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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Mit elektrischen oder elektronischen Bauelementen bestückte Platinen, die auch als elektrische Leiterplatten oder gedruckte Schaltungen bezeichnet werden, sind elementare Bestandteile so gut wie aller technischen Geräte, von Fernsehgeräten über Automobile und Flugzeuge bis hin zu Werkzeugmaschinen und bilden die Kernkomponenten eines jeden Computers. Von der ordnungsgemäßen Funktion einer Platine hängt stets sehr viel ab. Fehler auf der Platine müssen daher durch gründliche Tests gefunden und beseitigt werden. Zum Testen sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren bekant, die einzeln oder kombiniert angewendet werden.
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Es sind elektrische Testvorrichtungen bekannt, die die Platine elektrisch kontaktieren und mit Prüfströmen beaufschlagen. Es werden auch Funktionstests durchgeführt, bei denen die Platine im Normalbetrieb läuft und dabei überwacht wird. Spezielle Tests dienen auch nur zur Untersuchung einzelner auf der Platine angeordneter Bauelemente.
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Ergänzende Testverfahren arbeiten auch nichtelektrisch, wie z. B. optische Untersuchungen mit Videokameras, die Abweichungen von einer Gut-Platine feststellen können.
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Eine weitere wichtige Testmöglichkeit ist das gattungsgemässe thermische Testen, bei dem die Oberflächentemperaturen der Platine bestimmt werden.
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Dazu wird die Platine strombeaufschlagt, was in allen Bauelementen Wärme erzeugt. Das Temperaturmuster kann erfasst und mit dem einer Gut-Platine verglichen werden. Abweichungen, beispielsweise bei einem überlasteten Bauelement, bei fehlender Versorgung oder bei gänzlich fehlendem Bauelement können so einfach gefunden werden. Es können auch unbestückte Platinen getestet werden, bei den die stromdurchflossenen Leiterbahnen je nach Material und Geometrie unterschiedliche Temperaturen zeigen.
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Es ist bekannt, zum thermischen Testen von Platinen diese mit einer thermisch empfindlichen Digitalkamera zu fotografieren, also mit einem unmittelbar ein Bild liefernden flächigen Array thermosensitiver Sensorpixel. Allerdings sind die Empfindlichkeitswerte bei den temperaturempfindlichen Pixeln solcher flächiger Bildsensoren nicht besonders gut.
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Besser ist ein einzelner spezialisierter pyrometrischer Sensor, der handelsüblich für unterschiedliche Temperaturbereiche und mit sehr guten Empfindlichkeiten verfügbar ist. Solche pyrometrischen Sensoren werden z. B. in Fieberthermometern zur Bestimmung der Temperatur des Trommelfells eingesetzt oder zur Überwachung der Brottemperatur in einem Backofen oder auch zur Temperaturüberwachung von Stahl beim Schmieden. Wesentlich ist dabei stets das pyrometrische Messprinzip, also das Prinzip der Messung einer Oberflächentemperatur aus einem Abstand.
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Von einem pyrometrischen Sensor wird ein Betrachtungsfleck in einem Blickwinkel gesehen, der in einem Ausführungsbeispiel einen Betrachtungsfleck von 1 cm Durchmesser beim Betrachtungsabstand von 6 cm ergibt. Das erwünschte Gesamtbild der Platine muss aus einer Vielzahl von Betrachtungsflecken in einem Abtastvorgang zusammengesetzt werden.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zeigt die
GB 1 375 121 . Dort ist ein pyrometrischer Sensor im Abstand zur Platine stationär montiert. Seine Blickrichtung wird mit einem rotierenden Spiegel in eine über die Platine laufende Abtastzeile umgelenkt. Quer dazu wird die Abtastbewegung durch Transport der Platine erzeugt.
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Diese bekannte Konstruktion ermöglicht eine Flächenabtastung mit einem pyrometrischen Sensor. Nachteile bestehen allerdings durch den festen Betrachtungsabstand. Dieser führt nämlich zu einer festen, also nicht veränderbaren Auflösung. Das ist unbefriedigend, da entweder das Abtasten großer Flächen zu lange dauert oder bei kleinräumigen Strukturen die Auflösung zu grob ist.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei einem Sensor – unter einem divergierenden Blickwinkel betrachtend – die Größe des Betrachtungsflecks, also die Auflösung, vom Betrachtungsabstand abhängt. Wird eine flache Oberfläche betrachtet, so gibt es kein Problem, wohl aber bei unebenen Oberflächen, z. B. bei typischen Platinen, die mit sehr dicken Bauelementen bestückt sind und wo abwechselnd die Temperatur auf der Platine selbst oder auf einem sehr hoch liegenden Bauelement bestimmt werden soll. Dann sind durch diesen Wechsel des Betrachtungsabstandes die Auflösungen unterschiedlich, was wiederum stark stören kann. Man kann dies als ein Tiefenschärfeproblem bezeichnen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung die Probleme mit der Auflösung und der Tiefenschärfe zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist der Sensor selbst angetrieben, und zwar nicht nur zur Bildabtastung, sondern insbesondere auch hinsichtlich seines Abstandes zur Platine. Damit wird eine dreidimensionale Bewegung des Sensors ermöglicht, die vor allem dazu benutzt werden kann, unabhängig von der betrachteten Oberflächenstruktur den Betrachtungsabstand definiert einzustellen. Es können also bei beliebigen Oberflächen, auch bei sehr zerklüfteten Bestückungen der Platine, die Auflösung stets ausreichend gewählt werden und die Betrachtungsabstände stets in einem brauchbaren Bereich gehalten werden, so dass das oben erwähnte Tiefenschärfeproblem weitgehend eliminierbar ist.
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Vorteilhaft ist die Vorrichtung gemäß Anspruch 2 derart ausgebildet, dass der Sensor parallel zur Platine in zwei Richtungen bewegbar ist, die der Einfachheit halber orthogonal gelegt werden und üblicherweise mit X und Y bezeichnet sind. In einer Richtung senkrecht dazu, der Z-Richtung, erfolgt ein Höhenantrieb im Sinne einer Abstandsverstellung des Sensors gegenüber der Platine. Es ergibt sich eine einfach beherrschbare Vorrichtung, die insbesondere mit handelsüblichen Steuereinrichtungen gesteuert werden kann.
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Dabei ist vorteilhaft gemäß Anspruch 3 noch wenigstens ein Schwenkantrieb hinzugefügt. Es können auch mehrere Schwenkantriebe mit unterschiedlichen Schwenkachsen vorgesehen sein. Das ermöglicht z. B. die optimierte Ermittlung der Temperatur an einer Seitenwand einer von der Platine aufragenden Bauelementes, die von oben gesehen nur einen streifenden Einblick ermöglichen würde.
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Vorteilhaft ist der Sensor gemäß Anspruch 4 auf der Positioniereinrichtung eines Flying-Probe-Testers montiert. Flying-Probe-Tester sind zum elektrischen Testen bekannt. Ihre Positioniereinrichtungen fahren Kontaktiernadeln über der Platine hin und her und kontaktieren mit ihnen gewünschte Stellen auf der Platine. Die Positioniereinrichtung muss dazu in X-, Y- und Z-Richtung arbeiten, ist also für die vorliegenden Zwecke bestens geeignet. Dabei kann die Positioniereinrichtung auch zusätzlich noch Nadeln tragen. Das elektrische und thermische Testen kann also mit einer Testvorrichtung kombiniert erfolgen. Die
US 2001/0028254 A1 zeigt einen für die vorliegenden Zwecke geeigneten Flying-Probe-Tester.
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Vorteilhafte Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 5 bis 7 angegeben.
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Nach Anspruch 5 wird beim Abtasten der Abstand des Sensors verstellt. Damit lässt sich die Auflösung wählen.
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Nach Anspruch 6 wird zunächst im größeren Betrachtungsabstand, also mit grober Auflösung, gearbeitet, was sehr zeitsparend ist. Dann wird ausgewertet und ermittelt, ob irgendwo eine Temperaturüberschreitung besteht. In einem als auffällig erkannten Teilbereich kann dann mit geringerem Abstand, also mit hoher Auflösung, abgetastet werden, um von mehreren dort befindlichen Bauelementen das defekte erkennen zu können.
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Alternativ wird nach Anspruch 7 in einem festen Abstand zu den jeweils erfassten Flächen gearbeitet. Es ergibt sich ein Gesamtbild, das an allen Stellen die selbe hohe Auflösung hat.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch in einer einzigen 1 dargestellt, die einen Schnitt durch einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung zeigt:
Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Testvorrichtung, in der mit nicht dargestellten Halterungsmitteln eine Platine 1 zum Testen in einer festen Position gehalten ist. Die Platine 1 ist auf ihrer Oberseite mit im dargestellten Ausführungsbeispiel drei elektrischen oder elektronischen Bauelementen 2, 3 und 4 bestückt, die z. B. an Lötstellen mit nicht dargestellten Leiterbahnen auf der Platine 1 verlötet sind. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine beidseitig bestückte Platine, die auch auf der Unterseite mit weiteren Bauelementen 5 und 6 bestückt ist.
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Die Platine ist über schematisch angedeutete Leitungen 7 an eine Versorgungseinrichtung 8 angeschlossen, von der die elektrische Schaltung auf der Platine 1 mit Versorgungsspannungen, Signalen und dergleichen versorgt wird, um die Bauelemente 2 bis 6 mit elektrischer Leistung zu betreiben, die zu einer Erwärmung der Bauelemente führt.
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Im Abstand parallel zur Platine 1 ist eine Fahrebene 9 angeordnet, auf der eine Positioniereinrichtung in Form eines Schlittens 10 in Pfeilrichtung parallel zur Fahrebene 9 verfahrbar angeordnet ist. Mit nicht dargestellten Antriebsmitteln ist der Schlitten 10 nicht nur in der dargestellten X-Richtung, sondern auch senkrecht zur Zeichnungsebene in Y-Richtung parallel zur Fahrebene 9 verstellbar, kann also über jeden Ort auf der Platine 1 verfahren werden.
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Die dargestellte Positioniereinrichtung
9,
10 kann von einem handelsüblichen Flying-Probe-Tester stammen und trägt, wie üblich, in Erstreckung zur Platine
1 hin eine Testnadel
11, die in Nadelrichtung mit einem Z-Antrieb
12 verstellbar ist, welcher wiederum über einen Schwenkantrieb
13 mit dem Schlitten
10 verbunden ist. Es handelt sich hier um eine ähnliche Konstruktion wie in
US 2001/0028254 A1 dargestellt, wobei lediglich eine andere Art der Darstellung gewählt wurde.
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Mit der Spitze der Nadel 11 kann durch Verschieben des Schlittens in X- und Y-Richtung sowie durch Verstellen der Nadel 11 in Z-Richtung jeder beliebige Punkt auf der Oberfläche der Platine 1 selbst oder auf der Oberfläche z. B. des Bauelementes 2, wie in 1 dargestellt, kontaktiert und elektrisch vermessen werden. Dazu ist der Schlitten 10 über Messleitungen 14 an eine Mess- und Auswerteinrichtung 15 angeschlossen.
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Am Schlitten 10 ist auch ein pyrometrischer Sensor 16 angeordnet, der auf ähnliche Weise mit dem Schlitten 10 verbunden ist, wie die Testnadel 11, nämlich über einen Z-Antrieb 17 und einen Schwenkantrieb 18.
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Die Testnadel 11 kann auch fehlen.
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Der pyrometrische Sensor 16 ist ebenfalls über die Messleitungen 14 an die Mess- und Auswerteinrichtung 15 angeschlossen. Sein Blickwinkel ist mit den gestrichelten Begrenzungslinien 19 dargestellt. Wie aus 1 ersichtlich, kann der pyrometrische Sensor 16 durch Verfahren des Schlittens 10 in X- und Y-Richtung über jeden Punkt der Platine 1 gebracht werden und dort in beliebige Höhenstellung über diese gebracht sowie durch Schwenken des Schwenkantriebes 18 ausgerichtet werden, z. B. mit einem Kugelschwenkantrieb auch in allen Richtungen.
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In geeigneter Antriebssteuerung kann der pyrometrische Sensor 16 in X- und Y-Richtung rasterförmig die Oberflächenbereiche der Platine 1 abfahren und die jeweiligen Oberflächentemperaturen ermitteln und über die Auswerteinrichtung 15 abspeichern oder zur Anzeige bringen.
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Es sind unterschiedliche Betriebsverfahren der dargestellten Vorrichtung möglich, von denen zwei im Folgenden besonders erläutert werden:
In 1 sind einige durch Verfahren mögliche Positionen des pyrometrischen Sensors 16 gestrichelt dargestellt. In der Position 20 kann der Sensor sehr weit über der Platine 1 stehen. Folglich ist durch den großen Abstand bei gegebenem Blickwinkel der Betrachtungsfleck relativ groß. In diesem Abstand kann der Sensor über der Platine verfahren werden. Bei dieser beschränkten Auflösung kann er aber z. B. nur erkennen, dass das Bauelement 4 zu heiß ist. Es besteht nun die Möglichkeit, den Sensor in die Positionen 21 und 22 sehr dicht an die Oberfläche des Bauelementes 4 heranzufahren und dort, parallel zur Oberfläche des Bauelementes 4, zu verfahren, um nun die Oberfläche des Bauelementes 4 mit höherer Auflösung darzustellen.
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Durch Verstellen des Schwenkantriebes 18 kann der Sensor 16 seitlich blickend angeordnet werden, z. B. in den Positionen 23 und 24, in denen er die Seitenwände der Bauelemente 2 bzw. 4 abtasten kann.
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Der Sensor kann in den Positionen 25 und 26 sehr weit herunter bis in unmittelbare Nähe der Platine 1 gebracht werden, um dort z. B. das sehr niedrige Bauelement 3 oder die Oberfläche der Platine 1 selbst mit hoher Auflösung abzutasten.
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Es ist dabei möglich, in geeigneter Steuerung den Sensor 16 so über der Platine 1 zu verfahren, dass er z. B. nacheinander auf einer Abtastspur die Positionen 25, 23, 27, 26, 24, 21 und 22 annimmt, also in festem Abstand dem Oberflächenprofil folgt. Es kann somit die gesamte Oberfläche einschließlich der seitlichen Flächen der Bauelemente mit konstanter, hoher Auflösung abgetastet werden.
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Zur thermischen Abtastung der Unterseite der Platine 1 kann ein weiterer Sensor 16' unterhalb der Platine 1 angeordnet und von nicht näher erläuterten Einrichtungen angetrieben sein.
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Es kann auch eine nicht dargestellte unbestückte Platine thermisch getestet werden. Fehlerbedingte Abweichungen an den durch Stromfluss erwärmten Leiterbahnen können auf diese Weise erkannt werden.
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Wichtige Ergebnisse lassen sich auch mit dynamischen Test erhalten, bei denen Aufheiz- und Abkühlvorgänge verfolgt werden. Dabei kann z. B. die gesamte Platine oder eines der Bauelemente z. B. eine integrierte Schaltung mit einem Resetbefehl neu gestartet und bei den daraus resultierenden thermischen Veränderungen beobachtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 1375121 [0010]
- US 2001/0028254 A1 [0018, 0026]
