Berührungslose ortsauflösende Inspektion planarer Elektronik auf Grundlage kapazitiver Kopplung

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2013-01-24
Issue Year
2012
Authors
Kördel, Martin
Editor
Abstract

This thesis is concerned with a new contactless inspection technique based on capacitive coupling. The technique can be employed to inspect and test the components (e.g., thin-film transistors, conductor tracks) of planar electronic devices, such as flat-panel displays and printed electronics. On the manufacturers’ side, there is a growing demand for inspection and test equipment in order to support the continuous improvement of today’s products as well as the development of products based on new materials. Additionally, the competition among the manufactures is rising steadily. Thus, inspection systems are mainly employed for two reasons. First, they are used to establish a continuous process control of the entire production process in order to increase the yield. Second, they should be able to support the development of new products by shortening the development times. The focus topics of this work are the defect detection capability of the technique and the physical properties of the underlying capacitive coupling between sensor and components. On the one hand, the technique is characterized with regard to defect localization and classification as well as functional testing. On the other hand, the sensor signal is simulated by means of finite element methods, which, for the first time, allow for the analysis of the sensor characteristic without interference of any kind of amplifier electronics. Moreover, the simulation of the sensor signal offers the possibility to thoroughly study the performance of the method regarding new inspection tasks, thus boarding the overall application range. First, the inspection results for different flat-panel displays and x-ray detector panels in terms of defect and functionality inspection are presented and the methods for classification as well as the functionality analysis are discussed. Hereby, the technique is also applied to electrically isolated components. Methods to overcome the challenges accompanying this inspection task are presented. In addition, a new sensor principle capable of measuring the constant (in time) voltages of the components is introduced and measurement results are shown. This sensor mainly impacts the functionality inspection since the absolute voltage (AC and DC parts) of the components can be measured. Subsequently, the simulation method, which is based on finite element methods is presented. To simulate the sensor signal in case of functionality inspections, a hybrid (dynamic) simulation method is developed, which allows for the integration of electronic characteristics of the components into the simulation. The simulation results are used to develop an analytical model of the capacitive coupling and to develop a new sensor design for the inspection of electrically isolated components. Eventually, the performance of the inspection method is presented for selected inspection tasks. The results achieved within this thesis clearly demonstrate that the technique can be employed for the realization of a thorough process control. In addition, the impact of the simulation results with regard to the analysis of the sensor signals and the successive broadening of the application range becomes obvious.

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist ein neuartiges berührungsloses und ortsauflösendes Inspektionsverfahren auf Basis kapazitiver Kopplung. Das Verfahren ist auf die Inspektion der Funktionseinheiten (Leiterbahnen, Transistoren, etc.) planarer elektronischer Produkte, wie Flat Panel Displays und gedruckte elektronische Schaltungen, ausgerichtet. Seitens der Hersteller begründet sich die Nachfrage nach entsprechenden Inspektionsverfahren vor allem durch die Forderung nach einer kontinuierlichen Weiterentwicklung bestehender Produkte sowie den Einsatz neuartiger Herstellungsverfahren und Materialien im Rahmen von Neuentwicklungen. Hinzu kommt eine sich stetig verschärfende Konkurrenzsituation. Hieraus ergeben sich maßgeblich zwei Anforderungen an entsprechende Inspektionsysteme. Diese sind erstens die Sicherstellung einer durchgängigen Prozesskontrolle zur Steigerung der Ausbeute und zweitens die Verkürzung der Entwicklungszeiten neuer Produkte. Im Zentrum der Arbeit steht die Untersuchung des Verfahrens hinsichtlich der Defekt- und Funktionsinspektion planarer Funktionseinheiten sowie der grundlegenden physikalischen Eigenschaften der kapazitiven Kopplung zwischen den Funktionseinheiten und den eingesetzten Sensoren. Ziel ist zum einen die Charakterisierung des Verfahrens bzgl. der Defektdetektion sowie der korrekten Defektklassifizierung und Funktionsüberprüfung. Zum anderen wird durch die Simulation des Sensorsignals mittels Finiter-Elemente-Methoden erstmals die Möglichkeit zur eindeutigen und von jeglicher Verstärkerelektronik unabängigen Analyse der Sensorcharakteristik geschaffen. Die Simulation erlaubt es hierbei, das Verfahren auf einfache Weise auf bisher unerschlossene Inspektionsaufgaben anzuwenden und so das Anwendungsgebiet zu erweitern. Zunächst werden die Ergebnisse der Untersuchung unterschiedlicher Flat Panel Displays sowie Röntgenflachdetektoren im Rahmen der Defekt- und Funktionsinspektion vorgestellt und die gewonnenen Defektklassifizierungen sowie die entwickelten Methoden zur Funktionsprüfung diskutiert. Hierbei wird das Verfahren auch auf die Inspektion elektrisch isolierter Funktionseinheiten übertragen sowie Maßnahmen zur Überwindung der daraus erwachsenden Herausforderungen abgeleitet. Zusätzlich wird ein neu entwickelter Sensor zur Messung des absoluten Spannungsverlaufs an elektronischen Funktionseinheiten evaluiert, welcher vor allem den Umfang der Funktionsinspektionsmethoden deutlich erweitert. Im Anschluss wird das entwickelte Simulationsverfahren auf Basis Finiter-Elemente-Methoden vorgestellt. Zur Abbildung der Funktionsinspektion dient eine im Rahmen der Arbeit entwickelte hybride Methode zur Integration der elektronischen Charakteristik der Funktionseinheiten. Die Simulation wird u.a. zur Ableitung eines analytischen Modells der kapazitiven Kopplung und zur Gestaltung eines Sensordesigns zur Inspektion elektrisch isolierter Funktionsbereiche herangezogen. Abschließend wird die Leistungsfähigkeit des kapazitiven Inspektionsverfahrens anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele demonstriert. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse stellen hierbei die hervorragende Eignung des Verfahrens zur Defekt- und Funktionsinspektion während allen Schritten der Herstellungsprozesse sowie die Bedeutung der simulativen Abbildung des Sensorsignals im Bezug auf die Grenzen und die gezielte Weiterentwicklung des Verfahrens dar.

DOI
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