 und

4 das Messprinzip der in 1 dargestellten Vorrichtung.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Vorrichtung zum Prüfen eines Bauelements (9), mit – einer Vielzahl von Streufeldelementen (51, 71), die für eine ortsaufgelöste Messung angeordnet sind, zum Erzeugen und/oder Messen eines Streufeldes an und/oder in dem Bauelement (9), – Mitteln zum Detektieren eines Fehlers des elektrischen Bauelements (9) aufgrund des gemessenen Streufeldes, wobei die Vorrichtung und ihre Vielzahl von Streufeldelementen (51, 71) gebildet sind mit – einer Basisschicht (3) aus einem elektrisch isolierenden Material, – mehreren auf der Basisschicht (3) angeordneten ersten Leiterbahnen (5), – einer auf die Basisschicht (3) und die ersten Leiterbahnen (5) aufgebrachten ersten Isolationsschicht (6) aus einem elektrisch isolierenden Material, – mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten ersten Elektroden (51), die über Durchkontaktierungen mit zugeordneten darunter liegenden ersten Leiterbahnen (5) elektrisch leitend verbunden sind, – mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten und die ersten Leiterbahnen (5) kreuzenden zweiten Leiterbahnen (7), – mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten zweiten Elektroden (71), die mit zugeordneten zweiten Leiterbahnen (8) elektrisch leitend verbunden sind, – einer auf die erste Isolationsschicht (6), die ersten Elektroden (51), die zweiten Leiterbahnen (7) und die zweiten Elektroden (71) aufgebrachten zweiten Isolationsschicht (8).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (3) aus einem, insbesondere flexiblen, organischen Material besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die zweiten Elektroden (71) durch flächige Verbreiterungen der zweiten Leiterbahnen (7) gebildet sind.