Ila Pal, Ironwood Electronics
מעגל משולב (IC) טיפוסי מתחיל את חייו בשלב הרעיון/ אב-טיפוס, עובר לשלב תיקוף המידגם, קופץ לשלב פיתוח היישום, רוכב לשלב הייצור ומסיים בשלב השדרוג/ החלפה. נתבונן ספציפית בשלב הייצור של התקני IC. ביישום של בדיקת ייצור סופית, הדרישה למדידה מדויקת של הפרמטרים של הזרם הישר, במיוחד ההתנגדות של קו העומס (מה-IC אל הלוח אל המָבחֵן) היא לעיתים קרובות קריטית. בבדיקה הסופית, התקני ה-IC מחוברים אל לוח העומס באמצעות מצע מחבר. הבחון הקפיצי (Spring Probe) הוא אחד ממצעי החיבור הטיפוסיים שבהם משתמשים בעשורים האחרונים (איור 1). החוליה החלשה בקו העומס הוא החיבור הקבוע למחצה של התקן ה-IC אל לוח העומס באמצעות בחונים קפיציים. הבחונים הקפיציים צריכים להיות מכווצים לגובה מסוים כדי ליצור חיבור חשמלי אמין. היות שהתקני ה-IC אינם מישורים מושלמים, כל אחד מהבחונים הקפיציים יכול להתכווץ לגובה שונה, וזה גורם לשוני בהתנגדות החשמלית של כל אחד ממסלולי האותות. השוני הזה גורם לערך של לוח העומס לחרוג מערך הגבול, ולגרום לכך שמדי פעם התקני IC נופלים למכל הפסולים בבדיקת הייצור. זוהי פסילה מוטעית (false failure). נהוג להעביר את ההתקנים שנפסלו שוב דרך המטפל (handler) כדי לוודא פסילה אמיתית. המטריקות המשמשות לניתוח התוצאות הן תפוקה של המעבר הראשון (first pass yield), תפוקה של המעבר השני ותפוקה של המעבר הסופי. בדרך הכלל ההפרש בין התפוקה של המעבר הראשון והתפוקה של המעבר הסופי נע בין 2-10%, תלוי במאפיינים של הבחונים הקפיצים והניקיון של קצות הפינים. זה אומר שהשבה של אחוזים בודדים של ההתקנים שנפסלו במעבר הראשון היא שיפור משמעותי. המאמר הזה עוסק בתכונה חדשה שנוספה לבחון הקפיצי, המסלקת את תופעת הפסילה המוטעית בבדיקת הייצור הסופית. התכונה המשופרת הזאת מאפשרת לעובדי הייצור לבדוק ולאמת ללא התערבות מרובה.
כדי לקבוע את התנגדות המגע של הבחון הקפיצי, עלינו להבין את המכניקה הפנימית של הבחון הקפיצי וגם את רשת ההתנגדות המאפשרת את זרימת הזרם, כפי שמראה איור 2. בחונים קפיציים עם שני קצוות מורכבים בעיקר משתי בוכנות (תחתונה ועליונה), צילינדר וקפיץ. הקפיץ (פלדה קפיצית – music wire – מצופה זהב) דחוק בין שתי בוכנות (נחושת בריליום מחושלת מצופה זהב) בתוך הצילינדר (ארד זרחן מצופה זהב). כשהקפיץ מורכב, הבוכנה התחתונה מכווצת לגובה העבודה. זה מתאים לשוני הסטנדרטי בגובה של הפדים של לוח המעגל המודפס שהוא היעד. בדומה, בצד העליון ההתקן מכווץ את הבוכנה העליונה לגובה העבודה שלה כדי להתאים למישוריות המשותפת של ההתקן. במצב הזה, הקצה של הבוכנות בתוך הצילינדר (גם העליונה וגם התחתונה) ייצמד לדופן הצילינדר וזה יאפשר את זרימת הזרם דרך הצילינדר. בגלל שלהתקן יש מישוריות משותפת רחבה, לא כל הבחונים הקפיציים מכווצים בדיוק לגובה העבודה הזה. אם הבוכנות לא מכווצות לגובה העבודה שלהן, ההצמדה לדופן הצילינדר תהיה שונה, וכתוצאה מכך יהיה שוני של עשרות מילי-אוהם בהתנגדות של המגע.
באיור 2, R1 מייצג את התנגדות ההתכווצות בין המוליך של ההתקן והקצה של הבוכנה. R2 מייצג את התנגדות ההתכווצות בין הבוכנה העליונה והדופן הפנימית של הצילינדר. R4מייצג את התנגדות ההתכווצות בין הבוכנה התחתונה והדופן הפנימית של הצילינדר. R5 מייצג את התנגדות ההתכווצות בין הפד של לוח המעגל המודפס והקצה של הבוכנה. R3 מייצג את ההתנגדות הנפחית הכוללת של הבוכנה העליונה, הבוכנה התחתונה והצילינדר. ההתנגדות הכוללת היא R1+R2+R3+R4+R5. במסלול הזרם הזה, רוב השוני בהתנגדות מיוחס ל-R2 ו-R4. כשהקפיץ הפנימי מתכווץ למרחק מסוים, מופעל כוח על הבוכנה הצמודה לדופן הפנימית של הצילינדר. שוני במרחק ההתכווצות גורם לשוני בכוח, והתוצאה הסופית היא שוני בהתנגדות. האתגר הגדול הוא לבטל את השוני בהתנגדות המגע עקב השוני בגובה ההתכווצות. המידגם המוצג באיור 2 מבטל אחת מהתנגדויות ההתכווצות ברשת ושולט על השנייה באמצעות קפיץ התכווצות חיצוני וגם קפיץ עלה פנימי. הזרם זורם מהבוכנה העליונה המוצקה אל הבוכנה התחתונה המוצקה ומבטל את הצילינדר במידגם של הבחון המוטבע החדש. במידגם החדש משתמשים במנגנון מצבט (pinch mechanism) שמחליק במסלול חריץ מבוקר בין שתי הבוכנות המוצקות. מנגנון המצבט שומר על המשכיות בין הרכיבים הנעים כל הזמן ובגובהי התכווצות שונים. R2 ו-R4 בבחון הקפיצי עם שני הקצוות מוחלפים ברכיב התנגדות אחד בלבד R2 במידגם של הבחון המוטבע החדש. בנוסף, הערכים של 2R מבוקרים על ידי מנגנון המצבט. החיסרון של האופציה הזאת הוא שמנגנון המצבט נשחק אחרי תנועה רבה קדימה ואחורה בחריץ. אפשר למטב את הגיאומטריה של קצה המצבט למספר מסוים של מחזורים שמספיקים לבדיקה ואימות של מוליכות למחצה של התקני IC.
כדי לוודא שהמידגם של הבחון המוטבע החדש פועל טוב יותר מהמידגם הקיים של בחונים קפיציים, ערכנו ניסוי המשווה את שני המידגמים זה לצד זה באותו מערך ניסוי.
הבחון הקפיצי נקרא SS והבחון המוטבע החדש נקרא SBT. בניסוי בודקים את הקשר בין התנגדות המגע על פני מספר מחזורי החיים של בחוני הקפיץ. בניסוי הזה נעשה שימוש במטפל אמיתי. 500 פינים הורכבו על מתקן בדיקה שהורכב על לוח הבדיקה שחובר למבדק. סימולטור של התקן עם קצר מצופה זהב הורכב על ראש המטפל. מערך הניסוי כוונן כך שהראש נע למטה 0.3 מ”מ, מרחק התנועה שנבחר עבור הבחון הקפיצי. הנתונים ההתחלתיים של התנגדות המגע נמדדו באמצעות מבדק והצב”ד (ציוד בדיקה) האוטומטי הופעל.
הצב”ד מזיז הלוך ושוב את המטפל שמבצע מחזורים של הבחון הקפיצי. מונה דיגיטלי הוכנס למערך הניסוי כדי למדוד את מספר המחזורים. נתונים על התנגדות המגע נאספו במרווחי מחזורים שונים מהפינים של SS. הבדיקה בוצעה שוב על הפינים של SBT והנתונים נאספו והותוו באיור 4. אפשר לראות מהגרף שהתנגדות המגע הממוצעת של הפינים של SBT היא פחות מ-15 מילי-אוהם באופן עקבי על פני 300,000 מחזורים. הוצגה גם סטיית התקן כדי לאפשר הבנה של פיזור הנתונים. סטיית התקן בפינים של SBT היא פחות מ-3 מילי-אוהם בכל מחזור החיים, ואילו התנגדות המגע הממוצעת של הפינים של SS מתחילה ב-40 מילי-אוהם ומזנקת עד ל-80 מילי-אוהם ככל שמספר המחזורים מתקדם. סטיית התקן בפינים של SS נעה בין 5 ל-15 מילי-אוהם. התנודה הזאת גורמת לפסילות מוטעות בבדיקת הייצור הסופית. על סמך הגרף, נתן להסיק שמידגם הפינים של SBT מאפשר עקביות בהתנגדות המגע בכל מחזור החיים וזה מאפשר עקביות ביישומי הבדיקה סופית של ההתקן ולכן אין הבדלים בין התפוקה של המעבר הראשון והמעבר האחרון.
המטרה העיקרית של כל בדיקת ייצור הוא לסמוך על נתוני הבדיקה ולא לבזבז זמן בבדיקות חוזרות ולהימנע מפסילות מוטעות. הבדיקות שבוצעו לעיל פותרות הרבה צרכים של יישומי ייצור. תוצאות הבדיקות משוות את המאפיינים החשמליים והמכאניים של שני המצעים המחברים. הבחון המוטבע מספק התנגדות מגע טובה יותר מאשר הבחונים הקפיציים. השוני של התנגדות המגע בבחון המוטבע היא פחות מ-3 מילי-אוהם. הגיאומטריה המשופרת של הבחון המוטבע מבטלת מהרשת את ההתנגדות של הצילינדר ואחת מהתנגדויות ההתכווצות. מנגנון המצבט בין שתי הבוכנות המוצקות של הבחון המוטבע שומר על המשכיות בין החלקים הנעים בכל זמן ובגובהי התכווצות שונים. התכונה הזאת מאפשרת נתוני בדיקה מהימנים וביטול שלבי בדיקה חוזרים. ככל שזמן ההגעה לשוק ממשיך להצטמצם, המיינסטרים של הענף יאמץ את הטכנולוגיה הזאת – צעד נוסף של ההתפתחות (או המהפכה) של הטכנולוגיה של החיבור.
