DE4211548A1 - Verfahren und Vorrichtung zum zweidimensional ortsauflösenden Testen von Stromverteilungen in einem Detektionsobjekt und zugehörige Anwendung bei Printplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum zweidi­ mensional ortsauflösenden Testen von Stromverteilungen in einem Detektionsobjekt, insbesondere von planaren Gleich­ strom(DC)- und/oder Wechselstrom(AC)-Verteilungen in Ob­ jekten mit Leiterbahnen, bei dem kontaktlos gemessen wird und die Messung nach dem magnetoresistiven Prinzip er­ folgt. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zu­ gehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einer spezifischen Anwendung derselben beim Testen von sog. Printplatten od. dgl.

Für unterschiedlichste Anwendungen ist es erwünscht, in einem Körper verdeckt verlaufende Strompfade zu detektie­ ren. Insbesondere zur statistischen oder dynamischen Feh­ lersuche in elektronischen Schaltungen, beispielsweise in hochintegrierten Schaltstrukturen, oder zu deren Kontrolle bei der Fertigung muß die Lage der einzelnen Strompfade und deren Funktionsfähigkeit überprüft werden können. Letzteres ist auch für eine Routinekontrolle unverdrahte­ ter Leiterplatten, wie den sogenannten Printplatten, er­ forderlich. Bei letzteren können die Leiterbahnen bei­ spielsweise durch isolierende Beschichtungen abgedeckt sein.

In der allgemeinen Elektrotechnik und/oder Elektronik ist ein Funktionstest von Printplatten mit sogenannten Poten­ tialsonden bekannt, mit denen funktionsabhängige Spannun­ gen gemessen werden. Letztere Spannungen werden beispiels­ weise mit an den Leiterbahnen aufgesetzten Meßspitzen er­ faßt. Problematisch ist aber dabei die Gewährleistung zu­ verlässiger Kontakte. Häufig fehlt es an Platz für geeig­ nete Meßstellen oder es sind verborgene Leiterstrukturen nicht ohne weiteres zugänglich. Letzteres gilt insbesonde­ re bei Printplatten mit sog. Viel-Lagen-Packaging.

Es sind bereits Verfahren vorgeschlagen worden, mit denen ein Funktionstest von Printplatten kontaktfrei erfolgen kann. Beispielsweise in der DE-OS 40 16 639 wird ein Ver­ fahren beschrieben, bei dem ein magnetischer Sensor berüh­ rend oder nach dem Winchester-Prinzip frei fliegend über die Oberfläche eines Detektionsobjektes geführt wird. Durch Abrastern des Detektionsobjektes kann die örtliche Verteilung von Magnetfeldern erkannt werden und beispiels­ weise durch entsprechende Signalverarbeitung unter Berück­ sichtigung der Ortskoordinaten auf einem Sichtgerät visu­ alisiert werden. Der magnetische Sensor kann dabei nach unterschiedlichsten Prinzipien, insbesondere auch nach dem magnetoresistiven Prinzip arbeiten.

Weiterhin sind aus der DE-OS 40 13 017 sowie der DE-OS 40 21 359 Verfahren zur Überprüfung von in einem Körper verdeckt verlaufenden Strompfaden bekannt, bei de­ nen jeweils auf die freie Oberfläche des zu detektierenden Körpers eine dünne magnetooptische Schicht mit ausgepräg­ ter magnetischer Anisotropie aufgebracht wird. Dieses Ma­ terial zeigt in Normalrichtung eine Abhängigkeit der Ma­ gnetisierung speziell von dem bei Stromführung der Strom­ pfade hervorgerufenen Magnetfeld. Änderungen des Zustandes in der magnetooptischen Schicht lassen sich dadurch flä­ chenhaft sichtbar machen. Zur Darstellung auf einem Sichtgerät muß allerdings die gesamte Fläche punktweise optisch ausgelesen werden, was langwierig ist.

Eine Einrichtung mit einem frei geführten magnetischen Sensor ist konstruktiv aufwendig und umständlich zu hand­ haben. Die Verfahren unter Verwendung der magnetooptischen Schichten haben dagegen vergleichsweise geringe Empfind­ lichkeiten, wobei sich eine nicht zu vernachlässigende Störfeldempfindlichkeit auf größere Distanzen ergibt. Da­ neben kann sich eine Selbstschirmung der magnetooptischen Schicht als unerwünschter Effekt störend bemerkbar machen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung anzugeben, mit dem eine vereinfachte Detektion von Stromverteilungen möglich ist. Letzteres soll sowohl für Gleichstrom- als auch für Wech­ selstromverteilungen möglich sein. Die Vorrichtung soll insbesondere zum Testen sogenannter Printplatten anwendbar sein.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur simultanen Messung eine Vielzahl von magnetoresistiven Sensoren ver­ wendet wird, die als Einzelsensoren bezüglich der Oberflä­ che des Detektionsobjektes ein Array bilden und eine Schirmung aufweisen, wobei durch Ausformung der Schirmung eine vorgegebene Detektionstiefe einstellbar ist. Vorzugs­ weise kann dabei die Detektionstiefe in Abhängigkeit vom Detektionsobjekt optimiert werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders vorteil­ haft, daß die Optimierung der Detektionstiefe durch Anpas­ sung von Flußführungsstrukturen vor der Schirmung an die stromaktive Dicke des Meßobjektes erfolgen kann. Durch paralleles oder gemultiplextes Auslesen der Signale der magnetoresistiven Sensoren erfolgt dabei eine ortsauflö­ sende Erfassung der Streufelder.

Zur Durchführung obigen Verfahrens ist eine erfindungsge­ mäße Vorrichtung aus einer Mehrzahl von parallel angeord­ neten, kartenartigen Sensoranordnungen aufgebaut, die je­ weils aus einem Substrat mit einer Vielzahl von zeilenar­ tig ausgerichteten magnetoresistiven Sensoren mit zugehö­ rigen Flußführungsstrukturen bestehen, wobei alle Sensoren zusammen ein flächenhaftes Array bilden. Vorzugsweise kön­ nen dabei auf jedem Substrat die einzelnen magnetoresisti­ ven Sensoren mit magnetisch/elektrischen Schirmungen und mit jeweils zugeordneten hybridausgeführten Signalverar­ beitungsschaltungen angeordnet sein.

Mit der Erfindung ergibt sich als Meßvorrichtung ein kom­ pakter Block, der zur Ausführung einer Messung einfach handhabbar ist. Insbesondere zum Testen von Objekten mit Leiterplatten, wie Printplatten od. dgl., werden dabei folgende Verfahrensschritte ausgeführt:

• - Die Vorrichtung wird ohne Berührung der stromführenden Leiterbahnen an die Printplatte herangeführt,
• - die von den durch planare Stromverteilungen in der Printplatte hervorgerufenen magnetischen Streufelder werden punktweise von den einzelnen magnetoresistiven Sensoren als elektrische Signale ausgelesen,
• - die elektrischen Signale werden unmittelbar einer Verar­ beitung einschließlich Bewertung unterzogen.

Bei der praktischen Anwendung der Vorrichtung wird der ge­ samte Block vorzugsweise bis etwa 0,5 mm an die zu testen­ de Printplatte herangeführt. Gegebenenfalls kann auch eine Berührung der mit Isolationsmaterial beschichteten Ober­ fläche der Platte erfolgen. Bei dieser Handhabung ist es nun in einfacher Weise möglich, bei den entsprechend zu vermessenden Platten die standardmäßig vorgegebenen Test­ prozeduren zeitlich nacheinander zu durchfahren. Bei grö­ ßeren Printplatten kann dabei auch ein Testen einzelner Abschnitte nacheinander erfolgen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine hohe Empfind­ lichkeit im Millimeter-Bereich gegeben, wobei sich insbe­ sondere die Störunempfindlichkeit auf größere Distanzen positiv auswirkt. Bei der diesbezüglichen Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, daß direkt verwertbare elektroni­ sche Ausgangssignale erhalten werden. Diese Vorrichtung zeichnet sich unter anderem durch ihre Robustheit und eine Universalität in ihrer Anwendung aus.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Aus­ führungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils in grob schematischer Darstellung

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Meßposition auf einem Detektionsobjekt in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 die Draufsicht auf eine einzelne Sensorkarte einer Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt aus Fig. 2 zwischen III-III und Fig. 4 das Prinzip einer vorteilhaften Stapelung einzel­ ner Sensorkarten für eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Meßvorrichtung 1 auf einem Detektions­ objekt 2, beispielsweise eine Printplatte (Platine) oder auch ein kompletter Multi-Chip-Modul (MCM). Im Volumen des Detektionsobjektes 2 können mehrere einzelne Strompfade 3 vorliegen, die unterschiedliche Raumlage haben können. Die Strompfade 3 sind von der Oberfläche 2a des Körpers 2 um einen Abstand a entfernt. An der Oberfläche 2a und zwi­ schen den Strompfaden 3 besteht der Körper des Detektions­ objektes 2 aus elektrisch isolierendem Material.

Über diese Strompfade 3 sei ein Strom der Stärke I ge­ führt, wobei die Stromführungsrichtung aus der Zeichen­ ebene heraus jeweils durch einen Punkt und in die Zeichen­ ebene hinein durch ein Kreuz veranschaulicht ist. Die Stromstärke I kann z. B. etwa 0,1 bis 1 mA betragen. Auf­ grund des Stromes in den Strompfaden wird um diese herum ein zeit- und ortsabhängiges Magnetfeld H erzeugt, dessen Feldlinien mit f bezeichnet sind.

Die auf dem Testobjekt aufgesetzte Meßvorrichtung 1 be­ steht aus einer Mehrzahl parallel angeordneter einzelner kartenartiger Meßanordnungen, von denen in Fig. 1 spe­ ziell die Karten 10, 20, 30, 40 und 50 gekennzeichnet sind, welche weitestgehend identisch aufgebaut sind. Die Leitungen für die Spannungsversorgung und insbesondere die Signalableitungen sind in Fig. 1 nicht im einzelnen dar­ gestellt, sondern werden pauschal mit 5 bezeichnet. Jede Karte, die beispielsweise als Karte 10 bzw. 110 anhand Fig. 2 in ihrem Aufbau weiter verdeutlicht wird, ist Träger einer Vielzahl von linear nebeneinandergereihten Sensoren und bildet damit jeweils eine Zeile eines flächenhaften Arrays. Insgesamt ergibt sich durch diese Anordnung ein kompakter Block als leicht handhabbare Meßvorrichtung 1.

In Fig. 2 ist beispielhaft die Karte 10 dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Silizium-Substrat 11 als Träger einzelner Sensoren 12 bzw. 13. Dabei sind speziell die Sensoren 12 in einer Linie im Abstand zur Substratkan­ te angeordnet, wogegen eine zweite Reihe von Sensoren 13 in geeigneter Weise dahinter gestaffelt angeordnet sind. Speziell durch diese "auf Lücke" versetzt gebildete Anord­ nung aller aneinandergereihter Einzelsensoren läßt sich der gesamte Kantenbereich 11a des Siliziumträgers 11 mit Meßpunkten versehen. Dabei sind die einzelnen Sensoren 12, 12′, . . . bzw. 13, 13′, . . . mit der Kante 11a des Substrates 11 über jeweilige Permalloy-Streifen 14, 14′, . . . als Fluß­ führungsstrukturen verbunden, welche Detektions-Pole für die magnetoresistiven Sensoren darstellen. Es kann somit ein linearer Abstand der Detektions-Pole von 0,5 bis 1 mm erreicht werden. Durch Stapelung einer entsprechenden An­ zahl von Karten im gleichen Abstand wird insgesamt ein flächenhaftes Raster mit beispielsweise 100 _* 100 Detek­ tions-Polen gebildet.

Rückseitig sind die einzelnen Sensoren 12, 12′, . . . bzw. 13, 13′, . . . über jeweils zwei Signalleitungen 16 und 16′ mit Hybrid-Chips 17 im oberen Bereich der Karte 10 verbun­ den. Die einzelnen Chips 17 sind für die Vorverstärkung der Signale, die Signalverarbeitung und das Auslesen der ausgewerteten Signale durch Multiplexen od. dgl. ausgelegt und können als Einzelchips in Hybrid-Technologie anwen­ dungsgerecht ausgewählt werden. Die Chips 17 selbst sind über Bonddrähte 18 vorteilhafterweise mit einer Streifen­ leiter-Folie 19 mit einer Vielzahl diskreter Leitungs­ strukturen verbunden. Alle Signalleitungen 16 bzw. Lei­ tungsstrukturen sind in Fig. 2 nur schematisch angedeu­ tet. Sie können zusammen mit den magnetoresistiven Senso­ ren 12, 12′, . . . und 13, 13′, . . . in Planartechnologie re­ alisiert sein, worauf nicht im einzelnen eingegangen wird.

Auf der vorstehend beschriebenen Anordnung aus dem Sili­ zium-Träger 11 mit der Vielzahl magnetoresistiver Sensoren 12, 12′, . . . bzw. 13, 13′, . . . und den einzelnen Hybrid- Chips 17 sind beidseitig magnetische Abschirmungen 15 und 105 aus Permalloymaterial aufgebracht. Die Schirmungen 15 und 105 unterdrücken den Einfluß von Magnetfeldern, die von Quellen außerhalb des Testbereiches herrühren und die zur Verfälschung der ausgewerteten Signale führen könnten.

Insbesondere im Bereich der Sensoren 12, 12′, . . . und 13, 13′, . . . ist die Abschirmung aus Permalloy so weit zur Kan­ te 11a des Siliziumträgers 11 geführt, daß ein Bereich de­ finierter Länge x verbleibt, in dem die Permalloystreifen 14 frei verlaufen. Durch Variation der freien Länge x kann die Detektionstiefe der Anordnung bestimmt werden. Es ist somit eine Optimierung durch die Anpassung der ungeschütz­ ten Flußführungsstrukturen 14 vor der Schirmung 15 an die beim Testobjekt vorliegende stromaktive Dicke möglich. Sinnvollerweise beträgt die Länge x etwa 0,5 bis 1 mm, was in der gleichen Größenordnung wie der Rasterabstand der Sensoranordnung liegt.

In Fig. 3 ist der Bereich eines Sensores 12 aus Fig. 2 um 90° verdreht im Schnitt dargestellt. Erkennbar sind in den einzelnen Schichten das Substrat 11, der magnetoresi­ stive Sensor 12 mit den elektrischen Leitungen 16 bzw. 16′, die vorgelagerte Flußführungsstruktur 14 und die ma­ gnetischen Abschirmungen 15 und 105. Das magnetoresistive Element 12 ist in bekannter Weise speziell so ausgebildet, daß die Flußführungsstruktur 14 als Detektions-Pol und die vordere Schirmung 15 als magnetischer Referenzpol dient. Die Leitungen 16 bzw. 16′ sind beispielsweise als metalli­ sche Dünnfilme innerhalb einer Isolationsschicht 121 aus­ gebildet, wobei diese auf der Rückseite der Anordnung von der Permalloyschicht 115 als weitere Schirmung abgedeckt ist.

In Fig. 4 wird verdeutlicht, wie eine besonders dichte Stapelung von Sensorkarten zur Ausbildung eines planaren Detektorarrays von beispielsweise 10 _* 10 cm² mit einem ca. 0,5 bis 1 mm Raster in beide Richtungen erfolgen kann, so daß insgesamt etwa 10⁴ Sensoren untergebracht sind. Speziell hier sind jeweils flächenmäßig unterschiedlich ausgebildete Karten 110, 120, 130 ff als zeilenartige Sen­ soranordnungen hintereinandergestapelt. Vorteilhaft ist dabei, daß jeweils eine der drei freien Kanten der Karten 110, 120 und 130 ff zum Zwecke der volumenmäßigen Unter­ bringung von Hybrid-Signalverarbeitungseinheiten und zum Zwecke der Anbindung von Streifenleiterfolien 115, 125, 135 ff als elektrische Anschlüsse aus der Stapelung her­ vorragt. Die Streifenleiter 115, 125, 135 ff können ge­ faltet und somit zu einem Bündel zusammengeführt werden. Es ergibt sich im gesamten Aufbau 100 ein Dreierzyklus, wobei die Karten 120, 150 ff sowie und 130, 160 ff jeweils an ihrer herausragenden Kante zur Sensorfront hin abge­ schrägt sind.

Die Anwendung eines Detektionsarrays gemäß Fig. 1 oder Fig. 4 zur Vermessung einer Printplatte erfolgt folgen­ dermaßen: Das Array wird auf etwa 0,5 mm Abstand an die zu testende Printplatte herangeführt und gehalten. Es kann auch auf die Lack- bzw. Isolierschicht der Printplatte kontaktlos aufgesetzt werden. Anschließend werden die Testbedingungen entsprechend genormten Testprozeduren va­ riiert. Dabei werden jeweils durch paralleles bzw. geeig­ netes gemultiplextes Auslesen aus den magnetischen Streu­ feldern, die durch die planare Stromverteilung in der Printplatte hervorgerufen werden, etwa 10⁴ magnetische Bildpixel abgefragt und auf einem Bildschirm dargestellt.

Für jedes Bildpixel stehen mehrere Bit Signalinformation zur Verfügung. Durch Vergleich vor und nach rechnerischer Bildauswertung, d. h. Rückrechnung auf die ursächlichen Stromverteilungen läßt sich unmittelbar eine Bewertung der zu untersuchenden Verhältnisse vornehmen.

Insgesamt ist somit eine Testvorrichtung geschaffen, die sich neben der Störunempfindlichkeit durch Robustheit und Universalität auszeichnet und sich daher in praxisgerech­ ter Weise einsetzen läßt.

Claims (19)

1. Verfahren zum zweidimensional ortsauflösenden Testen von Stromverteilungen in einem Detektionsobjekt, insbeson­ dere von planaren Gleichstrom(DC) und/oder Wechselstrom (AC)-Verteilungen, bei dem kontaktlos gemessen wird und die Messung nach dem magnetoresistiven Prinzip erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur si­ multanen Messung eine Vielzahl von magnetoresistiven Sen­ soren verwendet wird, die als Einzelsensoren bezüglich der Oberfläche des Detektionsobjektes ein Array bilden und je­ weils eine Schirmung aufweisen, wobei durch Ausformung der Schirmung eine vorgegebene Detektionstiefe erreichbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektionstiefe in Ab­ hängigkeit vom Detektionsobjekt optimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Optimierung durch An­ passung von Flußführungsstrukturen vor der Schirmung an die stromaktive Dicke des Meßobjektes erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zur orts­ auflösenden Erfassung der Streufelder das Auslesen der ma­ gnetoresistiven Sensoren parallel erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zur orts­ auflösenden Erfassung der Streufelder das Auslesen der ma­ gnetoresistiven Sensoren durch Multiplexen erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach An­ spruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Mehrzahl von parallel angeordneten, kartenartigen Sensoranordnungen (10, 20, 30 . . . ) aufgebaut sind, die jeweils aus einem Sub­ strat (11) mit einer Vielzahl von zeilenartig ausgerichte­ ten magnetoresistiven Sensoren (12, 12′, . . ., 13, 13′ . . .) mit zugehörigen Flußführungsstrukturen (14) bestehen, wo­ bei alle Sensoren (12, 12′, . . ., 13, 13′) zusammen ein flä­ chenhaftes Array bilden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf jedem Substrat (11) die einzelnen magnetoresistiven Sensoren (12, 13) mit magne­ tisch/elektrischen Schirmungen (15) und mit jeweils zuge­ ordneten hybridausgeführten Signalverarbeitungsschaltungen (17) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf jedem Substrat (11) die Sensoren (12, 12′, . . ., 13, 13′, . . . ) in zwei Reihen gestaf­ felt angeordnet sind und parallele Flußführungsstrukturen (14) als Magnetpole aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sub­ strat (11) aus Silizium besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium eine 10 _* 10 cm² große und ca. 0,5 mm dicke Scheibe (11) bildet, auf der die Sensoren (12, 12′, . . ., 13, 13′, . . .) und Schirmungen (15) mittels Dünnfilmtechnik und die Si­ gnalverarbeitungsschaltung (17), wie Vorverstärker od. dgl., in Hybridtechnik aufgesetzt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schirmung (15, 115) der Sensoren (12, 12′, . . ., 13, 13′, . . .) und die Flußführungs­ strukturen (14) aus Permalloy-Schichten bestehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzelnen kartenartigen Sensoranordnungen (10, 20, 30, . . . , 110, 120, 130, . . . ) der­ art gestapelt sind, daß wenigstens eine freie Kante zum Anschluß von streifenförmigen Anschlußleitungen (19) ge­ eignet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Stapelung von Sensor­ karten (110, 120, 130, . . . ) im 3er-Zyklus vorliegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes magnetoresistive Ele­ ment (12, 13) einem Detektionspol (14) zugeordnet ist und einen Referenzpol (15) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Referenzpol die magne­ tische Schirmung (15) aus der Permalloy-Schicht ist.

16. Anwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder ei­ nem der Ansprüche 7 bis 15 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, zum Testen von sog. Printplatten od. dgl., mit folgenden Ver­ fahrensschritten:

• - Die Vorrichtung wird an die Printplatte ohne Berührung der stromführenden Leiterbahnen herangeführt,
• - die von den durch planare Stromverteilungen in der Printplatte hervorgerufenen magnetischen Streufelder werden punktweise von den einzelnen magnetoresistiven Sensoren als elektrische Signale ausgelesen,
• - die elektrischen Signale werden unmittelbar einer Verar­ beitung einschließlich Bewertung unterzogen.

17. Anwendung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorrichtung weniger als 1 mm, vorzugsweise bis etwa 0,5 mm an die zu testende Printplatte herangeführt wird.

18. Anwendung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß entsprechend der zu ver­ messenden Printplatte vorgegebene Testprozeduren zeitlich durchfahren werden.

19. Anwendung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erfassung einer größe­ ren Printplatte durch blockweises Testen erfolgt.