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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung, ein Steuergerätesystem und ein Verfahren zum Testen.
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Stand der Technik
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Bisher sind feuchteinduzierte Fehlerbilder durch Elektromigration bei elektronischen Bauelementen bzw. Leiterbahnstrukturen typischerweise nur schwer vorhersagbar und auch im Labor nur aufwendig zu untersuchen. Das macht es in der Regel besonders schwierig, wissensbasierte Designanpassungen durchzuführen, die auf klaren Rechenregeln basieren, die ungewollte Fehlerbilder bei elektronischen Bauelementen bzw. Leiterbahnstrukturen unterdrücken. Ähnlich schwierig ist im Allgemeinen das auf einer experimentellen Basis mit großer Statistik entwickelte Modellieren solcher kausal induzierter Fehlerstrukturen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Testvorrichtung bzw. ein Steuergerätesystem bzw. ein Testverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, Elektromigration in einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen und/oder Leiterbahnstrukturen innerhalb eines kurzen Zeitraums zu untersuchen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Testvorrichtung zum Testen von elektrischen Bauelementen und/oder Leiterbahnstrukturen, insbesondere Kammstrukturen, vorgeschlagen, wobei die Testvorrichtung eine Vielzahl von Testorten zum Aufnehmen jeweils eines elektrischen Bauelements und/oder jeweils einer Leiterbahnstruktur aufweist, wobei die Testvorrichtung ferner eine Auswahlvorrichtung zum Auswählen von einem der Testorte aufweist, wobei die Testvorrichtung in Reihen angeordnete elektrische Leitungen und in Spalten (angeordnete elektrische Leitungen zum Versorgen eines an dem ausgewählten Testort angeordneten elektrischen Bauelements und/oder einer an dem ausgewählten Testort angeordneten Leiterbahnstruktur mit einer Wechselspannung aufweist, wobei die Testvorrichtung Z-Dioden zum elektrischen Verbinden des jeweiligen elektrischen Bauelements und/oder der jeweiligen Leiterbahnstruktur an dem jeweiligen Testort über eine der Z-Dioden mit einer der Reihen der elektrischen Leitungen, und einen Signalgenerator aufweist, wobei der Signalgenerator zum Erzeugen eines Testsignals, das ein Spannungssignal als Summe eines Rechtecksignals und eines wellenförmiges Signals, insbesondere eines Sinussignals, aufweist, ausgebildet ist, und wobei die maximale Spannung des Rechtecksignals mindestens der Durchbruchsspannung der jeweiligen Z-Diode des ausgewählten Testorts entspricht, gekennzeichnet durch eine Elektromigrationsvorrichtung zum Anlegen eines Gleichspannungssignals an die elektrischen Bauelemente und/oder die Leiterbahnstrukturen zum Erzeugen von Elektromigration in den elektrischen Bauelementen und/oder den Leiterbahnstrukturen, wobei die Spannung des Gleichspannungssignals größer als die Durchbruchsspannung der jeweiligen Z-Diode des ausgewählten Testorts ist.
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Ein Vorteil hiervon ist, dass die Elektromigration bei einer Vielzahl elektronischer Bauelemente bzw. Leiterbahnstrukturen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums untersucht werden kann. Somit kann eine sehr hohe Statistik von experimentellen Daten erzeugt werden. Durch Anlegung einer Gleichspannung größer als die Durchbruchsspannung der Z-Dioden zwischen den Zeilen und Reihen kann Elektromigration in einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen und/oder Leiterbahnstrukturen erzeugt werden, die anschließend mittels eines Testsignals untersucht werden kann. Die elektronischen Bauelemente und/oder die Leiterbahnstrukturen können nach Anlegen der Gleichspannung zur Erzeugung der Elektromigration mittels den Linien und Spalten einzeln vermessen werden. Vorstellbar ist, dass die elektronischen Bauelemente bzw. Leiterbahnstrukturen zueinander baugleich sind. Denkbar ist jedoch auch, dass sich die elektronischen Bauelemente bzw. Leiterbahnstrukturen in ihrer Bauart jeweils geringfügig voneinander unterscheiden, wodurch eine Dynamik und/oder Unlinearitäten bei dem Entstehen von Elektromigration bei den elektronischen Bauelementen bzw. Leiterbahnstrukturen untersucht werden kann/können.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerätesystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei das Steuergerätesystem ein Steuergerät zur Steuerung von zumindest Teilen des Kraftfahrzeugs und eine Testvorrichtung wie vorstehend beschrieben aufweist, das Steuergerätesystem derart ausgebildet ist, dass an die elektrischen Bauelemente und/oder Leiterbahnstrukturen der Matrixstruktur ein höheres und/oder länger anliegendes Gleichspannungssignal und/oder eine höhere Feldstärke des elektrisches Feldes (z.B. durch kleinere geometrische Abstände) angelegt wird als an die elektrischen Bauelemente und/oder die Leiterbahnstrukturen des Steuergeräts.
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Vorteilhaft hieran ist, dass die Matrixstruktur als Opferstruktur und/oder Messstruktur zur verlässlichen Fehlerprädiktion in dem Steuergerät und somit zur Ausfallprävention des Steuergeräts verwendet werden kann, insbesondere für autonome Kraftfahrzeug. Die Matrixstruktur kann an einem Ort platziert werden, bei dem die Umgebung ähnlich wie bei dem Steuergerät ist. Die Matrixstruktur kann an einem Ort platziert werden, an dem die Umgebungsparameter besonders elektromigrationsfreundlich sind. Somit fällt ein elektrisches Bauelement bzw. eine Leiterbahnstruktur der Matrixstruktur aus, bevor ein elektrisches Bauelement bzw. eine Leiterbahnstruktur des Steuergeräts ausfällt. Dadurch kann der Fahrer des Kraftfahrzeugs rechtzeitig gewarnt werden, dass ein Ausfall des Steuergeräts droht. Das an die Matrixstruktur bzw. das elektrische Bauelement bzw. an die Leiterbahnstruktur angelegte elektrische Feld kann fahrzeugtyp-spezifisch applizierbar sein, d.h. die durch die Kraftfahrzeugarchitektur bzw. den Kraftfahrzeugaufbau beeinflussten Umgebungsvariablen, wie die mittlere Umgebungstemperatur etc., können in die prädiktive Ausfallrechnung einfließen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Testen von an Testorten einer Testvorrichtung, insbesondere einer Testvorrichtung wie oben beschrieben, angeordneten elektrischen Bauelementen und/oder angeordneten Leiterbahnstrukturen vorgeschlagen, wobei die Testvorrichtung eine Vielzahl von Testorten zum Aufnehmen jeweils eines elektrischen Bauelements und/oder jeweils einer Leiterbahnstruktur aufweist und in Reihen angeordnete elektrische Leitungen und in Spalten angeordnete elektrische Leitungen zum Versorgen des an dem ausgewählten Testort angeordneten elektrischen Bauelement und/oder der an dem ausgewählten Testort angeordneten Leiterbahnstruktur mit einer Wechselspannung aufweist, wobei die Testvorrichtung Z-Dioden zum elektrischen Verbinden des jeweiligen elektrischen Bauelements und/oder der jeweiligen Leiterbahnstruktur an dem jeweiligen Testort über eine der Z-Dioden mit einer der Reihen der elektrischen Leitungen aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anlegen eines Gleichspannungssignals an ein oder mehrere elektrische Bauelemente und/oder an eine oder mehrere Leiterbahnstrukturen mittels der Reihen von elektrischen Leitungen und der Spalten der elektrischen Leitungen zum Erzeugen von Elektromigration in dem jeweiligen elektrischen Bauelement und/oder der jeweiligen Leiterbahnstruktur, wobei die Spannung des Gleichspannungssignals größer als die Durchbruchsspannung der jeweiligen Z-Diode des elektrischen Bauelements und/oder der Leiterbahnstruktur ist; Auswählen eines Testorts mittels der Reihen von elektrischen Leitungen und der Spalten der elektrischen Leitungen; und Versorgen des an dem ausgewählten Testort angeordneten elektrischen Bauelements und/oder der an dem ausgewählten Testort angeordneten Leiterbahnstruktur mit einem Testsignal, das ein Spannungssignal als Summe eines Rechtecksignals und eines wellenförmiges Signals, insbesondere eines Sinussignals, aufweist, wobei die maximale Spannung des Rechtecksignals mindestens der Durchbruchsspannung der Z-Diode des ausgewählten Testorts entspricht.
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Vorteilhaft hieran ist, dass durch dieses Verfahren die Elektromigration bei einer Vielzahl elektronischer Bauelemente bzw. Leiterbahnstrukturen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums untersucht werden kann. Folglich kann eine sehr hohe Statistik von experimentellen Daten erzeugt werden. Durch das Anlegen einer Gleichspannung größer als die Durchbruchsspannung der Z-Dioden zwischen den Zeilen und Reihen kann Elektromigration in einer Vielzahl von elektronischen Bauelement bzw. Leiterbahnstrukturen erzeugt werden, die anschließend mittels eines Testsignals untersucht wird. Mittels des Verfahrens können die elektronischen Bauelemente bzw. die Leiterbahnstrukturen nach Anlegen der Gleichspannung zur Erzeugung der Elektromigration mittels den Linien und Spalten einzeln vermessen werden. Vorstellbar ist, dass die elektronischen Bauelemente bzw. die Leiterbahnstrukturen zueinander baugleich sind.
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Es ist auch eine Verwendung eines mit dem oben beschriebenen Verfahren getesteten elektrischen Bauelements und/oder einer mit dem oben beschriebenen Verfahren getesteten Leiterbahnstruktur als Opferstruktur für ein Steuergerät möglich. Hierdurch kann rechtzeitig gewarnt werden, bevor ein Ausfall des Steuergeräts droht. Beispielsweise kann ein elektrisches Bauelement bzw. eine Leiterbahnstruktur mittels des Verfahrens ausgewählt werden, dessen Aufbau gegenüber Elektromigration besonders resistent bzw. widerstandsfähig ist. Dieses elektrische Bauelement bzw. diese Leiterbahnstruktur kann auch Teil des Steuergeräts sein bzw. in dieses eingebaut werden, um ein gegenüber Elektromigration besonders widerstandsfähiges Steuergerät zu erhalten.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Die Erfindung basiert auf der Grundidee, mittels einer Matrixstruktur Elektromigration in einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen und/oder Leiterbahnstrukturen zu untersuchen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Testvorrichtung umfasst die Testvorrichtung ferner eine Kamera zum Erfassen von Elektromigrationsstrukturen der elektrischen Bauelemente und/oder der Leiterbahnstrukturen. Vorteilhaft hieran ist, dass die entstandenen Elektromigrationsstrukturen technisch einfach zusätzlich zu der elektrischen Vermessung optisch erfasst und gespeichert werden können. Insbesondere können die optisch erfassten Elektromigrationsstrukturen zusammen mit der Umgebungsvariablen eine Optimierung der chemischen Materialzusammensetzung des elektronischen Bauelements und/oder der Leiterbahnstruktur zur Minimierung der Elektromigration verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Testvorrichtung umfasst die Testvorrichtung ferner eine Klassifizierungsvorrichtung zum Klassifizieren der von der Kamera erfassten Elektromigrationsstrukturen. Vorteilhaft hieran ist, dass die erfassten Elektromigrationsstrukturen statistisch einfach untersucht bzw. analysiert werden können. Somit kann der Aufbau der elektrischen Bauelemente bzw. der Leiterbahnstrukturen zur Minimierung der Elektromigration technisch einfach analysiert und verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Testvorrichtung ist die Klassifizierungsvorrichtung zum Klassifizieren der von der Kamera erfassten Elektromigrationsstrukturen mittels maschinellen Lernens ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass das maschinelle Lernsystem Vorschläge zur Verbesserung des Aufbaus der elektronischen Bauelemente bzw. Leiterbahnstrukturen zur Verminderung der Elektromigration bereitstellen kann. Dies kann zu neuartigen Designansätzen bzw. Designveränderungen führen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Testvorrichtung ist die Klassifizierungsvorrichtung zum Zuordnen der von der Kamera erfassten Elektromigrationsstrukturen zu Fraktalen und/oder jeweils einer fraktalen Dimension ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass die Anzahl der Klassen der Klassifizierung stark reduziert werden kann und somit die statistische Analyse besonders einfach durchgeführt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden Elektromigrationsstrukturen der elektrischen Bauelemente und/oder der Leiterbahnstrukturen optisch erfasst. Ein Vorteil hiervon ist, dass zusätzlich zur elektrischen Vermessung der elektronischen Bauelemente bzw. Leiterbahnstrukturen die Veränderung der elektrischen Bauelemente bzw. Leiterbahnstrukturen optisch erfasst wird und gespeichert werden kann. Insbesondere können die optisch erfassten Elektromigrationsstrukturen zusammen mit der Umgebungsvariablen eine Optimierung der chemischen Materialzusammensetzung des elektronischen Bauelements und/oder der Leiterbahnstruktur zur Minimierung der Elektromigration verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die optisch erfassten Elektromigrationsstrukturen, insbesondere mittels maschinellen Lernens, klassifiziert. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Elektromigrationsstrukturen statistisch technisch einfach untersucht bzw. analysiert werden können. Folglich kann der Aufbau der elektrischen Bauelemente bzw. der Leiterbahnstrukturen zur Minimierung der Elektromigration technisch einfach analysiert und verbessert werden. Mittels eines maschinellen Lernsystems können Vorschläge zur Verbesserung des Aufbaus der elektronischen Bauelemente und/oder der Leiterbahnstrukturen zur Verminderung der Elektromigration erzeugt werden. Die Verwendung eines maschinellen Lernsystems kann somit zu neuartigen Designansätzen bzw. Designveränderungen der elektronischen Bauelemente und/oder der Leiterbahnstrukturen führen.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die optisch erfassten Elektromigrationsstrukturen Fraktalen, insbesondere Julia-Mengen, und/oder jeweils einer fraktalen Dimension zugeordnet. Ein Vorteil hiervon ist, dass durch dieses Verfahren die Anzahl der Klassen der Klassifizierung stark reduziert wird. Folglich kann die statistische Analyse der Daten besonders einfach durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist zumindest ein Teil der elektrischen Bauelemente und/oder der Leiterbahnstrukturen unterschiedlich aufgebaut. Ein Vorteil hiervon ist, dass innerhalb kurzer Zeit eine Vielzahl unterschiedlicher Designs/Aufbauarten des elektrischen Bauelements und/oder der Leiterbahnstruktur, insbesondere leichte Variationen eines Grundaufbaus des elektrischen Bauelements bzw. der Leiterbahnstruktur, sehr schnell untersucht bzw. getestet werden können. Insbesondere wenn sich die elektronischen Bauelemente und/oder die Leiterbahnstrukturen in ihrer Bauart jeweils geringfügig voneinander unterscheiden, kann eine Dynamik und/oder können Unlinearitäten bei dem Entstehen von Elektromigration bei den elektronischen Bauelementen und/oder Leiterbahnstrukturen untersucht werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen der Testvorrichtung bzw. des Verfahrens zum Testen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Testvorrichtung;
- 2 zeigt ein Diagramm des Testsignals und des resultierenden Stroms bei dem Test der elektronischen Bauelemente; und
- 3 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Testvorrichtung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Testvorrichtung. 2 zeigt ein Diagramm des Testsignals und des resultierenden Stroms bei dem Test der elektronischen Bauelemente und/oder der Leiterbahnstrukturen.
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Die Testvorrichtung 10 ist zum Testen bzw. Überprüfen einer Vielzahl von elektrischen Bauelementen 40-48 und/oder Leiterbahnstrukturen ausgebildet. Die elektrischen Bauelemente 40-48 können beispielsweise Kondensatoren sein, wie dies in 1 gezeigt ist. Auch Spulen, Widerstände, Induktivitäten etc. können als elektrische Bauelemente 40-48 verwendet werden.
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Die Testvorrichtung 10 weist eine Vielzahl (z.B. mehrere Dutzend, mehrere Hundert oder mehrere Tausend) Testorte 20-28 auf. Jeder Testort 20-28 ist zum Aufnehmen eines elektrischen Bauelements 40-48 ausgebildet. Vorstellbar ist auch, dass am Testort 20-28 mehrere elektrische Bauelemente 40-48 aufgenommen werden.
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Die Testvorrichtung 10 weist eine Matrixstruktur auf, wobei die Testvorrichtung 10 Reihen 11-13 von elektrischen Leitungen und Spalten 16-19 von elektrischen Leitungen aufweist. Jeder Testort 20-28 ist mit jeweils genau einer Reihe 11-13 und genau einer Spalte 16-19 elektrisch verbunden. Jeder Testort 20-28 ist über eine Z-Diode 30-38 mit einer Reihe 11-13 der elektrischen Leitungen verbunden, während jeder Testort 20-28 ohne weitere Elemente dazwischen (d.h. unmittelbar bzw. direkt) mit einer Spalte 16-19 der elektrischen Leitungen verbunden ist. Auf diese Weise kann durch entsprechende Auswahl bzw. Versorgung der entsprechenden Reihe 11-13 und Spalte 16-19 mit Wechselspannung genau ein Testort 20-28 ausgewählt werden, der mit Wechselspannung versorgt wird.
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Die Reihen 11-13 können mit den Spalten 16-19 vertauscht werden, d.h. die in dieser Anmeldung als „Reihen“ bezeichneten elektrischen Leitungen können „Spalten“ sein und umgekehrt.
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An jedem Testort 20-28 kann das elektrische Bauelement 40-48 in der Testvorrichtung 10 angeordnet werden und mit einer Reihe 11-13 und einer Spalte 16-19 der elektrischen Leitungen verbunden werden.
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Die Reihen 11-13 der Testvorrichtung 10 sind mit einem Signalgenerator 50 der Testvorrichtung 10 elektrisch verbunden, der eine Wechselspannung in Form eines Testsignals erzeugt. Die Spalten 16-19 sind über einen Shunt 60 zum Messen des Stroms durch den ausgewählten Testort 20-28 bzw. das ausgewählte elektrische Bauelement 40-48 mit Masse verbunden. Der gemessene Strom wird einem Analog-Digital-Wandler 70 zugeführt. Der vom Analog-Digital-Wandler 70 ausgegebene Wert wird einer Analysevorrichtung 80 zugeführt, die die Impedanz und/oder den Phasenunterschied zwischen Strom und Spannung und/oder weitere Charakteristika des elektrischen Bauelements 40-48 aus der vom Signalgenerator 50 erzeugten Wechselspannung und dem mittels des Shunts 60 gemessen Stroms bestimmt.
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Zudem weist die Testvorrichtung 10 eine Auswahlvorrichtung auf, die einen Testort 20-28 und somit ein elektrisches Bauelement 40-48 auswählt, indem die entsprechende Reihe 11-13 und Spalte 16-19 mit dem Signalgenerator 50 und dem Shunt 60 elektrisch verbunden wird.
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Das Testsignal ist ein Summensignal aus einer Rechteckspannung (auch Rechtecksignal genannt) und einer wellenförmigen Spannung (auch wellenförmiges Signal genannt), z.B. einer sinusförmigen Spannung bzw. einem Sinussignal, wobei die Rechteckspannung und das wellenförmige Signal dieselbe bzw. die gleiche Frequenz aufweisen.
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Das Rechtecksignal weist einen hohen Wert bzw. Maximalwert auf, der der Durchbruchsspannung der Z-Diode 30-38 des ausgewählten Orts entspricht. Üblicherweise weisen alle Z-Dioden 30-38 der Testvorrichtung 10 dieselbe Durchbruchspannung (z.B. +9,0 V) auf. Der niedrige Wert bzw. Minimalwert des Rechtecksignals entspricht der Durchflussspannung der Z-Diode 30-38 des ausgewählten Orts. Üblicherweise weisen alle Z-Dioden 30-38 der Testvorrichtung 10 dieselbe Durchflussspannung (z.B. -0,7 V) auf.
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Das Rechtecksignal wird so eingestellt, dass zu einem entsprechenden Zeitpunkt, der abhängig von der Phasenverschiebung der Art des elektrischen Bauelements 40-48 (z.B. ist die Phasenverschiebung bei einem Kondensator anders als die Phasenverschiebung bei einer Spule), die Z-Diode 30-38 leitend wird, so dass der Strom durch das elektrische Bauelement 40-48 an dem ausgewählten Testort 20-28 eine Form aufweist, die dem wellenförmigen Signal des Testsignals entspricht (d.h. bei einem sinusförmigen Spannungssignal weist der Strom durch das elektrische Bauelement 40-48 an dem ausgewählten Testort 20-28 bzw. elektrischen Bauelement 40-48 eine Sinusform auf).
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Zu dem Rechtecksignal wird ein sinusförmiges Signal addiert, um das Testsignal zu bestimmen bzw. zu erhalten. Das sinusförmige Spannungssignal erzeugt sozusagen den sinusförmigen Strom, während das Rechtecksignal lediglich zum Versetzen der Z-Diode 30-38 des ausgewählten Testorts 20-28 in den leitenden Zustand angelegt wird. Die Z-Dioden 30-38 der anderen Testorte 20-28 bzw. der nicht-ausgewählten Testorte 20-28 verbleiben im nicht-leitenden Zustand, so dass kein Strom durch die elektrischen Bauelementen 40-48 der nicht-ausgewählten Testorte 20-28 fließt.
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Der Maximalwert der Sinusspannung weist einen derartigen Wert auf, dass die Maximalspannung des Testsignals (d.h. Maximalwert des Rechtecksignals plus Maximalwert der Sinusspannung) unterhalb des doppelten bzw. zweifachen Werts der Durchbruchsspannung der Z-Dioden 30-38 ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Spannung nur an dem elektrischen Bauelement 40-48 des ausgewählten Orts anliegt, während die anderen Z-Dioden 30-38 nichtleitend bleiben.
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Die Analysevorrichtung 80 kann den Realteil und den Imaginärteil des Stroms bestimmen und hieraus die Impedanz, Phasenverschiebung etc. des elektrischen Bauelements 40-48 bestimmen.
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2 zeigt ein Diagramm des Testsignals (d.h. des Spannungssignals bzw. des Testsignals) und des resultierenden Stroms in dem elektrischen Bauelement 40-48 (bzw. im Shunt 60) bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Testsignal bzw. Testspannungssignal ist in 1 als durchgezogene Linie dargestellt, während der mittels des Shunts 60 gemessene Strom als gestrichelte Linie dargestellt ist. Beispielhaft sind die Werte für einen Kondensator gezeigt. Die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom beträgt somit 270°.
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Der Verlauf der Spannung (durchgezogene Linie) und des resultierenden gemessenen Stroms (gestrichte Linie) wird nachfolgend von links nach rechts in 2 beschrieben. Zunächst befinden sich das Rechtecksignal des Testsignals beim Maximalwert und das Sinussignal des Testsignals auf dem Minimalwert. Die Z-Diode 30-38 ist somit leitend, da die Durchbruchsspannung durch das Rechtecksignal (+9,0 V) erreicht ist. Das Sinussignal der Anregungsspannung bzw. des Testsignals steigt langsam an. Hierbei wird der Kondensator geladen. Beim Erreichen des Maximalwerts der Sinusspannung bzw. des Sinussignals des Testsignals wird das Rechtecksignal des Testsignals auf den Minimalwert (entspricht der Durchflussspannung der Z-Diode 30-38) geschaltet (-0,7 V). Daher ergibt sich hier ein Sprung in der durchgezogenen Line, da die Spannung in sehr kurzer Zeit abfällt. Anschließend fällt die Sinusspannung des Testsignals wieder ab. Der Kondensator wird nun entladen, während die Rechteckspannung des Testsignals auf dem Minimalwert verleibt. Beim Erreichen des Minimalwerts des Sinussignals des Testsignals wird das Rechtecksignal wieder auf seinen Maximalwert (+9,0 V) geschaltet. Nun lädt der Kondensator sich wieder auf.
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Beim Schalten des Rechtecksignals von dem Maximalwert auf den Minimalwert und in einer geringeren Stärke beim Schalten des Rechtecksignals vom Minimalwert auf den Maximalwert treten Abweichungen von der Sinusform bei dem gemessenen Strom auf. Diese Abweichungen können durch Fourier-Transformation in der Analysevorrichtung 80 beseitigt werden. Auch weitere kleinere Abweichungen im gemessenen Stromsignal von der Sinusform können durch Fourier-Transformation beseitigt werden. Aus dem gemessenen Stromsignal werden von der Analysevorrichtung 80 die Impedanz des Kondensators und/oder die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bestimmt. Die bestimmten Werte können mit Referenzwerten verglichen werden, um eine Qualität bzw. Güte des jeweiligen elektrischen Bauelements 40-48 zu bestimmen.
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Die elektronischen Bauelemente 40-48 können z.B. elektronische Schaltkreise umfassen.
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Die Testvorrichtung 10 umfasst ferner eine Elektromigrationsvorrichtung 90. Die Elektromigrationsvorrichtung 90 legt an eine oder mehrere elektronische Bauelemente 40-48 eine Gleichspannung an. Beispielsweise kann eine Potentialdifferenz bzw. Spannung zwischen den Reihen 11-13 und Spalten 16-19 angelegt werden. Dies bedeutet, dass alle Reihen 11-13 ein erstes Potential aufweisen und alle Spalten 16-19 ein zweites Potential aufweisen, wobei sich das erste Potential von dem zweiten Potential unterscheidet.
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Die angelegte Gleichspannung ist größer als die Durchbruchsspannung der Z-Dioden 30-38 bzw. Zener-Diode bzw. der Zener-Dioden. Hierdurch wird die Zener-Diode leitend und es wird an das elektronische Bauelement 40-48 eine Gleichspannung angelegt. Die angelegte Gleichspannung kann deutlich größer als die Durchbruchsspannung der Z-Dioden 30-38 Zener-Diode bzw. der Zener-Dioden sein, z.B. mindestens doppelt so groß, dreimal so groß oder mehr als dreimal so groß. Durch die Gleichspannung wird somit nicht nur die Z-Diode 30-38 Zener-Diode leitend geschaltet, sondern es wird eine Gleichspannung an die elektronischen Bauelemente 40-48 angelegt.
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Durch das Anlegen der (reinen) Gleichspannung (typischerweise ohne Wechselspannungsanteil) an die elektronischen Bauelemente 40-48 wird Elektromigration in den elektronischen Bauelementen 40-48 verursacht.
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Insbesondere kann in einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen 40-48 gleichzeitig Elektromigration verursacht werden.
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Durch das anschließende Testen bzw. Messen der komplexen Impedanz des jeweiligen elektronischen Bauelements 40-48 kann nach dem Verursachen von Elektromigration durch Anlegen der Gleichspannung bzw. nach Entstehung von Elektromigration untersucht bzw. analysiert werden. Insbesondere können Fehler, die durch Elektromigration verursacht wurden, technisch einfach erkannt werden.
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Die Höhe der Gleichspannung beeinflusst die Stärke der Elektromigration. Eine höhere Gleichspannung führt zu stärkerer Elektromigration als einen niedrige Gleichspannung.
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Die Gleichspannung kann an die elektronischen Bauelemente 40-48 der Matrixstruktur jeweils gleichlang bzw. gleichzeitig für eine vorgegebene Zeitdauer angelegt werden. Beispielsweise kann die Gleichspannung zur Verursachung von Elektromigration in den elektronischen Bauelementen 40-48 einige Minuten, z.B. ca. 2 Minuten oder ca. 5 Minuten, angelegt werden. Denkbar ist auch, die Gleichspannung unterschiedlich lange an die verschiedenen elektronischen Bauelemente 40-48 anzulegen.
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Die elektronischen Bauelemente 40-48 können jeweils baugleich zueinander sein. Hierdurch kann eine sehr große Statistik erzeugt werden. Folglich können auch Fehler, die nur selten auftreten, erkannt und analysiert werden. Die Anzahl der elektronischen Bauelemente 40-48, die mit der Matrixstruktur getestet bzw. deren Elektromigration mittels der Matrixstruktur untersucht werden kann, kann z.B. 4000 betragen.
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Denkbar ist auch, dass sich die elektronischen Bauelemente 40-48 in ihrem Aufbau und/oder sich in ihrer Materialzusammensetzung geringfügig unterscheiden. Hierdurch kann eine Art Serientest durchgeführt werden um festzustellen, welche Veränderungen die Anfälligkeit für Elektromigration erhöht oder erniedrigt.
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Es ist möglich, dass die Testvorrichtung 10 eine optische Kamera oder mehrere optische Kameras, z.B. eine Mikroskopkamera, aufweist. Die Kamera bzw. Kameras erfassen Elektromigration der elektronischen Bauelemente 40-48 optisch.
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Die Testvorrichtung 10 kann eine Klassifizierungsvorrichtung umfassen, die die erfassen optischen Veränderungen bzw. Elektromigrationsstrukturen der elektronischen Bauelemente 40-48 und/oder die gemessenen Impedanzwerte der elektronischen Bauelemente 40-48 klassifiziert. Auf Grundlage der Klassifizierung kann eine statistische Analyse durchgeführt werden. So kann beispielsweise festgestellt werden, unter welchen Bedingungen wie oft bzw. stark Elektromigration auftritt und/oder welche Arten von Elektromigrationsstrukturen entstehen. Zudem kann festgestellt werden, zu welchen Arten von Fehlern dies führt.
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Die Umgebungsbedingungen, z.B. Betauung/Feuchte bzw. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und/oder ionische Kontamination, können gezielt eingestellt werden und die Werte hiervon zusammen mit den Testwerten bzw. Messwerten gespeichert und analysiert werden.
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Die Klassifizierungsvorrichtung kann maschinelles Lernen, insbesondere neuronale Netze, zum Klassifizieren der Elektromigration der elektronischen Bauelemente 40-48 verwenden. Auch eine Bilderkennung kann durchgeführt werden.
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Da Elektromigrationsstrukturen strukturell in hinreichend guter Näherung durch Fraktale, insbesondere durch Julia-Mengen, beschreiben werden können, können fraktale Berechnungsvorschriften für die Klassifizierung mittels der Klassifizierungsvorrichtung herangezogen werden.
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Eine Klassifizierungseigenschaft der Elektromigrationsstruktur kann ihre fraktale Dimension sein. Die entstandenen Dendriten der Elektromigrationsstruktur der elektronischen Bauelemente 40-48 können mittels der Klassifizierungsvorrichtung klassifiziert werden.
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Die Zusammenführung der elektrischen und optischen Informationen der Elektromigration kann zusätzlich zur Klassifizierung für elektrische (Ersatz-)Modelle ähnlich der in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie verwendeten Ersatzmodelle nutzbar gemacht werden.
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Die Testvorrichtung 10 kann als eine Opferstruktur und/oder Messstruktur für ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug verwendet werden. Die Testvorrichtung 10 kann an einem Ort in dem Kraftfahrzeug angeordnet werden, an dem elektronische Bauelemente 40-48 für Elektromigration besonders anfällig sind. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Feuchtigkeit, Temperatur und/oder ionische Kontamination an dem Ort der Testvorrichtung 10 höher ist als an dem Ort des Steuergeräts.
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Ein Ausfall eines elektronischen Bauelements 40-48 der Testvorrichtung 10 tritt somit vor einem Ausfall eines elektronischen Bauelements 40-48 des Steuergeräts ein. Der Ausfall kann detektiert werden. Wenn ein Ausfall detektiert wurde, kann eine Warnung ausgegeben werden, z.B. akustisch und/oder optisch. Beispielsweise kann eine Warnleuchte des Kraftfahrzeugs am Armaturenbrett aufleuchten und/oder es kann der Hinweis „Bitte Werkstatt aufsuchen.“ ausgegeben werden. Somit wird ein Ausfall des Steuergeräts sicher verhindert.
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Nach dem Anlegen der Gleichspannung zur Erzeugung der Elektromigration wird das Testverfahren durchgeführt. Anschließend kann erneut die Gleichspannung angelegt werden zur Erzeugung der Elektromigration.
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Denkbar ist auch, dass ein mit der Testvorrichtung 10 getestetes bzw. entwickeltes elektronisches Bauelement 40-48 als Opferstruktur bzw. Messstruktur verwendet wird.
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3 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Testvorrichtung 10. Bei der Testvorrichtung 10 der 3 werden anstelle von elektrischen Bauelementen jeweils eine Leiterbahnstruktur 50-58 getestet. Ansonsten unterscheidet sich die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Testvorrichtung 10 nicht von der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Die Leiterbahnstrukturen 50-58 können jeweils zueinander baugleich sein oder sich (teilweise) in ihrer Bauart voneinander unterscheiden.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
