Die Wahl der richtigen Technik für die Beschichtungsanalyse von Leiterplatten

Die große Nachfrage nach Kommunikationstechnik und tragbaren elektronischen Geräten, das Internet der Dinge (IdD) und der wachsende Einsatz von Elektronik im Automobilbau und anderen Industrien führen zu einem schnellen Wachstum auf dem Markt für Elektronikprodukte. Unternehmen suchen nach Wegen, wie sie die Qualität verbessern und gleichzeitig mit der wachsenden Leistungsfähigkeit von elektronischen Bauteilen und den ständig wachsenden Qualitätsanforderungen Schritt halten können.

Hierbei spielt die Wahl der Analysetechnik eine ganz entscheidende Rolle. Für die Messung der Schichtdicke und Schichtzusammensetzung ist die Röntgenfluoreszenztechnik sehr weit verbreitet, denn sie arbeitet zerstörungsfrei, schnell und zielgerichtet. Röntgenfluoreszenzgeräte werden in sehr unterschiedlichen Ausführungen gebaut, je nach dem, für welches Einsatzfeld sie verwendet werden.

 


Die Größe des Messobjektes ist entscheidend

Für die Messung sehr kleiner Elemente kommen bei Schichtmessgeräten auf Röntgenfluoreszenzbasis zwei Methoden zum Einsatz, mit denen die Strahlengröße der Röntgenröhre auf einen Bruchteil eines Millimeters (Mikrometer) reduziert werden kann. Die traditionelle Methode ist die Verwendung von mechanischen Blenden (Kollimatoren). Hierfür wird eine Metallplate, durch die ein kleines Loch gebohrt ist, vor der Röhre platziert und so ausgerichtet, dass die durch dieses Loch verlaufenden Strahlen auf die Probe treffen. Neuere Systeme verwenden eine Polykapillaroptik. Dies ist eine fokussierende Optik, bestehend aus einem Bündel gekrümmter und konisch verlaufender Glaskapillaren. Die Röntgenstrahlen werden durch Reflexion durch die Kapillaren geführt, ähnlich wie Licht in der Glasfasertechnik. Die polykapillare Optik bündelt die Strahlen einer Mikrofokus-Röntgenröhre, so dass deutlich mehr der erzeugten Röntgenstrahlen genutzt und eine um ein Vielfaches größere Strahlungsleistung als bei der mechanischen Blende auf deutlich kleinere Flächen konzentriert wird.

Eine Polykapillaroptik enthält in der Regel nur eine Spot-Größe, die für die Messung sehr kleiner Flächen ausgelegt ist. Es ist auch möglich, größere Bereiche zu erfassen. Allerdings kann es dafür notwendig werden, die Ergebnisse von mehreren Messpunkten zu mitteln oder einen Scan durchzuführen, um ein repräsentatives Bild des gesamten Bereiches zu erhalten. Ein Gerät mit mehreren mechanischen Blenden bietet unter Umständen größere Flexibilität, da die Blende in Größe und Form optimal auf das zu messende Element ausgerichtet werden kann. Größere Flächen können schneller mit einer großen Blende analysiert werden.

Da elektronische Teile und Baugruppen zunehmend komplexer, gleichzeitig aber auch immer kleiner werden, müssen die Beschichtungen dieser Teile auf immer kleineren Oberflächen aufgebracht werden. Möglicherweise kommen Sie heute noch ohne Polykapillaroptik aus. Im Hinblick auf die Zukunftssicherheit Ihrer Investition wäre sie aber möglicherweise bereits zum jetzigen Zeitpunkt eine überlegenswerte Option.

Wie komplex ist Ihre Anwendung?

Jedes Röntgenfluoreszenzgerät verwendet eine Röntgenquelle, mit der die in der Probe vorliegenden Elemente fluoresziert werden. Beim Fluoreszieren gibt jedes Element eine charakteristische Röntgenstrahlungsenergie ab. Bei Verwendung eines energiedispersiven Röntgenfluoreszensgerätes erfasst der Detektor gleichzeitig alle von der Röntgenröhre angeregten Elemente. Es gibt zwei Arten von Detektoren: den mit Gas gefüllten Proportionalzähler oder den Halbleiterdetektoren. Als Halbleiterdetektoren werden am häufigsten so genannte PIN-Dioden- oder Siliziumdriftdetektoren (SDD) verwendet.

Einer der wesentlichen Unterschiede zwischen diesen Detektoren ist ihre Auflösung, d.h. ihre Fähigkeit, Elemente mit ähnlichen Energieemissionen unterscheiden zu können. Wenn in einer Probe Nickel und Kupfer vorliegen, wie z.B. in chemisch Nickel/Gold oder chemisch Nickel/chemisch Palladium/Gold, löst ein Proportionalzähler die Peaks von Nickel- und Kupfer nicht vollständig auf. Dies kann das Gerät nur mit Hilfe der mathematischen Dekonvolution oder Sequenzanalyse leisten und nur unter Verwendung von zusätzlicher Hardware, was zu einer Verlängerung der Messzeiten führen kann. Ein Festkörperhalbleiter kann dagegen diese Peaks vollständig auflösen und beide Elemente gleichzeitig messen. Dies beschleunigt die Analyse. Beide Detektorentypen erfüllen die Vorgaben der IPC-Richtlinien 4552A und IPC-4556. Bei Oberflächenbeschichtungen, in denen die Elemente leicht auflösbar sind (z.B. beim Tauchversilbern, Tauchverzinnen oder HASL), bietet der Halbleiterdetektor keine Vorteile.

Zusätzlich zu den in der Probe vorliegenden Elementen müssen aber auch Faktoren wie die Schichtdicke und Strahlengröße beachtet werden. Halbleiterdetektoren bieten hier einen wesentlichen Vorteil. Bei der Messung sehr dünner Beschichtungen ist das Hintergrundrauschen tendenziell geringer als bei den Proportionalzählern. Daher sollte bei Schichtdicken von weniger als 0,05 µm ein Halbleiterdetektor ernsthaft in Erwägung gezogen werden. In den Fällen, in denen sehr kleine Bereiche mit einer mechanischen Blende gemessen werden, bietet ein Proportionalzähler aufgrund der größeren aktiven Fläche möglicherweise höhere Präzision bei kürzeren Messzeiten.  

Funktionalität

Wir liefern Röntgenfluoreszenz-Beschichtungsanalysegeräte in unterschiedlichen Ausführungen und Größen, darunter auch tragbare Modelle, die speziell für größere Bereiche und Bauteilgruppen konstruiert sind. Bei der Wahl der Gerätes sollten Sie drei Aspekte berücksichtigen: den Aufbau der Messkammer und des Objekttisches und die jeweiligen Funktionalitäten.

Die Größe der Messkammer und die Standfläche des Gerätes müssen auf die Größe Ihrer Leiterplatten abgestimmt sein. Bei kleinen Leiterplattenspielt die Größe der Messkammer keine Rolle. Bei größeren Leiterplatten wird jedoch durch die Verwendung größerer Objekttische das Handling erleichtert und die Stabilität erhöht. Die Messkammern können komplett geschlossen ausgeführt werden. Das verhindert ein versehentliches Verschieben der Platine während der Messung. Die Ausführung mit einem offenen Schlitz vereinfacht die korrekte Platzierung der Leiterplatte. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass der Unterbau bzw. der Objekttisch ausreichend groß sind, um ein Verbiegen der Leiterplatte und damit ein Verfälschen der Ergebnisse zu verhindern.

Die Objekttische gibt es in feststehender Ausführung oder motorisiert und programmierbar. Ein feststehender Objekttisch ist ausreichend für die punktuelle Messung einzelner oder weniger, leicht zu ortender Stellen auf Leiterplatten. Bei einem feststehenden Tisch wird die Probe händisch durch den Bediener platziert. Bei Leiterplatten mit komplexen und kleinteiligen Designs bietet ein motorisierter Tisch ein höheres Maß an Präzision für genaue Feineinstellungen. Motorisierte Tische bieten darüber hinaus die Möglichkeit der Programmierung mehrerer Messungen an verschiedenen Stellen einer Leiterplatte, so dass der Bediener mehr Zeit für andere Aufgaben hat.

Neben den Standardfunktionen können die Röntgenfluoreszenzgeräte auch mit zusätzlichen, modernen Funktionalitäten ausgestattet werden, die zu einer Steigerung der Produktivität und noch mehr Bedienerfreundlichkeit beitragen können. Ein Beispiel hierfür ist die Weitwinkelkamera. Neben dem kleinen Sichtfeld, das für die Feinausrichtung der Probe verwendet wird, bieten einige unserer Geräte zusätzlich eine Weitwinkelsicht, um einen größeren Bereich der Probe erfassen zu können. Dies macht es einfacher und gleichzeitig schneller, sich von einer Position zur nächsten zu bewegen, und es stellt sicher, dass die richtige Stelle gemessen wird. Eine weitere Funktion ist die Mustererkennung mittels lernfähiger Software, die in der Lage ist, anhand eines Bildes der Probe die exakte, vordefinierte Messstelle anzusteuern. Dies spart viel Zeit bei der Einrichtung des Messgerätes.

Hitachi High-Tech Analytical Science bietet die Beschichtungsanalysegeräte der Serien FT, X-Strata und MAXXI in einer großen Bandbreite von Konfigurationen, Strahlengrößen und Detektoren an. Unabhängig von den zahlreichen Anwendungen, die jedes dieser Geräte ausführen kann, wird die richtige Wahl letztlich durch die Abwägung von Funktionalität, Leistungsfähigkeit und Kosten vor dem Hintergrund der aktuellen Platinenfertigung und der zukünftig geplanten Produktion bestimmt. Unsere Beschichtungsexperten beraten Sie gerne bei Ihrer Investitionsentscheidung.

Hitachi High-Tech kann 40 Jahre Erfahrung im Bereich der Schichtdickenmessung und Beschichtungsanalyse und eine großes Spektrum an Geräten für über 1.000 Anwendungen aufweisen, darunter Mikrospot-Röntgenfluoreszenzgeräte und elektromagnetische Messsysteme, beide als Tischgeräte oder tragbare Varianten erhältlich.

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Datum: 19 June 2018

Autor: Matt Kreiner, Benchtop RFA Produktmanager

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