DE2215179B2

DE2215179B2 - Verfahren zur beruehrungslosen messung von elektrischen widerstaenden

Info

Publication number: DE2215179B2
Application number: DE19722215179
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn; Rehme Hans Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Fuchs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-28
Filing date: 1972-03-28
Publication date: 1976-07-22
Also published as: DE2215179A1

Description

Widerstandes (3) von einem Elektronenstrahl (6) und ₂₅ Kathodenpotentiale der Elektronenstrahlen so gewählt

35

der andere Kontaktfleck (32) des Widerstandes (3) von einem weiteren Elektronenstrahl (66) angesteuert wird, daß die Kathodenpotentiale der Elektronenstrahlen (6, 66) so gewählt werden, daß der Sekundärelektronenemissionskoeffizient des einen Elektronenstrahls (6) an dem einen Kontaktneck (31) kleiner als 1 ist, während der Sekundärelektronenemissionskoeffizient des anderen Elektronenstrahls (66) an dem anderen Kontaktfleck (32) größer als 1 ist, daß der Strom der Elektronenstrahlen (6,66) so gewählt wird, dali der gesamte Strom des einen Elektronenstrahls (6) durch den Widerstand fließen kann, und daß zur Bestimmung des zu messenden Widerstandswertes das Potential an dem Kontaktfleck, an dem der Sekundärelektronenemissionskoeffizient größer als 1 ist, durch Messung des von diesem Kontaktfleck ausgehenden Sekundärelektronenstromes mittels eines elektronischen Gerätes (90) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des zu messenden Widerstandswertes das Potential an dem Kontaktfleck (32), an dem der Sekundärelektronenemissionskoeffizient größer als 1 ist, bestimmt wird, wobei hierzu ein Teil des an diesem Kontaktfleck auftretenden Sekundärelektronenstromes (14) ausgefiltert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungsiosen Messung von elektrischen Wideritandswerten eines durch zwei Kontaktflecke begrenzten Widerstandes.

Zur Messung eines elektrischen Widerstandes wird allgemein ein elektrischer Stromkreis durch mechanische Kontakte an diesem Widerstand angeschlossen.

Diese Methode versagt jedoch, wenn ein mechanischer Kontakt, z. B. wegen zu kleiner Widerstandsanschlüsse, nicht angebracht werden kann, oder wenn für werden, daß der Sekundärelektronenemmissionskoeffizient des einen Elektronenstrahls an dem einen Kontaktfleck kleiner als 1 ist, während der Sekundärelektronenemissionskoeffizient des anderen Elektronenstrahls in dem anderen Kontaktfleck größer als I ist, daß der Strom der Elektionenstrahlen so gewählt wird, daß der gesamte Strom des einen Elektronenstrahls durch den Widerstand fließen kann, und daß zur Bestimmung des zu messenden Widerstandswertes das Potential an dem Kontaktfleck, an dem der Sekundärelektronenemissionskoeffizient größer als 1 ist. durch Messung des von diesem Kontaktfleck ausgehenden Sekundärelektronenstroms mittels eines elektronischen Gerätes bestimmt wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Bestimmung des Potentials an dem Kontaktfleck, an dem der Elektronenemissionskoeffizient größer als 1 ist, anstelle des gesamten Sekundärelektronenstroms ein Teil des an diesem Kontaktfleck austretenden Sekun-

_4J däreiektronenstroms ausgefiltert oder der Auge^elektronenstrom verwendet.

Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß Widerstände gemessen werden können, die wegen zu kleiner Widerstandsanschlüsse mechanisch nicht kontaktierbar sind. So können beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Widerstände von Leiterbahnen in Schaltungsplatten oder in integrierten Schaltkreisen gemessen werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus der Kürze der für das Verfahren notwendigen Zeit So ist z. B. zur Messung des Widerstandes einer Leiterbahn zwischen zwei Kontaktflecken ein Zeitaufwand von etwa 10~⁴ see notwendig.

to Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Weiterbildungen hervor.

Fi g. 1 zeigt in schematischer Darstellung das Prinzip der Widerstandsmessung von Leiterbahnen mit einfaeher Elektronenstrahlabtastung.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Widerstandsmessung mit einfacher Elektronenstrahlabtastung.

F i g. 3 zeigt in schematischer Darstellung das Prinzip der Widerstandsmessung mit doppelter Elektronenstrahiabtastung.

Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Widerstandsmessung mit doppelter Elektronenstrahlabtastung.

In der Fig. 1 ist die Kathode mit 1 bezeichnet Die Anode trägt das Bezugszeichen 2. Sie ist vorzugsweise mit Masse verbunden. An der Klemme 5 Tier Kathode liegt vorzugsweise das Potential - U\ zur Beschleunigung der Elektronen des Elektronenstrahls an. Vorzugsweise beträgt das Kathodenpotential 100 V. Der Elektronenstrahl trägt das Bezugszeichen 5. Sr triff: auf das Ende 31 des Widerstandes 3 auf. Bei den folgenden Überlegungei ist ein etwa auftretender Sekundärelektronenstrora vernachlässigt Das Ende 32 des Widerstandes 3 ist über das Strommeßgerät 4 mit Potential, vorzugsweise mit Mas*e, galvanisch verbunden. Der in den Widerstand 3 eintretende Elektronenstrom /₀ fließt ungehindert durch den Widerstand, sofern der Spannungsabfall Ur arn Widerstand kleiner als die Beschleunigungsspannung Uk der Elektronen ist Erreicht der Spannungsabfall Ur am Widerstand 3 *inen Wert Ur>\Ui;\, so können nicht mehr alle durch die Beschleunigungsspannung Uk beschleunigten Elektronen gegen das Potential Ur> U_k des Kontaktflecks 31 anlaufen und werden an diesem gespiegelt. Durch den Widerstand 3 fließt dann der absorbierte Elektronenstrom

R '

wobei Ur = Uk ist. Der am Kontaktfleck 31 gespiegelte Elektronenstrom I_sp ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Er ergibt sich aus der Differenz des Elektronenstroms /0 und des absorbierten Elektronenstroms:

40

ι ψ — '0 ~ hbs-

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Widerstände, deren Größenordnung so beschaffen ist, daß sie zu einem Absorptionsstrom und zu einem gespiegelten Elektronenstrom führen, meßbar.

Nachfolgend sind unter der Voraussetzung, daß Uk und /0 konstant sind, die sich im Gleichgewichtszustand einstellenden Werte von Strom und Spannung zusammengestellt.

55

R '

— U) ~ Kbs ■

60

₅ = u_k.

der mit Hilfe eines Gerätes zur elektrischen Meßwertverarbeitung gemessene gespiegelte Elektronenstrom dienen. Die Beziehungen zwischen dem zu messender. Widerstand R und dem Absorptionsstrom bzw. dem gespiegelten Elektronenstrom lauten:

R —

abs

Zur Widerstandsmessung kann sowohl der mit der Meßanordnung 4 gemessene Absorptionsstrom als auch wobei Utund I₀ konstant sind.

Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Widerstandsmessung mit der erfindungsgemäßen einfachen Elektronenstrahlabtastung. Die zu messenden Widerstände sind mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Die Enden 32 der Widerstände 3 sind mechanisch kontaktiert, parallel geschaltet und über die Strommeßanordnung 9 mit Potential verbunden. Die Kontaktflekken 31 der Widerstände 3 sind nicht mechanisch kontaktierbar und werden durch den Elektronenstrahl 6 angesteuert Die von der Kathode 1 emittierien Elektronen des Elektronenstrahls 6 werden durch die zwischen der vorzugsweise geerdeten Anode 2 und der Kathode liegenden Spannung Uk beschleunigt Nach Durchtritt durch die Anodenblende werden die Elektronen durch eine magnetische Linse 10 gebündelt und mittels geeigneter Ablenkelemente 12 auf die Kontaktflecken 31 der Widerstände 3 gerichtet. Bei diesen Ablenkelementen handelt es sich vorzugsweise um Ablenkspulen.

Einzelheiten der Fig.3, die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichea In der F i g. 3 sind die beiden Kathoden der beiden Elektronenstrahlen mit den Bezugszeichen 1 bzw. 11 versehen. Die beiden Anoden tragen die Bezugszeichen 2 bzw. 22. Sie sind bei diesem Beispiel mit Masse verbunden. An die Klemmen 5 bzw. 55 der Kathoden werden die elektrischen Potentiale - £Λι bzw. - Uki zur Beschleunigung der Elektronen der Elektronensirihlen 6 bzw. 66 angelegt. Der Elektronenstrahl 6 trifft auf das nicht kontaktierbare Ende 31 des Widerstandes 3 auf. Der Elektronenstrahl 66 trifft auf das andere nicht kontaktierbare Ende 32 des Widerstandes 3 auf. Um einen Stromfluß durch den Widerstand zu ermöglichen, muß das eine Ende 31 des Widerstandes 3 mit einem Elektronenstrahl 6 von solcher Energie bestrahlt werden, daß die Anzahl der sekundär ausgelösten Elektronen kleiner ist als die Anzahl der einfallenden Elektronen. Am anderen Ende 32 des Widerstandes 3 muß die Energie der auftreffenden Elektrone des Elektronenstrahls 66 so bemessen sein, daß die Anzahl der sekundär ausgelösten Elektronen größer ist als die Anzahl der auf dem Kontaktfleck 32 auftreffenden Elektronen des Elektronenstrahls 66. Durch diese Dimensionierung wird eine Aufladung des Widerstandes 3 vermieden.

Auf den Kontaktfleck 31 treffen Elektronen mit der Beschleunigungsspannung - ίΛι der Stärke /1 auf. Der Sekundärelektronenemissionskoeffizient ist kleiner als 1, der dadurch bedingte Sekundärelektronenstrom wird bei den folgenden Überlegungen vernachlässigt. Auf den Kontaktfleck 32 dagegen treffen Elektronen mit der Beschleunigungsspannung — Uta der Stärke h auf. Der Sekundärelektronenemissionskoeffizient ist dort größer als 1 und hat den Sekundärelektronenstrom 14 /_1C* zur Fo'ge. h wird so gewählt, daß der gesamte Strom /1 des Elektronenstrahls 6 den Widerstand 3 passieren kann. Am Widerstand 3 baut sich infolge des durch ihn fließenden Stromes /1 die Spannung Ur = l\ ■ R auf,

wenn /ι = /«■* - h ist. Der gesamte, durch den Widerstand fließende Strom /ι kompensiert am Ende 32 gerade das durch den Überschuß an Sekundärelektronen entstehende Elektronendefizit. Ist Ur> ίΛι, also ίΛι < /ι · R und daher

so liegt an den Kontaktflecken 31 und 32 die Potentialdifferenz aU>U_k\. Unter der Annahme, daß sich das Ende 32 des Widerstandes auf Erdpotential einstellt, steht dem Elektronenstrahl 6 ein Potential gegenüber, das negativer als ίΛι ist, was zur Folge hat, daß der Elektronenstrahl 6 nicht mehr gegen dieses Potential anlaufen kann. Das Ende 32 des Widerstandes wird sich also, infolge des kleineren Stromes Ir<I\ positiv aufladen, weshalb das Potential am Ende 31 weniger negativ wird. Es kann nun wieder ein größerer Strom /ι durch den Widerstand fließen. Im Gleichgewichtszustand wird das Ende 31 des Widerstandes 3 gerade auf das Potential ίΛι aufgeladen, d. h, es wird im Gleichgewichtszustand der Strom Ir = /i fließen. Das Ende 32 des Widerstandes nimmt das Potential

U₂- Un+Ii ■ R

an. Da I\ ■ R> ίΛι ist. läuft der Elektronenstrahl immer gegen das positive Potential Lh an. Im Widerstand 3 fließt unabhängig von dessen Wert der Strom Ib =» I₁. Die Spannungsdifferenz ΔU = LJi-IJi ist abhängig von dem Widerstand

U₂- U₁ = I₁-R.

Da für Widerstände

^. U₁=U₁

₁₁₁

ist, ist in diesen Fällen allein das Potential U₂ und somit der Sekundärelektronenstrom I_sck eine Funktion des Widerstandes. Der zu messende Widerstand wird beispielsweise durch Messung dieses Sekundärelektronenstromes bestimmt Nachstehend sind für konstante Werte von Uu, Ua, I\ und I₂ und I_xk die im Gleichgewichtszustand herrschenden Werte von Strom und Spannung zusammengestellt

AU= I₁-R > U₁

U₂=

F i g. 4 zeig! ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Widerstandsmessung mit doppelter Elektronenstrahlabtaütung. Einzelheiten der Fig.4, die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Die durch das erfindungsgemäße Meßverfahren zu messenden Widerstände 3 sind vorzugsweise Leiterbahnwiderstände einer Leiterplatte 15. Die Enden 31 und 32 eines Widerstandes 3 sind mechanisch nicht kontaktierbar. Der zwischen

,o Kathode 1 und Anode 2 erzeugte Elektronenstrahl 6 wird mit Hilfe der Vorrichtungen 10 und der Ablenkelemente 12 auf den Kontaktfleck 31 gelenkt, während der zwischen der Kathode H und der Anode 22 erzeugte Elektronenstrahl 66 mit Hilfe der

ι ₅ Vorrichtunger 100 und der Ablenkelemente 120 auf den Kontaktfleck 32 des Widerstandes 3 gelenkt wird. Bei den Vorrichtungen 10 und 100 bzw. bei den Ablenkelementen 12 und 120 handelt es sich vorzugsweise um magnetische Linsen bzw. um Ablenkspulen. Wie oben bereits beschrieben, ist die Beschleunigungsspannung eines der Elektronenstrahlen so bemessen, daß die Sekundärelektronenausbeute an dem zugehörigen Kontaktfleck kleiner als 1 ist, während sie beim anderen Elektronenstrahl so bemessen ist, daß die Sekundäreiektronenausbeute an dem zugehörigen Kontaktfleck größer als 1 i<;t. In der F i g. 4 handelt es sich bei dem Elektronenstrahl, dessen Sekundärelektronenausbeute größer als 1 ist, beispielsweise um den Elektronenstrahl 66. Der ihm zugehörige Kontaktfleck ist mit dem Bezugszeichen 32 versehen. Der an dem Kontaktflerk 32 entstehende Sekundärelektronenstrahl trägt das Bezugszeichen 14. Zur Messung des Sekundärelektronenstrahls 14 und somit zur Bestimmung des Widerstandswertes des Widerstandes 3 dient das elektronisehe Gerät 90. Es besteht vorzugsweise aus einem Sekundärelektronendetektor gegebenenfalls mit Energiefilter und einer elektronischen Meßwertverarbeitung.
Die beiden erfindungsgemäßen Verfahren zur berührungslosen Messung von Widerständen oder eine Kombination beider Verfahren finden beispielsweise Verwendung bei der Messung der Widerstände von Leiterbahnen in Schaltungsplatten. Auf der Oberseite solcher Schaltungsplatten, beispielsweise der Siemens

»Leiterplatte 73«, sind Anschlußpunkte (Kontaktflecke) für beispielsweise Halbleiterschaltkreise im Rastermaß von 0,254 mm angebracht In den darunterliegenden Ebenen laufen Verbindungen, die je nach Aufgabe der Schaltkreise :m den verschiedenen Punkten der Oberseite laufen, und andererseits auch Anschlüsse zur Unterseite der Platte haben. Die auf der Unterseite der Platte befindlichen Anschlüsse haben beispielsweise ein Rastennaß von 2,54 mm. Während an der Unterseite der Platte die dort herausgeführten Leiterbahnen durch

55 nsechaiiia*eKontaktienmgairfihreiiBnktionsra1n^ttft gemessen werden können, fet dies for Leiterbahnen ηώ nur oben herausgeführten Kontakätecken durch mechanische Kontaktierang nicht mehr mqgBcn. Zur Messung der Widerstände von der Oberseite her wird ^w* ^fo deshafc nach einem der erfmdungsgemlßenVerfahren

, j, _n ^od&r Β«* einer Kombination beider Verfahre»

• I₁ · χ > U . vorgegangen.

_kt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

[3 5711

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur berührungsiosen Messung von elektrischen Widerstandswerten eines durch zwei Kontaktfiecke begrenzten Widerstands, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kontaktfleck (3t) des Widerstands (3) von einem Elektronenstrahl (6) mit einem Kathodenpotential Uk angesteuert wird, daß der andere Kontaktfleck (32) des ίο Widerstands (3) mit einem Potential verbunden wird, daß das Potential und das Kathodenpotential so bemessen werden, daß an einem Kontaktfleck ein Teil (7) des Elektronenstrahls gespiegelt wird, und daß zur Widerstandsbestimmung entweder der Ober den Widerstand fließende Absorptionsstrom mittels einer Strommeßanordnung (4) gemessen wird, oder daß zur Widerstandsbestimmung der an dem einen Kontaktfleck (31) gespiegelte Teil (7) des Elektronenstrahls gemessen wird

2. Verfahren zur berührungslosen Messung von elektrischen Widerstandswerten eines durch zwei Kontaktflecke begrenzten Widerstands, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kontaktfleck (31) des Wid

die Widerstandsmessung nur eine sehr kurze Zeit zur Verfügung stent

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Widerstände mit sehr kleinen Kontaktflecken in sehr kurzer Zeit berührungslos gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein wie eingangs bereits erwähntes Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß entweder dadurch gekennzeichnet ist, daß der eine Kontaktfleck des Widerstands von einem Elektronenstrahl mit einem Kathodenpotential Uk angesteuert wird, daß der andere Kontaktfleck des Widerstands mit einem Potential verbunden wird, daß das Potential und das Kathodenpotential so bemessen werden, daß an einem Kontaktfleck ein Teil des Elektronenstrahls gespiegelt wird, und daß zur Widerstandsbestimmung entweder der über den Widerstand fließende Absorptionsstrom mittels einer Strommeßanordnung gemessen wird, oder daß zur Widerstandsbestimmung der an dem einen Kontakileck gespiegelte Teil des Elektronenstrahls gemessen wird, oder daß der eine Kontaktfleck des Widerstands von einem Elektronenstrahl und der andere Kontaktfleck des Widerstandes von einem weiteren Elektronenstrahl angesteuert wird, daß die