专利名称：采用光电效应测试电气迹的装置和方法
技术领域：
本发明涉及测试诸如在一个基片如印刷电路板上的电气迹(electrical trace)，测试其诸如开路、短路、颈缩(neck-down)或异常蚀刻；更具体地说涉及采用光电效应的测试方法。
在制造电子元件方面，封装密度已经大大增大，导致位于具有许多从一侧到另一侧的连接的基片两侧的迹极其窄且薄。这种细迹制造困难，使得缺陷较为常见。因此，测试在基片两侧的细迹和从基片一侧到另一侧的连接的质量已经变得日益重要。
大多数有关测试迹的常规方法涉及用一个或两个测试探针对迹进行物理接触。测试探针的物理放置精度和物理尺寸限制了其在大量测试方面的应用。许多电流迹小或密集，使得它们只能利用非常费时且不经济的过程与一个物理探针单独相连。虽然接触式探针可以获得并能够用于生产方式，然而接触的作用，更确切地说所需要的得到良好电接触的力太高，足以使薄薄的迹遭受永久性的损坏，使其无用。
因此，一直需要一种用于测试开路、短路、颈缩(neck-down)或异常蚀刻的测试装置和方法，其中，迹不被物理接触，并且，不是过于费时。
本发明是一种用于诸如在电路板的的电气迹的测试器，其优选实施例概略地说包括一个生成一紫外线射束的激光器；一个真空室；一个电极电路，包括电极和相应的电子器件，电子器件包括用于测量迹与电极之间的光电子流的电流表；一个控制器；一个激光束光学器件；一个图像采集系统；和一对宽带紫外线灯。
在测试中，具有迹的板放置在处于低压的真空室中，这时在板的每一侧有格栅电极位于迹区域。电极电子器件有选择地在每个电极上保持一个已知的电位。迹的准确的位置利用一个图像采集系统来确定。
迹被初始化至一个已知的电压，诸如通过(1)感应高压法，首先将一个较高的正电压施加到一个电极上，一个高负电压施加到另一个电极上，然后颠倒上述电压的极性；(2)电极的同时光电子效应照射，其方式是，将两个电极置于已知的正电压并利用宽带紫外线电磁源照射电极、板和迹；或者(3)激光法，其方式是，将电极置于已知的电压并使激光束高频振动，以撞击一部分电极和一条迹。把激光束照射在一个位置上以便释放光电子称作“询问(interrogating)”。
一条迹上的两个点间的连续性是通过如下方式来确定的询问第一位置直到它充电至一个已知电压，然后询问第二位置。
迹之间的短路通过如下方式来确定询问第一迹直到它被充电至一个已知电压，然后询问第二迹。
通过结合附图阅读下面的详细说明将会更加清楚本发明的其他特征和许多伴随的优点，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的部件。
图1为本发明迹测试器的一个优选实施例的示意表示图。
图2为图1中的真空室及其内容物的放大视图。
图3为图1中的图像采集单元的放大表示图。
图4为电磁源装置和图1中的光束路单元的放大表示图。
图5为一个代表性的基片和附近单元的放大的垂直剖视图。
如图1和5中所最清楚表示的，基片80，诸如具有上侧81U和下侧81L的印刷电路板80P，具有要测试的电气迹85。一条给定的迹85可以包括在板上侧81U的上部85U和在板下侧81L的下部85L。每一条迹85包括用于连接电气元件的垫(pad)87，通常，位于每一条迹85端部的是端垫87E，如上端垫87EU和下端垫87EL。典型的是，迹85通过金属化通孔89从上侧81U通向下侧81L。
测试器10，如图所示，测试在板80P的上、下两侧81U、81L上的迹85。可以对测试器10作出显而易见的修改，使其只测试在板80P的一侧上的迹85。
迹测试器10概略地说包括一个电磁源装置20、一个真空室装置12、一个包括电极51和相应的电子线路55的电极电路49、一个控制器71和多个宽带电磁源装置18如宽带电磁源对18U、18L。
另外参见图2，真空室装置可以具有常规的众所周知的设计，用于在测试空间13内产生真空压力并将其控制在规定的值。
真空室装置12包括一个包围测试空间13的室12C；一个排气装置诸如真空泵14，用于降低测试空间13内的压力；用于存取的门(未示出)；和窗15，诸如上窗15U和下窗15L。真空室12的采用有助于测试器10的效率。
板80P放置在真空室12内并被不妨碍测试器10工作的任何合适的装置支承。真空泵14将空间13抽空至大致真空的程度。图像采集图3为图1中的图像采集单元的放大表示图，测试器10通过图像采集单元确定测试迹85T在室12C中相对于光路元件的位置。优选地，板80P在室12内的手动或机械放置的初始精度大约为±1.02mm(±0.40英寸)。板80P放置的精确定位通过采用图像采集来确定。控制器71包括一个计算机并具有板80P上的迹85和其他标志的映象。控制器71经路径72U控制上伺服机构35U，而上伺服机构35U则将上电流束镜(galvo beam mirror)44U旋转到一个预定位置，该镜会俘获在板80P的上侧81U的基准、可识别特征的图像。此图像经扫描透镜46U、上电流束镜44U被反射，通过上高反射器41U和上望远镜式视觉系统47U至通过线73U连接于控制器71的上CCD采集系统48U。把基准的实际位置与由控制器71所提供的位置数据作比较。这种过程对第二个和也许存在的第三个已知的基准重复进行。所得的数据会提供X、Y位置偏移和/或比例因子，它们被用于确定板80P上的测试迹85T的每个上端垫87EU的位置数据。
以同样的方式，控制器71经线73L控制下伺服机构35L，而该下伺服机构则将下电流束镜44L旋转到一个预定位置，该镜会俘获在板80P的下侧81L的基准的图像。此图像经扫描透镜46L、下电流束镜44L被反射，通过第一下高反射器41LS和下望远镜式视觉系统47L至通过线73L连接于控制器71的下CCD采集系统48L。把基准的实际位置与由控制器71所提供的位置数据作比较。这种过程对第二个和也许存在的第三个已知的基准重复进行。所得的数据会提供X、Y位置偏移和/或比例因子，它们被用于确定板80P上的测试迹85T的每个下端垫87EL的位置数据。
在板80P的两侧执行这一任务不仅校正了板80P定位误差，而且解决了在板80P的上侧81U的迹的图案相对板80P的下侧81L的迹的图案的定位或对准方面的任何误差，并解决了材料伸展和收缩的问题。
这样，控制器71知道板80P上的迹85相对于光路元件的实际位置。光束路图4为图1中的电磁源装置20和光束路单元的放大表示图。电磁源装置20一般包含一个电磁辐射源21，如紫外线激光器22，用于生成一束电磁辐射束24，如紫外光束；和包括用于将射束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。尽管图示了一个单独的源21用于生成射束24U、24L，但是可以采用多个源。激光器22可以是连续式的、脉冲式的、Q开关式的或锁模式的。Q开关式的优选。
上射束24U通过上光闸43U和上射束调节光学器件37U，离开上高反射器41U，至上电流束镜44U，然后通过上扫描透镜46U、窗15U和上电极51U，至一个具体的靶，诸如到达测试迹85T或一个端垫87E。
扫描透镜45U和45L已经为平面聚焦场而设计，同时在同一扫描区域既维持视觉也维持紫外线波长。
光闸43U和43L用来通过使射束24U和24L照射迹85T的端垫87EU和87EL而控制测试时间。光闸43U和43L可以是机电式的、压电式的、声光式的或电光式的。
下射束24L反射离开第一下高反射器41LF，通过下光闸43L和下射束调节光学器件37L，反射离开第二下高反射器41LS，至下电流束镜44L，然后通过下扫描透镜46L和窗15L。电流束镜44U、44L受上、下伺服机构35U、35L的控制，将射束24U、24L偏转向所希望的靶。伺服机构35U、35L通过连接器72U、72L连接于控制器71。控制器71具有板80P上的所有迹85的映象，并被编程为在所选择的时刻顺序控制和移动射束24U、24L至所希望的测试靶。
优选的是，进入窗15U、15L的射束24U、24L具有小横截面，诸如聚焦成在板80P的全部区域直径大约为0.076mm(0.003英寸)或更小，并能够在靶上产生光电效应，由此从中释放出电子，有时称之为光电子。
电极电路49包括电极51，如上电极51U和下电极51L，并且是关联电子器件55U、55L。在优选实施例中，电极51U、51L为0.025mm(0.001英寸)或更细的金属丝53的格栅52U、52L，金属丝53是以0.38mm(0.015英寸)或更窄的栅距交织的。格栅52U、52L分别位于板80P之上和之下大约5mm处，并分别处于迹85上方和下方。测试可采取较大或较小的分离距离实施。
电极51的替换形式包括蚀刻板或膜片。板电极包括诸如玻璃制的透明板，具有诸如铬的导电网格状线，沉积并蚀刻在朝向板80P的一侧。膜片电极包括一个薄而透明的导电膜片，其朝向板80P的表面涂敷(例如溅射)有限量的导电金属，导电金属呈对上述射束来说可充分穿透的、诸如为金属的薄导电涂层形式。
电极电子器件55U、55L对分别在线56U、56L上的电极51U、51L提供电压，并诸如利用仪表59如安培表59U、59L分析通过电极51的电流。由格栅电子器件积聚的结果分别经线57U、57L发送到控制器71，用于显示和/或记录。
在某些应用场合，一个电极51如上电极51U如果附近的迹85具有较低的电位则起一个集电极亦即电子集电极的作用，以及，一个电极51如下电极51L如果附近的迹85具有较高的电位则起一个发射极亦即电子发射极的作用。测试之前电路板的初始化通常，板80P和迹85起初处于一个未知的电压下。板和迹的初始电压可能是由于搬运、运动或真空抽气期间静电积累而引起的。为了测试的目的，希望使板80和迹85具有已知的电压初始条件，以便能够进行可靠的、可预测的和可重复的测试。业已发现，现有技术中的已知装置不能可靠地工作。例如，通过接地辊传送板80P使板80P和迹85具有零电压或不带电的常见做法并不能可靠工作，因为在测试之前在板80P上进行的后续的操作如将其移入室12C和真空抽气会导致在板80P和/或迹85上形成静电。因此，采用了下面的几个方法使所有的迹85置于一已知的初始电压下。
板80P和迹85的电压初始化的一个方法是利用感应高压。在这一方法中，所有迹85被赋予一个已知的电压，其方式是将范围在500至2000伏的较高的正电压加在一个电极51上，使其成为一个集电极51C，与此同时，将范围在500至2000伏的高负电压加在另一个电极51上，使其成为一个发射极51E，结果，在存在自然本底电子的情形下所形成的高电位场激发出一个从发射极51E发射向具有更高电位的集电极51运动的电子流。由于板80P插在电极51之间的空间内，许多电子撞击板80P，并且，许多电子随后被板80P发射，向集电极51C运动。如果在集电极51C和发射极51E上的电压被快速切换，则一些电子会留在板80P上并在迹85上聚集，由此将迹85充电至一已知的、正比于上述所施加电压的电压。变换施加于电极51的电压的极性保证了在板80P两侧的所有迹85均被充电至相同的电压。完成这种切换的电路是简单的并在现有技术中众所周知。如利用电极电子器件55测量的光电子流降至零时所处的电压为留在迹85上的残余电压。
板80P和迹85电压初始化的另一个方法是利用电极51和迹85的同时光电子效应照射。电极51被设定成范围在5至300伏的已知的正电压。上宽带紫外线电磁源18U定位成照射板上侧81U和之上部位。下宽带紫外线电磁源18L定位成照射板下侧81L和之下部位。使宽带紫外线电磁源18U、18L闪烁，以便光电效应致使光电子从所有的迹85、电极51和附近的所有其他金属表面释放，结果电子会沿由电极51上的已知电压和迹85上的未知电压所决定的不同的方向流动，直到迹85被充电至与电极相同的电压为止。令人满意的宽带紫外线电磁源18是发射波长为300纳米或更小的光的紫外线灯。
将迹85充电至已知电压的又一个方法是采用激光法，在这种方法中，在将电极51设置成范围在10-100伏的已知电压后，采用紫外线激光器22和光路元件39用射束24U或24L同时照射电极51上的点和单独的迹85T，使得光电子由电极51和迹85T释放并流动，直至迹85处于与电极51相同的电位。在实践中，当电极51为金属丝格栅52或等效物时，射束24L、24U撞击电极51的一部分，同时运动中心对准靶测试垫87EU或87EL。该方法一次只对一条迹85充电，所以所描述的过程必须对每一条迹85重复进行。此外，每一条迹85的每一端87E必须均被射束24U或24L照射，以保证将一个均匀的电压施加到可能具有一个开路的迹85上。连续性测试在测试迹85在两点间的连续性的一个优选的方法中，电极电子器件55U将两个电极51作为集电极51C保持在一给定的电位，以便收集因射束24U、24L在迹85上的光电效应而释放的电子。迹85上的第一位置，诸如上端垫87EU，被射束24U询问。这将此第一位置充电至等于上集电极51C的电压电平。当通过在迹85和集电极51C之间不再有电流而清楚表明该电压电平已经达到时，则将射束24U或24L射向另一个位置，例如迹85的相对的端垫87EL。如果此第二端点被充电至相同的电压电平使得没有电流被检测出的话，则可以认为在第一和第二位置之间存在连续性。相反，如果检测出电流，则第二位置不会呈现与集电极51C的电平相等的充电电平，从而可以认为已经检测出一个开路，且系统会将此作为一个缺陷加以显示和/或记录。每一条迹85都以这种方式进行连续性测试。短路测试以类似于上述确定连续性或开路的同样的方式进行短路测试。紧接在确定迹的有关连续性亦即没有开路的真实性后，可以询问相邻迹的一些位置例如端垫，以确定其电压电平。如果相邻迹没有呈现出与集电极的电压电平相等的电压电平，则可以认为相邻迹是与初始迹断开的。如果一个相邻迹例如通过显示没有电流的仪表而呈现出与初始迹相同的电压电平，则可以认为在两个迹之间存在短路，使第二迹同时与初始迹一起充电到集电极电压电平。测试器10会将其作为一个缺陷加以显示和/或记录。
必须对所有相邻的迹以同样的方式加以测试，以保证所测试的初始迹没有与板80P上的其他任何迹发生短路。
本发明的进一步的优点是能够对初始测试没有通过的单独的迹85T快速重新测试。在这种情况下，方法与前面描述的相同，只是利用激光法采用射束24U或24L进行初始充电至一个已知电压，因为不是所有的迹都必须重新充电，只有初始测试没有通过的迹。测量在测量开路或短路期间，当收集由板80P朝向电极51一侧上的迹85发射的电子时，电极51上的电压必须设定为高于在初始充电时残留在迹85上的剩余电压的正值。业已发现，在对迹85进行测试期间，当把射束24U或24L射向顶垫87EU或射向底垫87EL时，光电子会以更快的速度释放，并以更快的速度运动至一个集电极51C，条件是在相对电极51上的电压被切换至一个较高的负值，例如-100至-300伏，生成了一个大电场。收集速度的增加意味着每单位时间能够进行更多的测试。
当采用紫外线灯18U和18L或者采用紫外线激光器22来将所有的迹充电至一已知初始电压时，集电极51C上的电压在测量开路和短路期间可以位于5至300伏的范围。当射束24U射向顶端垫87EU时，最好是上电极51U设置成正100伏，而相对的电极51L设置成负150伏。当射束24L射向底端垫87EL时，最好是下电极51L设置成正100伏，而上电极51U设置成负150伏。
尽管已经对本发明的具体实施例进行了举例描述和说明，但是在不牺牲本发明优点的情况下可以在部件的形式、成分、结构和布置方面进行多种修改。因此，应当明白，在此的所有内容均应理解为例示性的而不是限制性的，并且意味着，所附的权利要求覆盖在本发明的实质精神和范围的上述修改。
权利要求
1．一种用于测试电气迹(85)的测试器(10)，其特征在于，它包括电磁源(18)，首先用于把电磁辐射(21)的第一射束(39U)射到一个电气迹(85U)上的第一位置上，以在其上产生光电效应，另外用于把电磁辐射(25)的第二射束(39L)射到上述迹(85)上的第二位置上，以在其上产生光电效应；电极电路(49)，包括一个置于上述迹(85)附近的电极(51)，所述电极电路(49)用于把所述电极(51)保持在给定的电位，以便收集通过上述射束(39U,39L)在迹(85)上产生的光电效应而释放的电子；和一个仪表(57)，用于测量在所述电极电路(49)和迹(85)之间的光电流。
2．如权利要求1所述的测试器(10)，其特征在于，它还包括宽带电磁源，用于同时用电磁辐射照射多个迹(85)和所述电极(51)，以在其上产生光电效应。
3．如权利要求1所述的测试器(10)，其特征在于所述电极电路(49)包括一个所述射束(39U,39L)基本上可以透射的电极(51)。
4．如权利要求3所述的测试器(10)，其特征在于所述电极电路(49)包括一个上述射束(39U,39L)可以透射的片式电极，该电极具有一个朝向测试迹且其上具有一层导电膜的表面。
5．如权利要求3所述的测试器(10)，其特征在于，所述片式电极包括金属丝格栅(52)。
6．如权利要求1至5任一项所述的测试器(10)，其特征在于，它还包括一个用于容纳上述测试迹(85)的真空室(12)。
7．一种用于测试电气迹(85)的方法，其特征在于测量在一个集电极(50)和上述迹(85)之间的光电流；把一个电极电路(49)的一个集电极(51)置于靠近上述迹(85)的位置，以便收集因在上述迹(85)上产生的光电效应而释放的电子；把上述集电极(51)保持在一已知的电位；以及把第一电磁射束(39U)射到在一个迹上的第一位置(85U)上，以便在该迹上产生光电效应，直到该迹被充电至一已知电位为止。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括下述步骤将上述测试迹(85T)和集电极(50)在照射上述第一电磁射束(39U)之前置于一个真空室(12)内。
9．如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括下述步骤在将第一电磁射束(39U)射到在一个迹(85)上的第一位置(85U)之前，使上述迹(85)初始化成具有一已知的电位。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于，上述使上述迹(85)初始化的步骤包括用一个宽带电磁源(18)照射上述迹(85)和集电极(51)，以在其上产生光电效应。
11．如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括下述步骤把上述电极电路(49)的一个集电极(51)放置成靠近上述迹(85)上的第二位置(85L)，以便收集因在上述迹(85)上的第二位置(85L)上产生的光电效应而释放的电子；将一个正电位提供给上述靠近第二位置(85L)的集电极(51)；测量在上述迹(85)和靠近第二位置(85L)的集电极(51)之间的光电流；以及把电磁辐射的第二射束(39L)射到在上述迹(85)上的第二位置(85L)处，以便在其上产生光电效应。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于，上述使上述迹(85)初始化的步骤包括使射在上述迹(85)和集电极(51)的电磁射束(39)高频振动，直到迹(85)被充电至一已知电位为止。
13．如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括下述步骤测量在一个集电极(50)和一个第二迹(85L)之间的光电流；把一个电极电路(49)的一个集电极(51)置于靠近第二迹(85L)的位置，以便收集因在上述第二迹(85L)上产生的光电效应而释放的电子；把上述靠近上述第二迹(85L)的集电极(51)保持在一已知的电位；以及把第二电磁射束(39L)射到第二迹(85L)上，以便在该迹上产生光电效应。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，它还包括下述步骤在将第一电磁射束(39U)射到在一个迹(85)上的第一位置(85U)之前，使上述迹(85)初始化成具有一已知的电位。
15．如权利要求13所述的方法，其特征在于，上述使上述迹(85)初始化的步骤包括用一个宽带电磁源照射上述迹(85)和集电极(51)，以在其上产生光电效应。
16．如权利要求13所述的方法，其特征在于，上述使上述迹初始化的步骤包括使射在上述迹(85)和集电极(51)的电磁射束高频振动，直到迹(85)被充电至一已知电位为止。
全文摘要
用于诸如电路板上的电气迹的测试器,包括:诸如为生成紫外线射束的激光器的电磁射束源;真空室;电极电路,包括电极和相应的电子器件,后者包括用于测量迹与电极之间的光电子流的电流表;控制器;激光束光学器件;图像采集系统;和一对宽带紫外线灯。在测试中,具有迹的板放置在处于低压的真空室中,这时在板的每一侧有格栅电极靠近迹区域。电极电子器件有选择地在每个电极上保持一个已知的电位。迹的准确的位置利用一个图像采集系统来确定。
文档编号G01R31/309GK1305111SQ00107068
公开日2001年7月25日 申请日期2000年4月27日 优先权日1999年12月15日
发明者马里奥·A·库吉尼 申请人:马尼亚泰克公司