Verfahren und Vorrichtung zum Testen und Kalibrieren von elektronischen Halbleiterbauelementen, die Schall in elektrische Signale umwandeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen und Kalibrieren von elektronischen Halbleiterbauelementen, die Schall in elektrische Signale umwandeln, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 4.

Halbleiterbauelemente dieser Art werden beispielsweise in

Mikrofonen eingebaut und sind als so genannte MEMS-

(Micro-electro-mechanical System) Bauelemente bekannt. Um derartige Halbleiterbauelemente zu testen und zu kalibrie- ren, werden sie in einem abgeschlossenen Schallraum mit Schallwellen bestimmter Frequenzen beschallt. Die Anschlusskontakte der Bauelemente sind dabei an eine elektronische Recheneinrichtung angeschlossen, mit der die Ausgangssignale der Halbleiterbauelemente überprüft wer- den. Zur Schallerzeugung werden bekanntermaßen Piezoele- mente verwendet, mit denen die gewünschten Frequenzen im Schallraum erzeugt werden.

Aus der JP 2006-308 567 A ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, mit dem Mikrofone bei beispielsweise 1000 Hz getestet und kalibriert werden. Weiterhin sind aus der DE 10 2004 018 301 Al elektroakus- tische Wandler in der Form von Piezoelementen bekannt. Aus der EP 0 813 350 A2 ist eine Vorrichtung zur Messung der Charakteristik eines Mikrofons, insbesondere eines Druckoder Richtmikrofons unter Freifeldbedingungen bekannt, wobei ein rohrförmiger Schallwellenleiter vorgesehen ist, der zur Vermeidung stehender Wellen einen mit einem schallabsorbierenden Material gefüllten Endabschnitt aufweist .

Es hat sich gezeigt, dass übliche Testvorrichtungen dieser Art nicht immer mit der gewünschten Genauigkeit funktionieren. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bzw. der Tests und Kalibrierungen von Halbleiterbauelementen, welche Schallwellen in elek- trische Signale umwandeln, auf besonders genaue und zuverlässige Weise durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Halbleiterbauelemente in einem Schallraum beschallt, dessen größte freie Länge kleiner als 21 mm ist, so dass bei Schallwellen-Frequenzen bis zu 8.000 Hz die größte freie Länge des Schallraums kleiner als die halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz dieser Schallwellen- Frequenzen ist. Erfindungs-

gemäß wurde erkannt, dass dann, wenn die größte freie Länge des Schallraums kleiner ist als die halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz der vom Piezoelement erzeugten Schallwellen, stehende Wellen innerhalb des Schallraums vermieden werden können, welche das Testergebnis verfälschen können. Dadurch, dass die größte freie Länge des Schallraums erfindungsgemäß kleiner als 21 mm ist, können somit stehende Wellen bis zu Schallwellen-Frequenzen von 8.000 Hz vermieden werden. Dieser Frequenzbereich bis zu 8.000 Hz nimmt im Normalfall zumindest einen erheblichen Teil des üblichen Testfrequenzbereichs ein, so dass zumindest ein erheblicher Teil der sich üblicherweise ausbildenden stehenden Wellen vermieden werden kann. Auf diese Weise kann das Testen und Kalibrieren der elektroni- sehen Halbleiterbauelemente auf besonders genaue Weise erfolgen.

Bei gegebener Frequenz kann die Wellenlänge auf einfache Weise durch die Formel

λ = c f

bestimmt werden, wobei Lambda ( "λ" ) die Wellenlänge, "c" die Schallgeschwindigkeit (343 m/s) und "f" die Frequenz (Hz) der vom Piezoelement erzeugten Schallwellen bedeuten. Hieraus ergibt sich beispielsweise bei einer Frequenz von 8.000 Hz eine Wellenlänge λ von 42,9 mm, woraus sich erfindungsgemäß als größte freie Länge des Schallraums etwa 21 mm ergibt. Als größte freie Länge wird hierbei jede geradlinige, zusammenhängende freie Strecke innerhalb des Schallraums angesehen, über die sich der Schall behinderungsfrei ausbreiten kann. Diese größte freie Länge muss nicht parallel oder senkrecht zur Längs-

achse des Schallraums liegen, sondern kann hierzu eine beliebige Ausrichtung haben, beispielsweise diagonal liegen.

Die Frequenzbereiche, über die die Halbleiterbauelemente getestet werden, können je nach Einsatzzweck und Art des Halbleiterbauelements sehr unterschiedlich sein. Bei vielen Anwendungsfällen liegt die untere Grenze des Frequenzbereichs bei etwa 20 Hz. Sollen die Halbleiterbauelemente bei empfindlichen Mikrofonen eingesetzt werden, erstreckt sich der getestete Frequenzbereich zweckmäßigerweise bis zu 20.000 Hz. Ein Frequenzbereich mit einer Obergrenze von 10.000 Hz kann genügen, wenn die Halbleiterbauelemente bei weniger empfindlichen Mikrofonen eingesetzt werden. Bei Telefonmikrofonen beträgt aufgrund der begrenzten übertragungskapazität derartiger Mikrofone die Obergrenze für den zu testenden Frequenzbereich üblicherweise 8.000 Hz. Hierbei ist der obere Frequenzbereich in der Regel wichtiger als der untere Frequenzbereich. Liegt die höchste Frequenz des getesteten Frequenzbereichs bei 20.000 Hz oder 10.000 Hz, werden die Halbleiterbauelemente vorzugsweise in einem Schallraum gemessen, dessen größte freie Länge kleiner ist als 8 , 6 mm bzw. 17 mm, da dann über den gesamten Frequenzbereich bis 20.000 Hz bzw. 10.000 Hz stehende Wellen vermieden werden können. Bei den drei vorstehend erwähnten Frequenzobergrenzen handelt es sich jedoch lediglich um besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele und es ist ohne Weiteres möglich, die Halbleiterbauelemente bis zu beliebigen anderen Frequenzobergrenzen zu testen und zu kalibrieren.

Bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 4 weist das Gehäuse ein Gehäusezentralteil mit einem stirnseitig offenen Hohlraum

auf , in dem das Piezomodul mit Abstand zu den Seitenwänden des Hohlraums weich gehaltert ist. Beispielsweise kann das Piezomodul im Gehäusezentralteil von einem weichen O-Ring gehalten sein, wodurch das Piezomodul vom Gehäusezentral - teil weitgehend akustisch entkoppelt ist. Weiterhin ist benachbart zum Gehäusezentralteil ein Trägheitsmassenelement mit einer im Vergleich zum Piezomodul größeren Masse angeordnet, an dem das Piezomodul abgestützt ist. Zweckmäßigerweise ist dieses Trägheitsmassenelement vom Gehäu- sezentralteil schwingungsmäßig entkoppelt. Hierdurch wird erreicht, dass das Gehäusezentralteil bei der Schallerzeugung nicht mitschwingt und dadurch verursachte Klangverzerrungen ausgeschlossen werden können.

Zweckmäßigerweise ist das Trägheitsmassenelement mit dem Piezomodul verklebt. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich das Piezomodul vom Trägheitsmassenelement abhebt, was die Wirkung des Trägheitsmassenelements verschlechtern oder aufheben würde .

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Gehäuse einen Gehäusedeckel auf, der in Anlage mit dem Gehäusezentralteil bringbar ist, um den Hohlraum abzuschließen, und der eine Bauelementhalteeinrichtung zum Halten des Halbleiterbauelements im Schallraum aufweist. Zweckmäßigerweise ist hierbei der Gehäusedeckel mit dem Gehäusezentralteil hart gekoppelt. Hierdurch bildet das Gehäusezentralteil zusammen mit dem Gehäusedeckel eine zusammenhängende große Masse, die den Schallraum umgibt, wodurch ein besonders hochwertiger, verzerrungsarmer Schallraum geschaffen werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest

das Gehäusezentralteil an einem die übertragung von Körperschall verhindernden Isolierungsteil gehaltert. Hierdurch kann vermieden werden, dass Körperschall, der beispielsweise in einer die erfindungsgemäße Vorrichtung umgebenden HandhabungsVorrichtung für elektronische Bauelemente (Handler) erzeugt wird, auf die Testvorrichtung übertragen wird, was die Testergebnisse und die Kalibrierung beeinträchtigen würde. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Teile der Vorrichtung, auf die externer Körperschall übertragen werden könnte, geeignet isoliert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit geöffnetem Gehäusedeckel; und

Figur 2: einen Längsschnitt durch die Vorrichtung von Figur 1 im Testzustand.

Wie aus Figur 1 und 2 ersichtlich, weist die erfindungs- gemäße Vorrichtung ein Gehäusezentralteil 1, eine Schallerzeugungseinrichtung mit einem innerhalb des Gehäusezen- tralteils 1 angeordneten Piezomodul 2, einen Gehäusedeckel 3 und ein Trägheitsmassenelement 4 auf. Gehäusezentralteil 1 und Gehäusedeckel 3 bilden zusammen ein Gehäuse 26. Von dem in Figur 2 gezeigten Piezomodul 2 ist lediglich das Gehäuse schematisch dargestellt. Innerhalb dieses Gehäuses befindet sich ein nicht dargestelltes Piezoelement in der Form eines Piezokristalls oder einer polykristallinen Keramik, wobei das Piezoelement als Piezoaktor wirkt, d. h. elektrische Spannung in mecha-

nische Bewegung umwandelt. Das Piezoelement ist zweckmäßigerweise im Bereich einer öffnung angeordnet, die sich in der vorderen Stirnwand 8 des Piezomoduls 2 befindet.

Gehäusezentralteil 1 und Trägheitsmassenelement 4 sind auf einer Sockelplatte 5 befestigt. Bei dieser Sockelplatte 5 kann es sich um ein Isolierungsteil handeln, das die übertragung von externem Körperschall auf die Vorrichtung verhindert. Alternativ kann es sich bei der Sockelplatte 5 auch um ein starres Bauteil handeln, das seinerseits auf einem derartigen Isolierungsteil befestigt ist.

Beim Gehäusezentralteil 1 handelt es sich um ein massives, quaderförmiges Teil mit relativ großer Masse, vorzugsweise aus Stahl. Das Piezomodul 2 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist einen Durchmesser auf, der geringer ist als der Durchmesser des Hohlraums 6. Mittels eines O-Rings 7 wird das Piezomodul 2 radial mittig innerhalb des Hohlraums 6 gehalten, so dass die Umfangswand des Piezomoduls 2 die Innenumfangswand des Hohlraums 6 nicht berührt. Der O-Ring 7 besteht aus einem relativ weichen, elastischen Material, so dass das Piezomodul 2 mit dem Gehäusezentralteil 1 weich gekoppelt ist und vom Piezomodul 2 erzeugte Schwingungen nicht oder nur in ver- nachlässigbarem Umfang auf das Gehäusezentralteil 1 übertragen werden.

Die vordere Stirnwand 8 des Piezomoduls 2 ist gegenüber der vorderen Stirnwand 9 des Gehäusezentralteils 1 zurück- versetzt, so dass ein vorderer Hohlraumabschnitt gebildet wird, der als Schallraum 10 dient. Der Schallraum 10 ist auf einer Seite somit im Wesentlichen durch die vordere Stirnwand 8 des Piezomoduls 2 begrenzt. Der Ringspalt zwi-

schen dem Piezomodul 2 und der Innenumfangswand des Gehäusezentralteils 1 wird durch den O-Ring 7 abgedichtet.

Das hintere Ende des Piezomoduls 2 ragt über den Hohl- räum 6 hinaus und steht somit über die rückseitige Stirnwand 11 des Gehäusezentralteils 1 vor. Die rückseitige Stirnwand 12 des Piezomoduls 2 liegt am Trägheitsmassen- element 4 an und ist mit diesem hart gekoppelt. Zweckmäßigerweise ist das Piezomodul 2 mit dem Trägheitsmassen- element 4 verklebt. Hierdurch kann auf einfache Weise ohne zusätzliche Hilfsmittel bewirkt werden, dass das Piezomodul 2 auch in seinem hinteren Endbereich mittig im Hohlraum 6 gehalten wird, so dass es die Seitenwände des Hohlraums 6 nicht berührt. Alternativ hierzu ist es jedoch ohne weiteres möglich, im hinteren Endbereich des Piezomoduls 2 ebenfalls einen O-Ring oder ein ähnliches elastisches Haltemittel vorzusehen, um das Piezomodul 2 innerhalb des Hohlraums 6 radial zu zentrieren. Das Trägheitsmassenelement 4 ermöglicht eine besonders effektive und störungsarme Schallerzeugung und Durchführung des Tests durch Eliminierung unerwünschter Schwingungen.

Die elektrische Versorgung des Piezomoduls 2 erfolgt über elektrische Leitungen 13 , die im hinteren Endbereich des Piezomoduls 2, d. h. außerhalb des Schallraums 10, mit dem Piezomodul 2 verbunden sind. Die Leitungen 13 können durch eine Aussparung oder Nut 14 hindurchgeführt werden, die sich vom Hohlraum 6 radial nach außen erstreckt.

Der Gehäusedeckel 3 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls aus einer quaderförmigen Platte mit relativ großer Masse, vorzugsweise ebenfalls aus Stahl.

Der Gehäusedeckel 3 ist lösbar mit dem Gehäusezentral - teil 1 verbindbar und wird hierzu stirnseitig auf das Gehäusezentralteil 1 aufgesetzt. Hierbei liegt der Gehäusedeckel 3 flächig an der vorderen Stirnwand 9 des Gehäuse- Zentralteils 1 an, so dass er mit diesem hart gekoppelt ist. Die Abdichtung zwischen dem Gehäusedeckel 3 und dem Gehäusezentralteil 1 erfolgt über einen O-Ring 15, der in einer Ringnut liegt, welche außerhalb des Schallraums 10 stirnseitig in das Gehäusezentralteil 1 eingebracht ist. Alternativ könnte der O-Ring 15 auch am Gehäusedeckel 3 befestigt sein.

Der Gehäusedeckel 3 weist einen axialen Hohlraum 16 auf, der zum Hohlraum 6 des Gehäusezentralteils 1 fluchtet. In diesem Hohlraum 16 wird ein Haltekopf 17 für ein zu testendes und/oder zu kalibrierendes Halbleiterbauelement 18 mittels eines O-Rings 19 gehalten, der den Haltekopf 17 umgibt. Der Haltekopf 17 kann Teil eines speziellen Testmikrofons sein, das in den Hohlraum 16 eingesteckt wird. Auf der dem Piezomodul 2 zugewandten Stirnseite kann der

Haltekopf 17 eine Platte 20 tragen, in der federnde Kontaktstifte, beispielsweise in der Form von Pogo-Pins, gehaltert sind. Das zu testende Halbleiterbauelement 18 wird derart auf den Haltekopf 17 aufgesetzt und an diesem mittels schematisch eingezeichneter Befestigungsmittel, beispielswiese in der Form von Klammern, gehalten, dass die Anschlusskontakte des Halbleiterbauelements 18 die zugeordneten Kontaktstifte des Haltekopfs 17 kontaktieren. Die Kontaktstifte sind wiederum mittels elektrischer Lei- tungen 22 mit einer elektronischen Recheneinheit verbunden, in der die Auswertung des Tests erfolgt.

Die Befestigung des Gehäusedeckels 3 am Gehäusezentral-

teil 1 kann, wenn es sich wie im dargestellten Ausführungsbeispiel um eine manuell zu bedienende Vorrichtung handelt, mittels Schrauben 23 erfolgen, welche den Gehäusedeckel 3 durchdringen und in entsprechende Gewinde- bohrungen 24 des Gehäusezentralteils 1 einschraubbar sind (Figur 1) . Alternativ kann die Vorrichtung auch derart aufgebaut sein, dass die zu testenden Halbleiterbauelemente 18 automatisch dem Gehäusedeckel 3 zugeführt, dort gehalten werden und anschließend der Gehäusedeckel 3 an das Gehäusezentralteil 1 herangeführt wird, um den Schall - räum 10 zu schließen und das Halbleiterbauelement 18 zu testen und gegebenenfalls zu kalibrieren.

Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, wird die dort gezeigte Vorrichtung zweckmäßigerweise waagerecht aufgestellt, d. h. die Längsachse des Piezomoduls 2 verläuft horizontal. Hierdurch wird verhindert, dass der weiche O-Ring 7 irgendwelche Massen zusammenhalten muss.

Der Test erfolgt derart, dass das im Piezomodul 2 angeordnete Piezoelement über die elektrischen Leitungen 13 mit Strom versorgt wird, so dass es mit einer vorbestimmten Frequenz schwingt. Diese Schwingungen werden auf die sich im Schallraum 10 befindende Luft übertragen, die damit ebenfalls in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingungen werden vom Halbleiterbauelement 18 aufgenommen, in elektrische Signale umgewandelt und über die elektrischen Leitungen 22 an die elektronische Recheneinheit weitergeleitet, um dort ausgewertet zu werden.

Damit stehende Wellen innerhalb des Schallraums 10 und dadurch eine Verfälschung des Messergebnisses verhindert werden können, ist der Schallraum 10 derart dimensioniert,

dass seine größte freie Länge, die in Figur 2 mittels eines Doppelpfeils eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen a versehen ist, kleiner ist als die halbe Wellenlänge λ der höchsten Frequenz der vom Piezomodul 2 erzeugten Schallwellen. Beträgt beispielsweise die maximale Frequenz, die vom Piezomodul 2 erzeugt wird, 20.000 Hz, so beträgt die halbe Wellenlänge λ 8,6 mm. In diesem Fall ist die größte freie Länge a des Schallraums 10 kleiner als 8,6 mm. Bei einer maximalen Frequenz von 25.000 Hz ist die größte freie Länge a kleiner als 6,86 mm. Bei einer maximalen Testfrequenz von 15.000 Hz wäre der Schallraum 10 so auszubilden, dass seine größte freie Länge a kleiner als 11,4 mm wäre.