專利名稱：采用光電效應測試電氣跡的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測試諸如在一個基片如印刷電路板上的電氣跡(electrical trace)，測試其諸如開路、短路、頸縮(neck-down)或異常蝕刻；更具體地說涉及采用光電效應的測試方法。
在制造電子元件方面，封裝密度已經(jīng)大大增大，導致位于具有許多從一側到另一側的連接的基片兩側的跡極其窄且薄。這種細跡制造困難，使得缺陷較為常見。因此，測試在基片兩側的細跡和從基片一側到另一側的連接的質量已經(jīng)變得日益重要。
大多數(shù)有關測試跡的常規(guī)方法涉及用一個或兩個測試探針對跡進行物理接觸。測試探針的物理放置精度和物理尺寸限制了其在大量測試方面的應用。許多電流跡小或密集，使得它們只能利用非常費時且不經(jīng)濟的過程與一個物理探針單獨相連。雖然接觸式探針可以獲得并能夠用于生產(chǎn)方式，然而接觸的作用，更確切地說所需要的得到良好電接觸的力太高，足以使薄薄的跡遭受永久性的損壞，使其無用。
因此，一直需要一種用于測試開路、短路、頸縮(neck-down)或異常蝕刻的測試裝置和方法，其中，跡不被物理接觸，并且，不是過于費時。
本發(fā)明是一種用于諸如在電路板的的電氣跡的測試器，其優(yōu)選實施例概略地說包括一個生成一紫外線射束的激光器；一個真空室；一個電極電路，包括電極和相應的電子器件，電子器件包括用于測量跡與電極之間的光電子流的電流表；一個控制器；一個激光束光學器件；一個圖像采集系統(tǒng)；和一對寬帶紫外線燈。
在測試中，具有跡的板放置在處于低壓的真空室中，這時在板的每一側有格柵電極位于跡區(qū)域。電極電子器件有選擇地在每個電極上保持一個已知的電位。跡的準確的位置利用一個圖像采集系統(tǒng)來確定。
跡被初始化至一個已知的電壓，諸如通過(1)感應高壓法，首先將一個較高的正電壓施加到一個電極上，一個高負電壓施加到另一個電極上，然后顛倒上述電壓的極性；(2)電極的同時光電子效應照射，其方式是，將兩個電極置于已知的正電壓并利用寬帶紫外線電磁源照射電極、板和跡；或者(3)激光法，其方式是，將電極置于已知的電壓并使激光束高頻振動，以撞擊一部分電極和一條跡。把激光束照射在一個位置上以便釋放光電子稱作“詢問(interrogating)”。
一條跡上的兩個點間的連續(xù)性是通過如下方式來確定的詢問第一位置直到它充電至一個已知電壓，然后詢問第二位置。
跡之間的短路通過如下方式來確定詢問第一跡直到它被充電至一個已知電壓，然后詢問第二跡。
通過結合附圖閱讀下面的詳細說明將會更加清楚本發(fā)明的其他特征和許多伴隨的優(yōu)點，在附圖中，相同的附圖標記始終表示相同的部件。


圖1為本發(fā)明跡測試器的一個優(yōu)選實施例的示意表示圖。
圖2為圖1中的真空室及其內容物的放大視圖。
圖3為圖1中的圖像采集單元的放大表示圖。
圖4為電磁源裝置和圖1中的光束路單元的放大表示圖。
圖5為一個代表性的基片和附近單元的放大的垂直剖視圖。
如圖1和5中所最清楚表示的，基片80，諸如具有上側81U和下側81L的印刷電路板80P，具有要測試的電氣跡85。一條給定的跡85可以包括在板上側81U的上部85U和在板下側81L的下部85L。每一條跡85包括用于連接電氣元件的墊(pad)87，通常，位于每一條跡85端部的是端墊87E，如上端墊87EU和下端墊87EL。典型的是，跡85通過金屬化通孔89從上側81U通向下側81L。
測試器10，如圖所示，測試在板80P的上、下兩側81U、81L上的跡85。可以對測試器10作出顯而易見的修改，使其只測試在板80P的一側上的跡85。
跡測試器10概略地說包括一個電磁源裝置20、一個真空室裝置12、一個包括電極51和相應的電子線路55的電極電路49、一個控制器71和多個寬帶電磁源裝置18如寬帶電磁源對18U、18L。
另外參見圖2，真空室裝置可以具有常規(guī)的眾所周知的設計，用于在測試空間13內產(chǎn)生真空壓力并將其控制在規(guī)定的值。
真空室裝置12包括一個包圍測試空間13的室12C；一個排氣裝置諸如真空泵14，用于降低測試空間13內的壓力；用于存取的門(未示出)；和窗15，諸如上窗15U和下窗15L。真空室12的采用有助于測試器10的效率。
板80P放置在真空室12內并被不妨礙測試器10工作的任何合適的裝置支承。真空泵14將空間13抽空至大致真空的程度。圖像采集圖3為圖1中的圖像采集單元的放大表示圖，測試器10通過圖像采集單元確定測試跡85T在室12C中相對于光路元件的位置。優(yōu)選地，板80P在室12內的手動或機械放置的初始精度大約為±1.02mm(±0.40英寸)。板80P放置的精確定位通過采用圖像采集來確定?？刂破?1包括一個計算機并具有板80P上的跡85和其他標志的映象?？刂破?1經(jīng)路徑72U控制上伺服機構35U，而上伺服機構35U則將上電流束鏡(galvo beam mirror)44U旋轉到一個預定位置，該鏡會俘獲在板80P的上側81U的基準、可識別特征的圖像。此圖像經(jīng)掃描透鏡46U、上電流束鏡44U被反射，通過上高反射器41U和上望遠鏡式視覺系統(tǒng)47U至通過線73U連接于控制器71的上CCD采集系統(tǒng)48U。把基準的實際位置與由控制器71所提供的位置數(shù)據(jù)作比較。這種過程對第二個和也許存在的第三個已知的基準重復進行。所得的數(shù)據(jù)會提供X、Y位置偏移和/或比例因子，它們被用于確定板80P上的測試跡85T的每個上端墊87EU的位置數(shù)據(jù)。
以同樣的方式，控制器71經(jīng)線73L控制下伺服機構35L，而該下伺服機構則將下電流束鏡44L旋轉到一個預定位置，該鏡會俘獲在板80P的下側81L的基準的圖像。此圖像經(jīng)掃描透鏡46L、下電流束鏡44L被反射，通過第一下高反射器41LS和下望遠鏡式視覺系統(tǒng)47L至通過線73L連接于控制器71的下CCD采集系統(tǒng)48L。把基準的實際位置與由控制器71所提供的位置數(shù)據(jù)作比較。這種過程對第二個和也許存在的第三個已知的基準重復進行。所得的數(shù)據(jù)會提供X、Y位置偏移和/或比例因子，它們被用于確定板80P上的測試跡85T的每個下端墊87EL的位置數(shù)據(jù)。
在板80P的兩側執(zhí)行這一任務不僅校正了板80P定位誤差，而且解決了在板80P的上側81U的跡的圖案相對板80P的下側81L的跡的圖案的定位或對準方面的任何誤差，并解決了材料伸展和收縮的問題。
這樣，控制器71知道板80P上的跡85相對于光路元件的實際位置。光束路圖4為圖1中的電磁源裝置20和光束路單元的放大表示圖。電磁源裝置20一般包含一個電磁輻射源21，如紫外線激光器22，用于生成一束電磁輻射束24，如紫外光束；和包括用于將射束24分成上、下射束24U、24L的分束器42的光路元件38，用于把射束24U、24L射向室12C。盡管圖示了一個單獨的源21用于生成射束24U、24L，但是可以采用多個源。激光器22可以是連續(xù)式的、脈沖式的、Q開關式的或鎖模式的。Q開關式的優(yōu)選。
上射束24U通過上光閘43U和上射束調節(jié)光學器件37U，離開上高反射器41U，至上電流束鏡44U，然后通過上掃描透鏡46U、窗15U和上電極51U，至一個具體的靶，諸如到達測試跡85T或一個端墊87E。
掃描透鏡45U和45L已經(jīng)為平面聚焦場而設計，同時在同一掃描區(qū)域既維持視覺也維持紫外線波長。
光閘43U和43L用來通過使射束24U和24L照射跡85T的端墊87EU和87EL而控制測試時間。光閘43U和43L可以是機電式的、壓電式的、聲光式的或電光式的。
下射束24L反射離開第一下高反射器41LF，通過下光閘43L和下射束調節(jié)光學器件37L，反射離開第二下高反射器41LS，至下電流束鏡44L，然后通過下掃描透鏡46L和窗15L。電流束鏡44U、44L受上、下伺服機構35U、35L的控制，將射束24U、24L偏轉向所希望的靶。伺服機構35U、35L通過連接器72U、72L連接于控制器71。控制器71具有板80P上的所有跡85的映象，并被編程為在所選擇的時刻順序控制和移動射束24U、24L至所希望的測試靶。
優(yōu)選的是，進入窗15U、15L的射束24U、24L具有小橫截面，諸如聚焦成在板80P的全部區(qū)域直徑大約為0.076mm(0.003英寸)或更小，并能夠在靶上產(chǎn)生光電效應，由此從中釋放出電子，有時稱之為光電子。
電極電路49包括電極51，如上電極51U和下電極51L，并且是關聯(lián)電子器件55U、55L。在優(yōu)選實施例中，電極51U、51L為0.025mm(0.001英寸)或更細的金屬絲53的格柵52U、52L，金屬絲53是以0.38mm(0.015英寸)或更窄的柵距交織的。格柵52U、52L分別位于板80P之上和之下大約5mm處，并分別處于跡85上方和下方。測試可采取較大或較小的分離距離實施。
電極51的替換形式包括蝕刻板或膜片。板電極包括諸如玻璃制的透明板，具有諸如鉻的導電網(wǎng)格狀線，沉積并蝕刻在朝向板80P的一側。膜片電極包括一個薄而透明的導電膜片，其朝向板80P的表面涂敷(例如濺射)有限量的導電金屬，導電金屬呈對上述射束來說可充分穿透的、諸如為金屬的薄導電涂層形式。
電極電子器件55U、55L對分別在線56U、56L上的電極51U、51L提供電壓，并諸如利用儀表59如安培表59U、59L分析通過電極51的電流。由格柵電子器件積聚的結果分別經(jīng)線57U、57L發(fā)送到控制器71，用于顯示和/或記錄。
在某些應用場合，一個電極51如上電極51U如果附近的跡85具有較低的電位則起一個集電極亦即電子集電極的作用，以及，一個電極51如下電極51L如果附近的跡85具有較高的電位則起一個發(fā)射極亦即電子發(fā)射極的作用。測試之前電路板的初始化通常，板80P和跡85起初處于一個未知的電壓下。板和跡的初始電壓可能是由于搬運、運動或真空抽氣期間靜電積累而引起的。為了測試的目的，希望使板80和跡85具有已知的電壓初始條件，以便能夠進行可靠的、可預測的和可重復的測試。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術中的已知裝置不能可靠地工作。例如，通過接地輥傳送板80P使板80P和跡85具有零電壓或不帶電的常見做法并不能可靠工作，因為在測試之前在板80P上進行的后續(xù)的操作如將其移入室12C和真空抽氣會導致在板80P和/或跡85上形成靜電。因此，采用了下面的幾個方法使所有的跡85置于一已知的初始電壓下。
板80P和跡85的電壓初始化的一個方法是利用感應高壓。在這一方法中，所有跡85被賦予一個已知的電壓，其方式是將范圍在500至2000伏的較高的正電壓加在一個電極51上，使其成為一個集電極51C，與此同時，將范圍在500至2000伏的高負電壓加在另一個電極51上，使其成為一個發(fā)射極51E，結果，在存在自然本底電子的情形下所形成的高電位場激發(fā)出一個從發(fā)射極51E發(fā)射向具有更高電位的集電極51運動的電子流。由于板80P插在電極51之間的空間內，許多電子撞擊板80P，并且，許多電子隨后被板80P發(fā)射，向集電極51C運動。如果在集電極51C和發(fā)射極51E上的電壓被快速切換，則一些電子會留在板80P上并在跡85上聚集，由此將跡85充電至一已知的、正比于上述所施加電壓的電壓。變換施加于電極51的電壓的極性保證了在板80P兩側的所有跡85均被充電至相同的電壓。完成這種切換的電路是簡單的并在現(xiàn)有技術中眾所周知。如利用電極電子器件55測量的光電子流降至零時所處的電壓為留在跡85上的殘余電壓。
板80P和跡85電壓初始化的另一個方法是利用電極51和跡85的同時光電子效應照射。電極51被設定成范圍在5至300伏的已知的正電壓。上寬帶紫外線電磁源18U定位成照射板上側81U和之上部位。下寬帶紫外線電磁源18L定位成照射板下側81L和之下部位。使寬帶紫外線電磁源18U、18L閃爍，以便光電效應致使光電子從所有的跡85、電極51和附近的所有其他金屬表面釋放，結果電子會沿由電極51上的已知電壓和跡85上的未知電壓所決定的不同的方向流動，直到跡85被充電至與電極相同的電壓為止。令人滿意的寬帶紫外線電磁源18是發(fā)射波長為300納米或更小的光的紫外線燈。
將跡85充電至已知電壓的又一個方法是采用激光法，在這種方法中，在將電極51設置成范圍在10-100伏的已知電壓后，采用紫外線激光器22和光路元件39用射束24U或24L同時照射電極51上的點和單獨的跡85T，使得光電子由電極51和跡85T釋放并流動，直至跡85處于與電極51相同的電位。在實踐中，當電極51為金屬絲格柵52或等效物時，射束24L、24U撞擊電極51的一部分，同時運動中心對準靶測試墊87EU或87EL。該方法一次只對一條跡85充電，所以所描述的過程必須對每一條跡85重復進行。此外，每一條跡85的每一端87E必須均被射束24U或24L照射，以保證將一個均勻的電壓施加到可能具有一個開路的跡85上。連續(xù)性測試在測試跡85在兩點間的連續(xù)性的一個優(yōu)選的方法中，電極電子器件55U將兩個電極51作為集電極51C保持在一給定的電位，以便收集因射束24U、24L在跡85上的光電效應而釋放的電子。跡85上的第一位置，諸如上端墊87EU，被射束24U詢問。這將此第一位置充電至等于上集電極51C的電壓電平。當通過在跡85和集電極51C之間不再有電流而清楚表明該電壓電平已經(jīng)達到時，則將射束24U或24L射向另一個位置，例如跡85的相對的端墊87EL。如果此第二端點被充電至相同的電壓電平使得沒有電流被檢測出的話，則可以認為在第一和第二位置之間存在連續(xù)性。相反，如果檢測出電流，則第二位置不會呈現(xiàn)與集電極51C的電平相等的充電電平，從而可以認為已經(jīng)檢測出一個開路，且系統(tǒng)會將此作為一個缺陷加以顯示和/或記錄。每一條跡85都以這種方式進行連續(xù)性測試。短路測試以類似于上述確定連續(xù)性或開路的同樣的方式進行短路測試。緊接在確定跡的有關連續(xù)性亦即沒有開路的真實性后，可以詢問相鄰跡的一些位置例如端墊，以確定其電壓電平。如果相鄰跡沒有呈現(xiàn)出與集電極的電壓電平相等的電壓電平，則可以認為相鄰跡是與初始跡斷開的。如果一個相鄰跡例如通過顯示沒有電流的儀表而呈現(xiàn)出與初始跡相同的電壓電平，則可以認為在兩個跡之間存在短路，使第二跡同時與初始跡一起充電到集電極電壓電平。測試器10會將其作為一個缺陷加以顯示和/或記錄。
必須對所有相鄰的跡以同樣的方式加以測試，以保證所測試的初始跡沒有與板80P上的其他任何跡發(fā)生短路。
本發(fā)明的進一步的優(yōu)點是能夠對初始測試沒有通過的單獨的跡85T快速重新測試。在這種情況下，方法與前面描述的相同，只是利用激光法采用射束24U或24L進行初始充電至一個已知電壓，因為不是所有的跡都必須重新充電，只有初始測試沒有通過的跡。測量在測量開路或短路期間，當收集由板80P朝向電極51一側上的跡85發(fā)射的電子時，電極51上的電壓必須設定為高于在初始充電時殘留在跡85上的剩余電壓的正值。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在對跡85進行測試期間，當把射束24U或24L射向頂墊87EU或射向底墊87EL時，光電子會以更快的速度釋放，并以更快的速度運動至一個集電極51C，條件是在相對電極51上的電壓被切換至一個較高的負值，例如-100至-300伏，生成了一個大電場。收集速度的增加意味著每單位時間能夠進行更多的測試。
當采用紫外線燈18U和18L或者采用紫外線激光器22來將所有的跡充電至一已知初始電壓時，集電極51C上的電壓在測量開路和短路期間可以位于5至300伏的范圍。當射束24U射向頂端墊87EU時，最好是上電極51U設置成正100伏，而相對的電極51L設置成負150伏。當射束24L射向底端墊87EL時，最好是下電極51L設置成正100伏，而上電極51U設置成負150伏。
盡管已經(jīng)對本發(fā)明的具體實施例進行了舉例描述和說明，但是在不犧牲本發(fā)明優(yōu)點的情況下可以在部件的形式、成分、結構和布置方面進行多種修改。因此，應當明白，在此的所有內容均應理解為例示性的而不是限制性的，并且意味著，所附的權利要求覆蓋在本發(fā)明的實質精神和范圍的上述修改。
權利要求
1．一種用于測試電氣跡(85)的測試器(10)，其特征在于，它包括電磁源(18)，首先用于把電磁輻射(21)的第一射束(39U)射到一個電氣跡(85U)上的第一位置上，以在其上產(chǎn)生光電效應，另外用于把電磁輻射(25)的第二射束(39L)射到上述跡(85)上的第二位置上，以在其上產(chǎn)生光電效應；電極電路(49)，包括一個置于上述跡(85)附近的電極(51)，所述電極電路(49)用于把所述電極(51)保持在給定的電位，以便收集通過上述射束(39U,39L)在跡(85)上產(chǎn)生的光電效應而釋放的電子；和一個儀表(57)，用于測量在所述電極電路(49)和跡(85)之間的光電流。
2．如權利要求1所述的測試器(10)，其特征在于，它還包括寬帶電磁源，用于同時用電磁輻射照射多個跡(85)和所述電極(51)，以在其上產(chǎn)生光電效應。
3．如權利要求1所述的測試器(10)，其特征在于所述電極電路(49)包括一個所述射束(39U,39L)基本上可以透射的電極(51)。
4．如權利要求3所述的測試器(10)，其特征在于所述電極電路(49)包括一個上述射束(39U,39L)可以透射的片式電極，該電極具有一個朝向測試跡且其上具有一層導電膜的表面。
5．如權利要求3所述的測試器(10)，其特征在于，所述片式電極包括金屬絲格柵(52)。
6．如權利要求1至5任一項所述的測試器(10)，其特征在于，它還包括一個用于容納上述測試跡(85)的真空室(12)。
7．一種用于測試電氣跡(85)的方法，其特征在于測量在一個集電極(50)和上述跡(85)之間的光電流；把一個電極電路(49)的一個集電極(51)置于靠近上述跡(85)的位置，以便收集因在上述跡(85)上產(chǎn)生的光電效應而釋放的電子；把上述集電極(51)保持在一已知的電位；以及把第一電磁射束(39U)射到在一個跡上的第一位置(85U)上，以便在該跡上產(chǎn)生光電效應，直到該跡被充電至一已知電位為止。
8．如權利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括下述步驟將上述測試跡(85T)和集電極(50)在照射上述第一電磁射束(39U)之前置于一個真空室(12)內。
9．如權利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括下述步驟在將第一電磁射束(39U)射到在一個跡(85)上的第一位置(85U)之前，使上述跡(85)初始化成具有一已知的電位。
10．如權利要求9所述的方法，其特征在于，上述使上述跡(85)初始化的步驟包括用一個寬帶電磁源(18)照射上述跡(85)和集電極(51)，以在其上產(chǎn)生光電效應。
11．如權利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括下述步驟把上述電極電路(49)的一個集電極(51)放置成靠近上述跡(85)上的第二位置(85L)，以便收集因在上述跡(85)上的第二位置(85L)上產(chǎn)生的光電效應而釋放的電子；將一個正電位提供給上述靠近第二位置(85L)的集電極(51)；測量在上述跡(85)和靠近第二位置(85L)的集電極(51)之間的光電流；以及把電磁輻射的第二射束(39L)射到在上述跡(85)上的第二位置(85L)處，以便在其上產(chǎn)生光電效應。
12．如權利要求11所述的方法，其特征在于，上述使上述跡(85)初始化的步驟包括使射在上述跡(85)和集電極(51)的電磁射束(39)高頻振動，直到跡(85)被充電至一已知電位為止。
13．如權利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括下述步驟測量在一個集電極(50)和一個第二跡(85L)之間的光電流；把一個電極電路(49)的一個集電極(51)置于靠近第二跡(85L)的位置，以便收集因在上述第二跡(85L)上產(chǎn)生的光電效應而釋放的電子；把上述靠近上述第二跡(85L)的集電極(51)保持在一已知的電位；以及把第二電磁射束(39L)射到第二跡(85L)上，以便在該跡上產(chǎn)生光電效應。
14．如權利要求13所述的方法，其特征在于，它還包括下述步驟在將第一電磁射束(39U)射到在一個跡(85)上的第一位置(85U)之前，使上述跡(85)初始化成具有一已知的電位。
15．如權利要求13所述的方法，其特征在于，上述使上述跡(85)初始化的步驟包括用一個寬帶電磁源照射上述跡(85)和集電極(51)，以在其上產(chǎn)生光電效應。
16．如權利要求13所述的方法，其特征在于，上述使上述跡初始化的步驟包括使射在上述跡(85)和集電極(51)的電磁射束高頻振動，直到跡(85)被充電至一已知電位為止。
全文摘要
用于諸如電路板上的電氣跡的測試器,包括:諸如為生成紫外線射束的激光器的電磁射束源;真空室;電極電路,包括電極和相應的電子器件,后者包括用于測量跡與電極之間的光電子流的電流表;控制器;激光束光學器件;圖像采集系統(tǒng);和一對寬帶紫外線燈。在測試中,具有跡的板放置在處于低壓的真空室中,這時在板的每一側有格柵電極靠近跡區(qū)域。電極電子器件有選擇地在每個電極上保持一個已知的電位。跡的準確的位置利用一個圖像采集系統(tǒng)來確定。
文檔編號G01R31/309GK1305111SQ00107068
公開日2001年7月25日 申請日期2000年4月27日 優(yōu)先權日1999年12月15日
發(fā)明者馬里奧·A·庫吉尼 申請人:馬尼亞泰克公司