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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überprüfen der Funktion von elektrischen Anschlüssen (insbesondere: der nach außen geführten Anschlüsse) eines analogen oder digitalen Schaltkreises. Insbesondere können mit diesem Verfahren gelötete Verbindungen von integrierten Schaltkreisen (nachfolgend auch als IC abgekürzt), insbesondere von hochpoligen ICs, unter Ausnutzen der Schutzschaltung des Schaltkreises bzw. des ICs gegen elektrostatische Entladungen (nachfolgend als ESD-Schutzschaltung abgekürzt) elektrisch charakterisiert werden.
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An elektronische Produkte werden zum Teil sehr hohe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt, insbesondere im Automotive-, Medizin- und im Luft- und Raumfahrtsektor. Zum Nachweis der Zuverlässigkeit besonders der Packages und deren Lötverbindungen haben sich Experimente zur beschleunigten Alterung durchgesetzt (beispielsweise Temperaturwechselzyklen, thermische Auslagerungen, Schwingungsbelastungen). Um den Ausfall einer Lötstelle während solcher Experimente zu detektieren, werden sogenannte Daisy-Chain-Schaltungen verwendet, bei denen die elektrischen Kontakte der zu prüfenden Struktur bzw. Schaltung in Reihe geschaltet werden und bei denen der Stromfluss permanent überwacht wird. Nach einem detektierten Ausfall wird dann die Schadstelle weitergehend, mit zerstörungsfreien (z. B. Röntgendiagnostik) oder auch mit zerstörenden (z. B. Schlifferstellung) Prüfverfahren untersucht. Für diese Untersuchungen sind gerade im Bereich der integrierten Schaltkreise mit vielen Anschlüssen (z. B. QFP- oder BGA-Gehäuse) bisher sogenannte Dummy-Packages mit interner Verkettung der Kontakte (Daisy-Chain, Herstellung unter Laborbedingungen) im Einsatz, um die beschriebenen elektrischen Überwachungen der Anschlüsse bzw. der Lötstellen derselben zu ermöglichen.
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Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass sich die speziellen Daisy-Chain-Schaltungen bzw. Dummy-Schaltungen, die letztendlich nicht mit den realen Schaltkreisen aus der laufenden Fertigung identisch sind, nicht wie die realen Schaltkreise aus der laufenden Fertigung verhalten. Insbesondere ist das thermomechanisches Verhalten der Daisy-Chain- bzw. Dummy-Schaltkreise anders, als dasjenige der realen Schaltkreise bzw. Schaltungen aus der laufenden Fertigung. Damit haben die vorbeschriebenen Testerfahren den Nachteil, dass sie das Verhalten der realen Schaltungen nicht korrekt oder zumindest nur teilweise korrekt wiedergeben. Ein Test realen Schaltkreistypen aus der laufenden Fertigung ist somit momentan nicht möglich.
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Aus
DE 10 2004 015 539 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit Eigenheizung bekannt, das dementsprechend erwärmt und zur Kontrolle eingesetzt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem (der) reale Schaltkreis(e) (also Schaltkreise in exakt derjenigen Form, in der sie für ihre spätere Verwendung gefertigt werden) hinsichtlich der korrekten Funktion ihrer elektrischen Anschlüsse überprüft, also elektrisch charakterisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand eines detaillierten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die im Ausführungsbeispiel in Kombination miteinander verwirklichten Merkmale müssen dabei nicht genau in der im Ausführungsbeispiel gezeigten Konfiguration realisiert werden, sondern können auch auf andere Art und Weise miteinander verknüpft sein. Insbesondere können einzelne der gezeigten Merkmale auch weggelassen werden oder mit anderen Merkmalen auf andere Art und Weise kombiniert werden. Jedes einzelne Merkmal des gezeigten Ausführungsbeispiels kann dabei bereits für sich eine Verbesserung des Standes der Technik darstellen.
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Der Begriff des elektrischen Anschlusses ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung breit gefasst: insbesondere handelt es sich um externe Anschlüsse des zu testenden analogen oder digitalen Schaltkreises, also z. B. um aus einem Gehäuse des Schaltkreises herausgeführte Anschlüsse (nachfolgend alternativ auch als PIN oder Pin bezeichnet). Zu testende Anschlüsse können jedoch auch interne elektrische Anschlüsse des Schaltkreises sein (also z. B. beliebige Leitungsstrukturen innerhalb eines Gehäuses des Schaltkreises, die auf ein korrektes elektrisches Funktionieren, insbesondere also auf eine funktionsfähige Lötverbindung, überprüft werden sollen).
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Besonders vorteilhaft lässt sich die vorliegende Erfindung jedoch für die Überprüfung der Funktion von elektrischen Anschlüssen, die aus einem Gehäuse eines analogen oder digitalen Schaltkreises heraus geführt werden (also auf die Anschlüsse eines gehausten elektrischen oder elektronischen Bauelementes wie beispielsweise eines ICs) anwenden. Dabei Isst sich die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Typen von digitalen oder analogen Schaltkreisen bzw. von elektrischen Anschlüssen derselben anwenden: auf integrierte Schaltkreise (ICs) auf Halbleiterbasis, auf Mikrocontroller, auf Analogschaltkreise, auf digitalen oder analoge I/O-PINs, ....
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Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prüfstrom (über die elektrischen Anschlüsse) mit zum Normalbetrieb des Schaltkreises umgekehrter Polarität durch den Schaltkreis zu leiten.
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Mit einem solchen Prüfstrom umgekehrter Polarität wird erfindungsgemäß die ESD-Schutzschaltung (die heutige analoge oder digitale Schaltkreise aufweisen, wobei in der Regel jeder Anschluss bzw. jeder PIN des Schaltkreises eine eigene ESD-Schutzschaltung aufweist) als Strompfad ausgenutzt. Dabei werden die im Normalbetrieb des Schaltkreises in Sperrrichtung geschalteten Dioden der ESD-Schutzschaltung(en) des Schaltkreises leitend gemacht, indem die Polarität der Anschlüsse einer externen Stromversorgungseinheit vertauscht wird. Erfindungsgemäß wird somit die in jedem modernen Schaltkreis bzw. Bauelement vorhandene ESD-Schutzschaltung als Strompfad genutzt.
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Durch den zu prüfenden Schaltkreis wird ein in der Regel vergleichsweise kleinen Prüfstrom (maximal vorzugsweise kleiner als 1 mA) mit zum Normalbetrieb umgekehrter Polarität (also Pluspol an Minuspol und Minuspol an Pluspol) geleitet. Dadurch werden die ESD-Schutzdioden an den meisten Portleitungen des Schaltkreises leitend und bei intakten Verbindungen, also bei korrektem Funktionieren der elektrischen Anschlüsse des Schaltkreises (keine Unterbrechung im Schaltkreis und auf dem Schaltungsträger) ist an den entsprechenden Leitungen bzw. PINs eine Spannung messbar.
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Diese erfindungsgemäße Vorgehensweise hat insbesondere den Vorteil, dass für die beschriebenen Zuverlässigkeits- bzw. Alterungsexperimente keine speziellen Dummy-Schaltungen verwendet werden müssen, deren Verhalten ggf. vom realen Schaltkreis abweicht, sondern reale Schaltkreise der laufenden Fertigung verwendet werden können.
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Mit der erfindungsmäßen Vorgehensweise bzw. Schaltungsanordnung sind somit Zuverlässigkeitsuntersuchungen auch an realen hochintegrierten Schaltkreisen möglich, bei denen bisher lediglich Dummy-Bauelemente mit Daisy-Chain-Verdrahtungen eingesetzt werden konnten.
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Nachfolgend wird die vorbeschriebene Inversmessung gemäß der Erfindung (Prüfstrom mit zum Normalbetrieb umgekehrter Polarität) unter Ausnutzen der ESD-Schutzschaltung von Schaltkreisen näher beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überprüfen der Funktion von elektrischen Anschlüssen (also von beliebigen elektrischen Verbindungen, insbesondere jedoch von nach Außen geführten elektrischen Anschlüssen eines analogen oder digitalen Schaltkreises, insbesondere eines integrierten Schaltkreises ICs), ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein Prüfstrom I mit zum Normalbetrieb des Schaltkreises umgekehrter Polarität durch den Schalkreis geleitet wird.
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Das Durchleiten des Prüfstroms mit umgekehrter Polarität wird wie folgt beschrieben erzielt: Ein im Normalbetrieb des Schaltkreises als Minuspol fungierender, erster elektrischer Anschluss des Schaltkreises wird auf ein erstes elektrisches Potential gelegt. Bei diesem ersten elektrischen Anschluss kann es sich insbesondere um einen GND-Anschluss oder einen VSS-Anschluss eines Schaltkreises in Form eines ICs handeln. Ein im Normalbetrieb des Schaltkreises als Pluspol fungierender, zweiter elektrischer Anschluss des Schaltkreises wird auf ein zweites elektrisches Potential gelegt. Bei diesem zweiten elektrischen Anschluss des Schaltkreises kann es sich insbesondere um einen VDD Anschluss oder Vcc-Anschluss des vorbeschriebenen ICs handeln. Schließlich wird/werden ein oder mehrere dritte(r) elektrische(r) Anschluss/Anschlüsse des Schaltkreises nacheinander (oder, je nach Schaltungskonfiguration, ggf. auch gleichzeitig) auf ein drittes elektrisches Potential gelegt. Das erste elektrische Potential und das dritte Potential sind dabei höher, als das zweite elektrische Potential.
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Wie bereits beschrieben, werden, wenn mehrere dritte Anschlüsse des Schaltkreises vorhanden sind, diese in der Regel zeitlich nacheinander auf das dritte Potential gelegt, so dass zu einem Zeitpunkt immer nur einer der dritten Anschlüsse auf dem dritten Potential liegt. Die einzelnen dritten Anschlüsse können dann nacheinander durchgeschaltet bzw. durchgetestet werden.
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Erfindungsgemäß kann zum Durchleiten des Prüfstroms der im Normalbetrieb des Schaltkreises als Minuspol fungierende, vorbeschriebene erste elektrische Anschluss des Schaltkreises (also insbesondere ein GND-Anschluss oder eine VSS-Anschluss eine ICs als Schaltkreis) über einen ersten ohmschen Widerstand R1 mit dem Pluspol einer externen Stromversorgungseinheit verbunden werden. Ebenso kann der im Normalbetrieb des Schaltkreises als Pluspol fungierender, zweite elektrische Anschluss des Schaltkreises (insbesondere ein VDD-Anschluss oder ein Vcc-Anschluss des ICs) über einen zweiten ohmschen Widerstand R2 mit dem Minuspol einer (insbesondere: der vorbeschriebenen) externen Stromversorgungseinheit verbunden werden. Auch der eine oder die mehreren dritte(n) elektrische(n) Anschluss/Anschlüsse des Schaltkreises (bei denen es sich insbesondere um die Eingangs- und/oder Ausgangsanschlüsse des ICs handeln kann) können über einen dritten ohmschen Widerstand R3 mit dem Pluspol einer (insbesondere: der vorbeschriebenen) externen Stromversorgungseinheit verbunden werden.
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Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, wenn mehrere erste und/oder zweite Anschlüsse vorhanden sind, diese zeitlich nacheinander oder ggf. auch gleichzeitig an das entsprechende Potential zu legen bzw. mit dem entsprechenden Pol einer/der externen Stromversorgungseinheit zu verbinden.
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Auf diese Art und Weise kann somit nicht nur eine Vielzahl unterschiedlicher dritter Anschlüsse (insbesondere: I/O-Anschlüsse des Schaltkreises) sondern auch eine Mehrzahl von ersten und/oder zweiten elektrischen Anschlüssen auf ihre korrekte elektrische Funktionsweise überprüft werden.
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Für den ersten, den zweiten und den/die dritten Anschluss/Anschlüsse wird vorzugsweise ein und dieselbe externe Stromversorgungseinheit (die nachfolgend alternativ auch als Spannungsquelle oder vereinfacht als Quelle bezeichnet wird) verwendet. In diesem Fall können über den jeweils zugehörigen Widerstand R1 bzw. R3 der erste unter der/die dritte(n) Anschluss/Anschlüsse an den Pluspol dieser Spannungsquelle angeschlossen werden. Der zweite Anschluss kann über den Widerstand R2 an den Minuspol dieser Spannungsquelle (der bevorzugt geerdet wird) angeschlossen werden.
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Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, mehrere Spannungsquellen einzusetzen. So kann ein erster Anschluss des Schaltkreises an den Pluspol einer ersten Spannungsquelle angeschlossen werden, wohingegen der/die dritte(n) Anschluss/Anschlüsse an den Pluspol einer zweiten Spannungsquelle angeschlossen werden kann/können. Die beiden Minuspole der beiden Spannungsquellen können sich dann auf demselben Potential befinden (und vorzugsweise geerdet sein). Der zweite Anschluss kann dann auf dasselbe Potential wie die beiden Minuspole gelegt (vorzugsweise somit ebenfalls geerdet) werden. Das Verwenden genau einer externen Spannungsquelle ist jedoch bevorzugt.
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Erfindungsgemäß kann an mindestens zwei unterschiedlichen elektrischen Anschlüssen des Schaltkreises jeweils eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Anhand dieser mindestens zwei abgegriffen Spannungen kann dann auf eine korrekte (oder auch nicht korrekte) elektrische Funktion eines der, mehrere der oder aller der vorbeschriebenen elektrischen Anschlüsse des Schaltkreises geschlossen werden. Dies kann insbesondre dadurch geschehen, dass die mindestens zwei abgegriffenen elektrischen Spannungen untereinander und/oder mit vorbestimmten Schwellwerten (die in Abhängigkeit von der konkreten Schaltungskonfiguration anhand der bei einer insgesamt korrekt funktionierenden Schaltung auftretenden Spannungs- bzw. Stromwerte und/oder der Kennwerte der einzelnen Bauelemente der Schaltung festgelegt werden können) verglichen werden.
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Insbesondere kann am dritten oder an einem der dritten elektrischen Anschluss/Anschlüsse des Schaltkreises eine erste elektrische Spannung U_a1 abgegriffen werden. Parallel dazu (also insbesondere: gleichzeitig) kann am zweiten elektrischen Anschluss des Schaltkreises eine zweite elektrische Spannung U_a2 abgegriffen werden. Durch Vergleichen dieser beiden Spannungen U_a1 und U_a2 untereinander und/oder mit den wie vorbeschrieben gesetzten Schwellwerten kann auf eine korrekte oder nicht korrekte elektrische Funktion des ersten, des zweiten und desjenigen dritten Anschlusses, an dem die Spannung U_a1 abgegriffen wird, geschlossen werden. Insbesondere kann damit überprüft werden, ob einer dieser Anschlüsse unterbrochen ist und/oder ob an einem dieser Anschlüsse eine nicht korrekt arbeitende Lötstelle vorhanden.
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Vorzugsweise wird auf Basis der beiden abgegriffen Spannungswerte U_a1 und U_a2 darauf geschlossen, welcher der vier folgenden Fälle gegeben ist:
- 1. Der erste, der zweite und derjenige dritte Anschluss, an dem die Spannung U_a1 abgegriffen wird, stellen jeweils korrekt funktionierende elektrische Verbindungen zum Schaltkreis bzw. des Schaltkreises dar. Ist dies für jeden der ggf. mehreren vorhandenen dritten elektrischen Anschlüsse (die nacheinander durchgetestet werden können) der Fall, so arbeitet die elektrische Schaltung bzw. der elektrische Schaltkreis korrekt.
- 2. Der erste elektrische Anschluss stellt keine korrekt funktionierende elektrische Verbindung zum Schaltkreis bzw. des Schaltkreise dar (ist also z. B. unterbrochen).
- 3. Der zweite elektrische Anschluss stellt keine korrekt funktionierende elektrische Verbindung zum Schaltkreis bzw. des Schaltkreises dar. Auch in diesem Fall arbeitet (wie bei 2.) der elektrische Schaltkreis nicht korrekt.
- 4. Derjenige dritte elektrische Anschluss, an dem die Spannung U_a1 abgegriffen wird, stellt keine korrekt funktionierende elektrische Verbindung zum Schaltkreis dar.
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Eine nicht korrekte Arbeitsweise eines der vorgenannten Anschlüsse kann insbesondere darauf schließen lassen, dass die entsprechende Anschlussverbindung offen ist oder dass eine Lötstelle dieser Anschlussverbindung nicht korrekt arbeitet (also z. B. eine kalte Lötstelle vorhanden ist).
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Vorzugsweise wird/werden eine, mehrere oder alle der abgegriffen elektrischen Spannung(en) gegen den Minuspol einer/der externen Stromversorgungseinheit und/oder gegen Erde (nachfolgend auch als GND bezeichnet) abgegriffen.
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Die erste elektrische Spannung U_a1 kann dabei insbesondere zwischen dem bzw. einem der dritten Anschluss/Anschlüsse und der Erdung (mit der der zweite elektrische Anschluss des Schaltkreises über den Widerstand R2 verbunden ist) abgegriffen werden. Die zweite elektrische Spannung U_a2 kann insbesondere zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss (also am Potential desselben) und der Erdung, also über dem zweiten ohmschen Widerstand R2, abgegriffen werden.
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Mehrere dritte elektrische Anschlüsse des Schaltkreises können zeitlich gesehen nacheinander durchgeprüft werden, indem nacheinander an jedem dieser mehreren dritten elektrischen Anschlüsse jeweils eine (erste) elektrische Spannung U_a1 wie vorbeschrieben abgegriffen wird.
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Insbesondere kann/können einer, mehrere oder alle der vorbeschriebenen elektrischen Anschlüsse des Schaltkreise eine Schutzschaltung gegen elektrostatische Entladungen, also eine ESB-Schutzschaltung, aufweisen. Die ESD-Schutzschaltung(en) kann/können dabei bevorzugt (jeweils) eine oder mehrere Diode(n) umfassen. Vorzugsweise sind je ESD-Schutzschaltung (wobei es vorzugsweise je drittem Anschluss genau eine solche ESD-Schutzschaltung gibt) genau zwei Dioden vorgesehen. Entsprechende ESD-Schutzschaltungen für elektrische Anschlüsse bzw. PINs sind dem Fachmann bekannt. Die Dioden unterschiedlicher Schutzschaltungen, also der ESD-Schutzschaltungen unterschiedlicher dritten elektrischer Anschlüsse (z. B. der I/O-Anschlüsse eines ICs) sind vorzugsweise parallel zueinander geschaltet.
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Bei dem zu testenden Schaltkreis kann es sich insbesondere um einen digitalen Schaltkreis in Form eines integrierten Schaltkreises (IC), insbesondere um einen hochpoligen IC handeln. Die elektrischen Anschlüsse sind dabei vorzugsweise die aus einem den IC umgebenden Gehäuse herausgeführten elektrischen Anschlüsse des ICs, also die PINs des ICs. Insbesondere sollen dabei die I/O-PINs, also die Eingangs und/oder Ausgangsanschlüsse des ICs als dritte Anschlüsse gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich ihrer korrekten elektrischen Funktion überprüft werden.
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Erfindungsgemäß kann der in Inversrichtung bzw. mit umgekehrter Polarität durch den Schaltkreis geleitete Prüfstrom kleiner als 1 mA sein.
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Erfindungsgemäß kann mittels des Prüfstroms insbesondere auf ein korrektes Funktionieren gelöteter Verbindungen und/oder Abschnitte der elektrischen Anschlüsse geprüft werden.
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Eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, kann, wie es vorstehend allgemein beschrieben wurde, ausgebildet sein.
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Dazu kann die Vorrichtung einen oder mehrere Kontaktierungsplatz/-plätze, der/die insbesondere als Steckplatz/Steckplätze ausgebildet sein kann/können, zur Aufnahme und zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines, bevorzugt mehrerer zu testenden/r elektrischen/r Schaltkreise(s) ausgebildet sein.
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Es ist desweiteren eine vorzugweise externe Stromversorgungseinheit vorzusehen. Die elektrischen Anschlüsse des/der Kontaktierungsplatzes/-plätze können dann so mit der Stromversorgungseinheit (es können auch mehrere Stromversorgungseinheiten vorgesehen sein) verbunden werden, dass nach dem Aufnehmen des/der zu testenden Schaltkreise(s) in den/die vorgesehenen Platz/Ptätze ein- oder mehrere Prüfstrom/Prüfströme mit zum Normalbetrieb des/der Schaltkreise(s) umgekehrter Polarität durch den/die Schaltkreis(e) leitbar ist/sind.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines detaillierten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Dazu zeigen:
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1a ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, also eine Vorrichtung, die zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. (Die vorliegende Erfindung ist somit insbesondere auf eine Vorrichtung in Form eines Schaltungsaufbaus, an dessen Kontaktierungsplatz/Kontaktierungsplätzen der/die zu testende(n) Schalkreis(e) aufgesteckt werden können, gerichtet.)
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1b einen gemäß 1a zu testenden digitalen Schaltkreis in Form eines ICs mit dessen aus seinem Gehäuse abführenden Anschlüssen bzw. PINs und mit deren ESD-Schutzschaltungen.
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1c das Grundprinzip bzw. den Grundaufbau der in 1a gezeigten Vorgehensweise bzw. der entsprechenden Schaltungsanordnung.
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2a die Strom- und Spannungsverhältnisse wenn der gerade getestete erste, zweite und dritte Anschluss eines zu testenden ICs aus den 1a bis 1c elektrisch vollständig funktionsfähig, also nicht unterbrochen sind.
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2b die Strom- und Spannungsverhältnisse, wenn zwar der gerade getestete dritte Anschluss und der gerade getestete erste Anschluss elektrisch funktionsfähig sind, jedoch der gerade getestete zweite Anschluss nicht korrekt funktioniert, da er in seiner elektrischen Verbindung unterbrochen ist.
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2c die Strom- und Spannungsverhältnisse im Fall eines korrekten Funktionierens des gerade getesteten dritten Anschlusses und des gerade getesteten zweiten Anschlusses, wenn der gerade getestete erste Anschluss unterbrochen ist.
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2d die Strom- und Spannungsverhältnisse, wenn zwar der erste und der zweite Anschluss elektrisch funktionsfähig sind, jedoch der gerade getestete dritte Anschluss unterbrochen ist.
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2e eine Identifizierung desjenigen Anschlusses aus dem gerade getesteten ersten, zweiten und dritten Anschlusses, der offen ist, anhand des Abgriffs zweier elektrischer Spannungen.
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3a und 3b einen erfindungsgemäßen Aufbau zum Anschließen von insgesamt acht zu testenden Schaltkreisen (3a und 3b zeigen unterschiedliche Ausschnitte dieses Aufbaus).
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3c und 3d ein Blockschaltbild des Prinzips der Datenaufnahme und -verarbeitung des in den 3a und 3b gezeigten Aufbaus (3c und 3d zeigen dabei unterschiedliche Ausschnitte).
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1a zeigt eine Vorrichtung bzw. Schaltungsanordnung zum Durchführen eines Verfahrens zum Überprüfen der Funktion der elektrischen Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises IC 2, hier des Vss-Anschlusses 1a, des VDD-Anschlusses 1b und mehrerer Eingangs und Ausgangsanschlüsse (I/O von englisch input/output) 1c-1, 1c-2 und 1c-3 des ICs 2. Der IC 2 ist dazu (hier nicht gezeigt) auf einen Steckplatz zur Aufnahme und zur elektrischen Kontaktierung des ICs einer Platine der gezeigten Schaltungsanordnung aufgesteckt. Auf dieser Platine sind nun sämtliche nachfolgend noch beschriebene elektrische Leitungen zur Verbindung mit dem IC bzw. zur Kontaktierung des ICs an dessen Anschlüssen, Dioden 7a bis 7c zur Signalentkopplung, Schalter 8a bis 8c zur Auswahl des zu testenden ICs (siehe nachfolgend), ohmsche Widerstände R1 bis R3 und Anschlussleitungen an die externe Stromversorgungseinheit 3 (Spannungsquelle) sowie auch die notwendigen Leitungen zum Abgriff der beiden Spannungssignale U_a1 und U_a2 (siehe nachfolgend) ausgebildet.
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Der Pluspol 3a der externen Stromversorgungseinheit 3 ist über einen ersten ohmschen Widerstand R1 (hier: 10k) und einen ersten Schalter 8a mit dem Vss-Anschluss 1a des ICs 2 verbunden. Ebenso ist der Minuspol 3b (der hier auf Erdpotential GND legt) der externen Stromversorgungseinheit 3 über einen zweiten ohmschen Widerstand R2 (hier: 4k7) und einen zweiten Schalter 8b mit dem VDD-Anschluss 1b des ICs 2 verbunden. Zudem ist der Pluspol 3a der externen Stromversorgungseinheit 3 über einen dritten ohmschen Widerstand R3 (hier: 470k) und einen dritten Schalter 8c mit einem der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse (in der gezeigten Stellung des dritten Schalters 8c hier mit dem Anschluss 1c-2) elektrisch verbunden.
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Die externe Stromversorgungseinheit 3 ist somit dergestalt an den IC 2 angeschlossen, dass die elektrische Polarität im Vergleich zum Normalbetrieb des ICs 2 umgekehrt ist: Der Pluspol 3a der Spannungsquelle ist mit dem Minuspol Vss 1a des ICs 2 verbunden (über den ersten Widerstand R1), der Minuspol 3b über den zweiten Widerstand R2 mit dem Pluspol VDD 1b des ICs 2. Da die einzelnen ESD-Schutzschaltungen der einzelnen I/O-Anschlüsse 1c-1 bis 1c-3 des ICs 2 bzw. die einzelnen Dioden derselben (hier nicht gezeigt, vergleiche 1b und 1c) somit in Durchlassrichtung geschaltet sind, ist es möglich, einen kleinen Prüfstrom (< 1 Milliampere) I durch den IC 2 zu leiten. Die ESD-Schutzdioden an den Portleitungen des ICs werden somit leitend und die ESD-Schutzschaltung(en) des ICs kann/können als Strompfad ausgenutzt werden.
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Die Höhe des Prüfstroms I ergibt sich hier durch die entsprechende Wahl der ohmschen Widerstände R1 bis R3, die elektrischen Kennwerte des zu testenden Bauelements (IC 2) sowie die hier eine Gleichspannung von 5 Volt liefernde externe Stromversorgungseinheit 3.
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Zum Überprüfen der korrekten Funktion der elektrischen Anschlüsse 1a, 1b und 1c des ICs 2 wird nun zunächst über dem zweiten ohmschen Widerstand R2, also zwischen Erde GND einerseits und dem VDD-Anschluss 1b des ICs 2 andererseits eine Gleichspannung (nachfolgend als zweite elektrische Spannung bezeichnet) U_a2 abgegriffen. Darüber hinaus wird eine Gleichspannung (nachfolgend auch als erste elektrische Spannung bezeichnet) U_a1 am durch die momentane Schalterstellung des dritten Schalters 8c festgelegten I/O-Anschluss (in der gezeigten Schalterstellung der Anschluss 1c-2) des ICs einerseits und dem Minuspol 3b der externen Stromversorgungseinheit 3 (bzw. der Erde GND) andererseits abgegriffen. Genauer gesagt ist der elektrische Kontakt des Pluspols 3a über den Widerstand R3 und den Schalter 8c zu dem gewählten I/O-Anschluss 1c des ICs 2 so ausgebildet, dass zwischen dem Schalter 8c einerseits und dem I/O-Ausgang des ICs andererseits eine Diode 7 zur Signalentkopplung ausgebildet ist. Diese Dioden 7a, 7b, 7c sind so in die einzelnen Mess-Verbindungsleitungen zu den I/O-Anschlüssen 1c-1 bis 1c-3 des ICs 2 geschaltet, dass ein Stromfluss vom Pluspol 3a in den zu testenden IC 2 ermöglicht ist. Der Spannungsabgriff für die erste Messspannung U_a1 am gewählten I/O-Anschluss 1c erfolgt dann zwischen dem dritten Schalter 8c einerseits und dem dritten ohmschen Widerstand R3 andererseits, also zwischen der jeweiligen Diode zur Signalentkopplung 7 und dem ohmschen Widerstand R3.
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Wie 1a zeigt, können mit der Schaltungsanordnung nacheinander zwei unterschiedliche ICs, nämlich der bereits beschriebene IC 2 und ein weiterer IC 2' hinsichtlich ihrer elektrischen Anschlüsse überprüft werden. Welcher der beiden ICs, also welche Anschlüsse 1a, 1b und 1c gerade geprüft wird/werden, wird durch die Schalterstellungen der drei Schalter 8a bis 8c definiert: Mit den ersten beiden Schaltern 8a und 8b wird die externe Stromversorgungseinheit 3 entweder auf den IC 2 oder auf den IC 2' geschaltet, mit dem dritten Schalter 8c wird dann derjenige I/O-Anschluss 1c ausgewählt (hier: Anschluss 1c-2), der an diesem IC überprüft werden soll. (Der im Falle der Überprüfung des ICs 2' fließende Prüfstrom ist hier mit I' bezeichnet. Auch die anderen, für den Test am IC 2 vorgesehenen Elemente der Schaltungsanordnung tragen die entsprechenden, jedoch apostrophierten Bezugszeichen.)
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1b zeigt den zu prüfenden Test-IC 2 aus 1a in einem Detailausschnitt. Gezeigt ist hier das Gehäuse 5 des ICs 2, aus dem der erste elektrische Anschluss Vss 1a, der im Normalbetrieb als Minuspol des ICs 2 gedacht ist, hier jedoch an ein positives Potential angelegt wird, sowie der zweite elektrischen Anschluss VDD 1b des ICs 2, der im Normalbetrieb als Pluspol des ICs 2 dient, an den hier jedoch ein (im Vergleich zum ersten Anschluss 1a) niedrigeres elektrisches Potential angelegt wird, herausgeführt sind. Beim ersten Anschluss 1a kann es sich auch um einen VSS-Anschluss handeln. (In der gezeigten Schaltung liegen alle VDD-Pins bzw. alle Vss-Pins jeweils auf demselben Potential und können daher jeweils als ein Pin behandelt werden. Es wäre jedoch auch möglich, sie einzeln zu prüfen.)
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Auch die ebenso wie die PINs des VDD-Anschlusses 1b und des Vss-Anschlusses 1a aus dem Gehäuse 5 herausgeführten einzelnen I/O-Anschlüsse bzw. PINs 1c-1, 1c-2, ... des ICs 2 sind hier gezeigt.
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Wie 1b weiter darstellt, umfasst jeder einzelne der I/O-Anschlüsse 1c jeweils genau eine ESD-Schutzschaltung, die aus genau zwei Dioden besteht (die hier beispielhaft bei einem der gezeigten I/O-Anschlüsse mit 4a und 4b und beim benachbarten I/O-Anschluss mit 4a' und 4b' bezeichnet sind). Die beiden Dioden 4a, 4b (bzw. 4a', 4b') eines einzelnen I/O-Anschlusses 1c sind dabei hintereinander geschaltet und, vom Vss-Anschluss 1a in Richtung zum VDD-Anschluss 1b gesehen in Durchlassrichtung geschaltet. Die Diodenpaare 4a (), 4b (') der einzelnen I/O-Anschlüsse 1c-1, 1c-2, ... sind dabei jeweils parallel zueinander geschaltet. Die elektrische Verbindung zu den aus dem Gehäuse 5 herausgeführten I/O-Anschlüssen bzw. PINs 1c erfolgt dabei jeweils zwischen den beiden Dioden der ESD-Schutzschaltung des jeweiligen I/O-Anschlusses.
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1c zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Schaltungsanordnung aus 1a, wobei hier lediglich der zu testende IC 2 ohne die entsprechenden Schalter 8a bis 8c und ohne den zweiten IC 2' sowie die externe Stromversorgungseinheit 3 gezeigt ist. Die Diode zur Signalentkopplung desjenigen I/O-Anschlusses des zu testenden ICs 2, die gerade über den (nicht gezeigten) dritten Schalter 8c und den Widerstand R3 mit dem Pluspol der (nicht gezeigten) Spannungsquelle 3 verbunden ist, ist hier mit dem Bezugszeichen 9 versehen (entspricht also z. B. der Diode 7b in 1a).
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Da der zur Spannungsversorgung des ersten elektrischen Anschlusses 1a dienende Leitungsabschnitt an seiner dem Test IC 2 abgewandten Seite des ersten ohmschen Widerstands R1 ebenso wie der der Spannungsversorgung des gerade ausgewählten I/O-Anschluss dienende Leitungsabschnitt an seiner dem Test IC abgewandten Seite des dritten ohmschen Widerstandes R3 am Pluspol 3a ein und derselben Spannungsquelle 3 angeschlossen sind, sind hier die beiden positiven Spannungen bzw. Potentiale Ucc1 und Ucc2 identisch und entsprechen dem Potential +5 V des Pluspols 3a. Der Spannungsabgriff der ersten Spannung U_a1 (der über die Diode zur Signalentkopplung 9 bzw. 7 erfolgt) am gewählten I/O-Anschluss sowie der Spannungsabgriff der zweiten elektrischen Spannung U_a2 am VDD-Anschluss bzw. am zweiten elektrischen Anschluss 1b erfolgen hier jeweils gegen Erde GND. Die erste Spannung U_a1 wird somit über der Diode zur Signalentkopplung 9, über eine der beiden Dioden (Diode 4a ()) der ESD-Schutzschaltung des gewählten I/O-Anschlusses 1c und über den zweiten Widerstand R2 gegen Erde abgegriffen. Der Abgriff der zweiten Spannung U_a2 erfolgt ausschließlich über den zweiten Widerstand R2. Wie 1c zeigt, ist zum Abgriff der ersten und der zweiten Spannung jeweils ein Operationsverstärker (Bezugszeichen 10a bzw. 10b) vorgesehen. Die Operationsverstärker 10a, 10b werden als Impedanzwandler zum hochohmigen Abgreifen der Messspannungen eingesetzt. (In die Operationsverstärker fließen nahezu keine Eingangsströme; somit werden die Messspannungen nicht durch die nachfolgenden Schaltungen beeinflusst.)
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Nachfolgend wird anhand der 2a bis 2d (die jeweils die in 1c gezeigte vereinfachte Schaltungskonfiguration aus 1a darstellen) sowie der 2e beschrieben, wie anhand der beiden abgegriffenen Spannungen U_a1 und U_a2 auf die korrekte Funktion aller drei überprüfter Anschlüsse 1a, 1b und 1c (wobei 1c denjenigen I/O-Anschluss darstellt, der über den Schalter 8c momentan zu Testzwecken ausgewählt ist) bzw. auf den Ausfall eines dieser Anschlüsse 1a, 1b, 1c geschlossen werden kann.
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2a zeigt den Fall, bei dem alle drei getesteten Anschlüsse 1a, 1b und 1c hinsichtlich ihrer elektrischen Verbindung in Ordnung sind. Es fließt dann über den Widerstand R1 sowie die am Vss-Anschluss 1a anliegende Diode 4b der ESD-Schutzschaltung des gerade am Schalter 8c anliegenden Test-PINs 1c der Strom Icc1. Über den Widerstand R3 sowie die Diode 9 fließt der Strom Icc2. Die Summe dieser beiden Ströme fließt dann über die am VDD-Anschluss 1v anliegende Diode 4a dieses Test-PINs 1c und den Widerstand R2 zur Erde ab. Nimmt man (näherungsweise) an, dass die drei Dioden 4a, 4b und 9 dieselben elektrischen Eigenschaften aufweisen, so ergibt sich für die erste Spannung U_a1 (bei angenommenem Spannungsabfall Ud über einer der Dioden) der Wert U_a1 = (Icc1 + Icc2) × R2 + 2 × Ud. Für U_a2 ergibt sich der Wert U_a2 = (Icc1 + Icc2) × R2.
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Wie 2a zeigt, liegen aufgrund der Invers-Messung bzw. der zum Normalbetrieb umgekehrten Polarität somit sämtliche Dioden 4a, 4b und 9 in Durchlassrichtung.
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2b zeigt nun denjenigen Fall, bei dem der zweite elektrische Anschluss 1b nicht korrekt funktioniert, also unterbrochen ist. Aufgrund dieser Unterbrechung ist kein Stromfluss über den Widerstand R2 hin zur Erde ermöglicht. Es ergibt sich für die erste Spannung der Wert U_a1 = Ucc2 (hier also +5 Volt, vergleiche 1a). Für die zweite Spannung U_a2 ergibt sich wegen des fehlenden Stromflusses und der Erdung über den Widerstand R2 ein Wert von 0 Volt.
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2c zeigt nun einen dritten Fall, bei dem der erste elektrische Anschluss, also der Vss-Anschluss 1a des Test-ICs 2, nicht korrekt funktioniert, bei dem also eine elektrische Unterbrechung (z. B. durch eine offene Lötstelle) an diesem PIN 1a vorliegt. Im Vergleich zu 2a ist somit nur der Stromweg Icc2 der beiden Stromwege Icc1 und Icc2 ermöglicht. Somit gilt U_a1 = Icc2 × R2 + 2 × Ud (mit Ud gleich der über die Diode 9 bzw. die Diode 4a abfallenden Spannung). Für U_a2 gilt U_a2 = Icc2 × R2, da der Strom Icc2 über den Widerstand zur Erde GND abfließt.
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2d zeigt schließlich den vierten Fall, bei dem die elektrische Verbindung am gerade getesteten I/O-Anschluss 1c des ICs 2 eröffnet ist, also unerwünscht unterbrochen ist. In diesem Fall ist der Stromflussweg Icc1 über den Widerstand R1, die beiden Dioden 4a und 4b der ESD-Schutzschaltung des Test-PINs 1c sowie über den Widerstand R2 ermöglicht, der Stromweg Icc2 über den Widerstand R3 und die Diode 9 jedoch unterbrochen. Somit ergibt sich U_a1 = Ucc2 und U_a2 = Icc1 × R2.
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Wie 2e in Zusammenfassung der einzelnen Strom- und Spannungswerte der vier in den 2a bis 2d gezeigten Fälle zeigt, ergibt sich somit je nachdem welcher der vier Fälle vorliegt, eine unterschiedliche Kombination der beiden Spannungswerte U_a1 (hier abgekürzt als U1 bezeichnet; IC 2 bzw. IC 2' bezeichnet dann, welcher der beiden ICs aus 1a gerade getestet wird) und U_a2 (hier abgekürzt als U2 bezeichnet). Durch Bewertung der bei den Spannungswerte, also z. B. durch Vergleich dieser beiden Werte untereinander und/oder durch Vergleich jedes der beiden Werte mit einem vorbestimmten Schwellwert (was programmgesteuert automatisch erfolgen kann) ist es somit möglich zu entscheiden, welcher der vier in den 2a bis 2d gezeigten Fälle vorliegt. Die Schwellwerte anhand derer entschieden werden kann, oh eine der Anschlussverbindungen korrekt funktioniert oder offen ist (also nicht korrekt funktioniert) können anhand der elektrischen Eigenschaften der einzelnen verwendeten Bauelemente R1 bis R3, 2 (insbesondere: 4a, 4b), 9, 10a, 10b, 8a bis 8c und 3 bestimmt werden. Insbesondere fließen hier z. B. auch die Durchbruchsspannungen der Dioden 4a, 4b und 9 mit ein, die aus entsprechenden Datenblättern (oder auch mittels Kalibriermessungen) bestimmt werden können. (In der Regel sind die entsprechenden Werte für alle Dioden der Schutzschaltungen gleich und vorbekannt.)
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Wie 2e in der drittletzten und zweitletzten eile zeigt, lässt sich derjenige Fall, dass sowohl der Vss-Anschluss als auch der VDD-Anschluss offen ist, nicht von dem Fall unterscheiden, bei dem nur der VDD-Anschluss offen ist. Mit der hier gezeigten Schaltung können also die vier wichtigsten Fälle unterschieden werden:
- 1.) Alle Verbindungen in Ordnung.
- 2.) Positive Betriebsspannung offen.
- 3.) I/O offen.
- 4.) Alle übrigen Fehler (z. B. negative Betriebsspannung offen, mehr als eine Verbindung offen, ...).
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Da bei Alterungstests jedoch entscheidend ist, wann (nach korrekter Funktionsweise aller Anschüsse zu Beginn) der erste Anschluss seine korrekte Funktionsfähigkeit verliert bzw. die Wahrscheinlichkeit, dass zwei der Anschlüsse gleichzeitig ausfallen, vernachlässigbar gering ist, ist eine solche Unterscheidung in der Regel nicht notwendig.
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3a und 3b zeigen jeweils Ausschnitte eines Testboards mit acht Prüflingen, also mit acht einzelnen zu testenden ICs IC1 bis IC8, wobei jeder der ICs IC1 bis IC8 jeweils an einem Steckplatz 6a bis 6h des Testboards zur elektrischen Stromversorgung (über den Stromversorgungsbus) und zum Abgriff der entsprechenden Spannungssignale U_a1 und U_a2 (über den Messbus) aufgesteckt ist. 3c und 3d zeigen unterschiedliche Ausschnitte des Blockschaltbildes einer konkreten Realisierung der Datenaufnahme und -verarbeitung des Schaltungsaufbaus der 1a bis 1c, 2a bis 2d und 3a, 3b zur Durchführung des vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
