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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion von durch
Unterbrechungen charakterisierbare Fehlstellen in Leitbahnnetzwerken.
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Stand der Technik
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Zur
Qualitätssicherung mikroelektronischer Leiterplattenstrukturen,
Schaltkreise oder Bauteile sind eine Vielzahl auf das jeweilige
Produkt speziell abgestimmte Überprüfungsverfahren
bekannt, mit denen in ökonomischer Verfahrensweise Ausschussteile
aus einer Produktionsreihe ausgesondert werden können.
Um die Qualität und letztlich auch die Ausbeute der Herstellungsprozesse
kontinuierlich zu steigern liegt ein besonderes Interesse darin,
nach den Ursachen für das Auftreten von Ausschussteilen zu
suchen, bei denen ein elektrisches Fehlverhalten festgestellt worden
ist. Auch hierbei gilt es, eine diesbezügliche Ausfallanalyse
zuverlässig und möglichst zeiteffizient durchzuführen,
wobei möglicherweise vorhandene funktionsstörende
Einzeldefekte innerhalb der Leitbahnnetzwerke zu lokalisieren sind.
Derartige Einzeldefekte können Leitbahnkurzschlüsse, hochohmige
oder unterbrochene Kontaktierungen, Isolationsdurchbrüche,
Dotierfehler etc. sein. Grundsätzlich lassen sich funktionsrelevante
Defektarten in zwei Hauptklassen einteilen, nämlich sogenannte stromführende
Defekte, die sich zumeist durch einen lokal erhöhten Übergangswiderstand
längs einem Leitbahnnetzwerk auszeichnen, der im elektrischen Betrieb
zu einer lokal erhöhten Licht- und/oder Wärmeemission
führt, sowie die sogenannten Leitbahnunterbrechungen. Stehen
für die Defekterkennung der ersten Hauptgruppe eine ganze
Reihe an sich bekannter Detektionsverfahren zur Verfügung,
so beispielsweise die Emissionsmikroskopie, Flüssigkristallthermographie,
die Lock-In-Thermographie oder letztlich das sogenannte OBIC-Verfahren
(Optical Beam Induced Current), so stehen demgegenüber für
die Detektion von Leitbahnunterbrechungen keine oder nur in einem
sehr eingeschränkten Umfang vorhandene Lokalisierungsverfahren
zur Verfügung. Eine der wenigen Möglichkeiten
besteht darin, fehlerbehaftete Leitbahnnetzwerke mittels Potential
kontrastanalyse im Rasterelektronenmikroskop oder in einer fokussierenden
Ionenstrahl-Anlage anhand des Sekundärelektronenbildes
zu untersuchen. Es bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung
festzustellen, dass es sich bei derartigen Praktiken um teuere und
zeitintensive Verfahrenstechniken handelt. Zudem gilt es bei derartigen
Verfahren der Fehleranalyse die Leitbahnnetzwerke wenigstens einseitig offenzulegen,
so dass bei der Untersuchung komplexer Chip-Verdrahtungen, die in
der Regel mit einer Gussmasse verkapselt sind, ein beträchtlicher
Arbeitsaufwand bereits darin besteht, die Vergussmasse vorsichtig
vom Chip abzutragen ohne dabei das Leitbahnnetzwerk zu verletzen.
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Eine
weitere, im Vergleich zur vorstehend erwähnten Vorgehensweise
etwas weniger aufwendigere Analysetechnik besteht in der hochfrequenten, elektrischen
Anregung von Leitbahnnetzwerken mit durch Unterbrechungen charakterisierten
Fehlstellen. Hierbei werden HF-Signale in die Leitbahnnetzwerke
eingekoppelt, die zumindest teilweise an den Leitbahnunterbrechungen
reflektiert werden, so dass es möglich ist, durch Auswertung
der Signallaufzeiten auf die Länge des Leitpfades bis hin
zur Fehlstelle zu schließen. Unter Verwendung derzeit verfügbarer
GHz-Messtechniken lassen sich auf diese Weise Fehlstellenzuordnungsgenauigkeiten
in der Größenordnung von einigen 100 μm
erreichen. Ein derartiges, auf dem sogenannten TDR-Prinzip (Time
Domain Refectometrie) beruhendes Messprinzip ist Gegenstand der
US 2006 01233305 A1 ,
aus der ein Verfahren zum Testen von Leitbahnnetzwerken in Form integrierter
Schaltkreise (ICs) hervorgeht. Hierzu ist auf dem zu untersuchenden
IC-Chip und der darin enthaltenen zu untersuchenden integrierten
Schaltungstopologie eine entsprechende Prüfschaltung zur
Durchführung des TDR-Verfahrens integriert.
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Aus
einer weiteren Publikation, der
WO 03073113 A1 , ist ein TDR-Prüfverfahren
zur Untersuchung von Leitungen in Rechnernetzwerken beschrieben.
Gleichsam auf dem TDR-Messprinzip beruhend, ist in der
US 2002 089335 A1 ein
Testverfahren zur Untersuchung von auf Leiterplattenebene vorhandenen
elektrischen Verbindungen beschrieben, die durch Vorsehen einer
auf der Leiterplatte integrierten TDR-Messschaltung in kürzester
Zeit überprüfbar sind.
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Allen,
auf dem TDR-Messprinzip beruhenden Ausfallanalysetechniken haftet
das Problem an, dass an Fehlstellen mit Leitbahnunterbrechungen keine
vollständigen Signalreflexionen, sondern lediglich Teilreflexionen
stattfinden, die insbesondere bei inhomogenen Leitbahnimpedanzen
zu Fehldeutungen der erfassten Messsignale führen oder
zumindest eine exakte Lokalisierung der Fehlstellen erschweren.
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Ein
anderer Ansatz zur Inspektion von Leitbahnnetzwerken ist der
DE 10 2005 022 884
A1 zu entnehmen, bei der eine Elektrodenanordnung kontaktfrei über
das zu untersuchende Leitbahnnetzwerk positioniert wird und durch
Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrischer Stromfluss
in einem Teilbereich des zu untersuchenden Leitbahnnetzwerkes generiert
wird, der zu einem lokalen Spannungszustand führt, der
wiederum die Detektion von etwaig vorhandenen Kurzschlüssen,
Einschnürungen oder Leitungsbrüchen ermöglicht.
Ein ähnliches Messprinzip geht aus der
DE 699 23 107 T2 hervor,
die eine Zeitbereichsreflektometrie-Prüfanordnung für
eine zweidimensionale Sonde beschreibt, bei der die zu untersuchende
Leiterplattenebene auf einem xy-Stelltisch aufliegt, wobei das Leitbahnnetzwerk mit
Hilfe zweier elektrischer Kontaktstifte lokal untersucht wird.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Detektion
von durch Unterbrechungen charakterisierbare Fehlstellen in Leitbahnnetzwerken derart
weiterzubilden, dass ein möglichst geringer verfahrenstechnischer
Aufwand nötig sein soll, um Fehlstellen in Form von Unterbrechungen
längs der Leitbahnnetzwerken sicher und mit exakter Ortsauflösung
detektieren zu können.
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Die
Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist
im Anspruch 1 angegeben. Das lösungsgemäße
Verfahren vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der
Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere
unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
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Das
lösungsgemäße Verfahren zur Detektion
von durch Unterbrechungen charakterisierbaren Fehlstellen in Leitbahnnetzwerken
zeichnet sich dadurch aus, dass in das zu untersuchende Leitbahnnetzwerk
ein elektrischer Energieeintrag derart vorgenommen wird, dass sich
an wenigstens einer Fehlstelle ein lokaler Temperaturgradient ausbildet,
der sensorisch erfasst wird.
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Der
elektrische Energieeintrag erfolgt in vorteilhafter Weise im Wege
eines in das Leitbahnnetzwerk eingeprägten elektrischen
Stromflusses, vorzugsweise in Form eines Stromimpulses, der aufgrund
der sich an der Unterbrechung einstellenden elektrischen Hochspannungsverhältnisse
zu einem lokalen Entladungsvorgang im Bereich der Fehlstelle führt,
d. h. es erfolgt ein elektrischer Funkenüberschlag zwischen
den beiden sich gegenüberstehenden Leitbahnenden im Bereich
der Fehlstelle, der zu einer lokalen Temperaturerhöhung
und einem damit verbundenen, lokalen Temperaturgradienten innerhalb
des Bereichs der Fehlstelle führt. Mit Hilfe lichtoptischer
und/oder thermographischer Verfahren ist es möglich, den
sich kurzzeitig ausbildenden Temperaturgradienten ortsaufgelöst
zu erfassen.
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In
besonders vorteilhafter Weise gilt es darauf zu achten, den elektrischen
Energieeintrag in Form eines Stromimpulses derart zu wählen,
so dass einerseits eine sich zuverlässig zwischen den beiden Leitbahnenden
an der Fehlstelle ausbildende Entladung und eine damit einhergehende
thermische Gradientenbildung einstellt, andererseits jedoch das
Leitbahnnetzwerk und möglicherweise in das Leitbahnnetzwerk
integrierte elektrische Funktionselemente durch die Entladung nicht
in Mitleidenschaft gezogen werden. Überdies sollte die
Wahl der Stromstärke sowie auch die zeitliche Dimensionierung
des Stromimpulses in Abhängigkeit der üblicherweise
auftretenden Fehlstellen gewählt werden, so dass die Fehlstelle
und insbesondere die sich im Bereich der Fehlstelle unmittelbar
gegenüberliegenden Leitbahnenden in Bezug auf Form, Größe,
Abstand nicht beeinträchtigt werden.
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Die
häufigste Ursache von Leitbahnunterbrechungen sind Risse,
die sich im Leitbahnsubstrat, Chip oder in einer entsprechenden
Vergussmasse, in der das jeweilige Leitbahnnetzwerk enthalten ist, ausbilden
und typischerweise Rissabstände in der Größenordnung
von wenigen μm und darunter aufweisen. Um Risslokalisierungen
mit einer Ortsauflösung von wenigen μm realisieren
zu können, bietet es sich an, die thermischen und/oder
lichtoptischen Detektionsverfahren im Wege eines Lock-In-Verfahrens
aufzunehmen, beispielsweise indem die zur Verfügung stehenden
Techniken zur thermischen oder lichtoptischen Detektion auf Grundlage
des elektrischen Energieeintrages getriggert betrieben werden. In
besonders vorteilhafter Weise bietet sich für die thermographische
Detektion von Fehlstellen die IR-Thermographie, die auf Flüssigkristall
beruhende Thermographie, d. h. LC-Thermographie FMI (Flourescent
Microthermal Imaging) oder die Lichtemissionsmikroskopie an.
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Das
lösungsgemäße Verfahren bedient sich somit
Techniken, die bei der eingangs beschriebenen Detektion von auf
stromführenden Defekten beruhenden Fehlstellen an Leitbahnnetzwerken
bereits eingesetzt werden, zumal sich derartige Fehlstellen durch
lokal erhöhte Übergangswiderstände und
die damit verbundene Ausbildung lokaler Temperaturgradienten auszeichnen.
Das lösungsgemäße Verfahren schafft bei
der Detektion von Leitbahnunterbrechungen die Voraussetzung für
eine äquivalente Anwendbarkeit derartiger thermographischer und/oder
lichtoptischer Detektionstechniken, indem am Ort der Fehlstelle
eine eingeprägte Erwärmung in Form einer künstlich
herbeigeführten, elektrischen Entladung geschaffen wird.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 Prinzipdarstellung
zur Ausbildung einer elektrischen Entladung am Ort einer Leitbahnunterbrechung,
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2 Darstellung
zur Detektion und Lokalisierung eines durch eine elektrische Entladung
am Ort einer Fehlstelle herbeigeführten Temperaturgradienten
sowie
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3 bevorzugtes
Ausführungsbeispiel zur Detektion und Lokalisierung einer
Fehlstelle mittels Lock-In-Verfahren.
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Wege zur Ausführung der Erfindung,
gewerbliche Verwendbarkeit
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In 1 ist
eine stark schematisiert dargestellte Leitbahn L dargestellt, bei
der angenommen sei, dass sie im Bereich 2, der mit einer
strichlierten Linie umfasst ist, eine lokale Fehlstelle in Form
einer Unterbrechung aufweist. Die Unterbrechung zeichnet sich durch
zwei durch einen Spalt voneinander getrennte Leitbahnenden aus,
wobei die Spaltbreite durchaus einige hundert Mikrometer und darunter
bis hinab in den Submikrometerbereich betragen kann. Zur Einprägung
eines elektrischen Stromes ist eine Stromquelle 1 vorgesehen,
die mit dem Leitbahnnetzwerk L verbunden ist und über eine
entsprechend hohe Quellenspannung verfügt, um an der elektrisch
offenen Fehlerstelle 2 eine elektrische Entladung zu erzeugen.
Die elektrische Entladung ist zumeist mit einem Lichtblitz verbunden,
durch den Lichtquanten hv emittiert werden, die mit einem entsprechend
optischen Lichtdetektor (nicht in 1 dargestellt),
detektierbar sind. Bei der Einprägung des elektrischen
Stromimpulses mit Hilfe der Stromquelle 1 in das Leitbahnnetzwerk
L ist darauf zu achten, dass der bei Beginn der Entladung stoßartig
einsetzende Stromfluss schnell auf eine sehr geringe Stromstärke
begrenzt wird, um Schädigungen einerseits an der zu analysierenden
Fehlerstelle 2 und andererseits Schädigungen an
möglicherweise weiteren in dem Leitbahnnetzwerk enthaltenen
elektrischen Bauteilen zu vermeiden.
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Die
sich aus dem lokalen Spannungsabfall und dem fließenden
Strom am Ort der Fehlstelle ergebende Verlustleistung sorgt neben
der Entladungserscheinung zu einer lokalen Erwärmung am
Ort der Leitbahnunterbrechung 2, die mittels bekannter
thermischer bzw. lichtoptischer Verfahren detektiert werden kann.
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In 2 ist
hierzu ein Messaufbau zur thermographischen oder lichtoptischen
Fehlerlokalisierung dargestellt, der ein thermographisches oder
optisches System 3 vorsieht, das ortsauflösend
die im Bereich der Fehlstelle 2 sich kurzzeitig einstellende, lokale
Temperaturerhöhung in Form eines detektierbaren lokal begrenzten
Temperaturgradienten zu detektieren vermag. So eignet sich als thermographisches
oder optisches System 3 ein IR-Thermograph, ein LC-Thermograph
oder ein Lichtemissionsmikroskop.
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Zur
Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit wird gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 3 die vorstehend
beschriebene thermographische und/oder optische Messung mittels
Lock-In-unterstützten Verfahren durchgeführt.
Hierbei wir die in 3 dargestellte Infrarot-Kamera 3 mit
Blickrichtung auf die zu untersuchende Leitbahnstruktur L und insbesondere
in dem Bereich der Fehlstelle 2 durch die Stromquelle 1 getriggert
betrieben. Hierzu weist die Stromquelle 1 einen Triggereingang
auf, der mit dem Referenztakt eines Mess-PC's 4 gespeist
wird. Die Infrarotkamera 3 nimmt abhängig vom Lock-In-Takt
Einzelbilder der Fehlstelle 2 auf. Im Mess-PC 4 werden
die seitens der Infrarotkamera 3 gelieferten Aufnahmen
mittels einer entsprechenden Auswertesoftware verarbeitet und an
einer Ausgabeeinheit zur weiteren Analyse und Bewertung entsprechend
graphisch dargestellt.
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- 1
- Stromquelle
- L
- Leitbahnnetzwerk
- 2
- Fehlstelle
- 3
- thermographische/lichtoptische
Kamera
- 4
- Mess-PC
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 200601233305
A1 [0003]
- - WO 03073113 A1 [0004]
- - US 2002089335 A1 [0004]
- - DE 102005022884 A1 [0006]
- - DE 69923107 T2 [0006]