Die energiedispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (ED-XRF) ist ein etabliertes Verfahren zur zerstörungsfreien Analyse von Schichtsystemen. Insbesondere in der Qualitätssicherung wird sie aufgrund ihrer hohen Effizienz und der einfachen Bedienbarkeit eingesetzt.
Trotz – oder gerade wegen – dieser Einfachheit zeigt unsere Erfahrung, dass häufig weiterhin Standardparameter ohne weitere Optimierung verwendet werden. Als Hersteller möchte Hitachi High-Tech Analytical Science daher gezielt auf Optimierungspotenziale hinweisen und Anwender dabei unterstützen, das volle Leistungsspektrum ihrer Geräte auszuschöpfen.
Im Rahmen dieser anwendungsbezogenen Untersuchung wurden insbesondere die Parameter berücksichtigt, die der Nutzer direkt am Gerät beeinflussen kann: Messzeit und Arbeitsabstand.
Alle Messungen wurden auf Hitachis modernen Schichtdickenmessgerät FT230 mit einem 5 µm Zn/Fe-Standard durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den folgenden Grafiken aufgeführt.
Es zeigt sich, dass für sehr kurze Messzeiten (1 s, 3 s, 5 s), die Messwerte eine allgemein erhöhte Streuung (Standardabweichung) aufweisen. Mit zunehmender Messdauer fällt die Standardabweichung degressiv, sodass sich bei Messzeiten oberhalb von 30 s kaum noch relevante Unterschiede für (diese) praktische Anwendung ergeben.
Es wird auch deutlich, dass auch Messzeiten unterhalb von 10 s durchaus praktikabel sind: Insbesondere bei unkomplizierten Einschicht-Systemen sind ausreichend gute Ergebnisse schon mit 5 s oder gar 3 s zu erwarten. Die Verwendung von Messzeiten um 1 s empfiehlt sich hingegen nicht.
Der Messabstand wirkt sich linear auf die Standardabweichung aus, wobei gilt: je größer der Abstand, desto größer die Standardabweichung. Aus analytischer Sicht sollte mit einem eher geringen Abstand gemessen werden, dies ist aber aufgrund der Bauteilgeometrie nicht immer möglich.
Ein modernes Schichtendickenmessgerät wie Hitachis FT230 verfügt daher über die Option, mit erweiterten Fokusabstand bzw. gar abstandsunabhängig zu messen. Bei letzterer Option wird der Arbeitsabstand für jede Messung mit einem Abstandslaser bestimmt und bei der Auswertung berücksichtigt. Mit dem hintergründigen Wissen eines linearen Zusammenhangs zwischen Messfehler und Arbeitsabstand lassen sich so sehr komfortabel Messungen an unterschiedlichsten Bauteilen durchführen. Im Idealfall bleibt der Messkopf dabei auch bei unterschiedlich hohen Bauteilen auf seiner Position. Der Laser bestimmt den jeweiligen Abstand zum Bauteil und die Messung beginnt.
Eine Reduzierung des Arbeitsabstands ist aber ebenso denkbar. So kann dieser bis auf den nominalen Wert verringert werden. Das Risiko eines fatalen Crashs wird dabei durch mehrere aufeinander abgestimmte Sicherheitsmaßnahmen ausgeschlossen und die Messqualität steigt.
Die Anpassung des Arbeitsabstands bietet sich insbesondere dann an, wenn die Alternative eine Verlängerung der Messzeit bedeuten würde. Durch den degressiven Zusammenhang zwischen Messzeit und Standardabweichung werden sehr schnell sehr lange Messzeiten benötigt, um die geforderte Ergebnisqualität zu erreichen. Dies erweist sich unter praktischen Gesichtspunkten häufig als nicht sinnvolle Lösung.
Das gewählte Beispiel (Zn/Fe-5 µm) stellt bewusst einen einfachen Anwendungsfall dar, um die physikalischen und universell geltenden Zusammenhänge verständlich darzustellen.
Dabei verfolgt die Untersuchungsreihe zwei Ziele: Zum einen wird die der Einfluss verschiedener Parameter auf die Messqualität aufgezeigt. Zum Zweiten soll Sie als Ausgangspunkt für die Bewertung der verwendeten Maschinenparameter dienen.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch die gezielte Anpassung von Messzeit und Arbeitsabstand die Qualität und Effizienz von Schichtdickenmessungen erheblich verbessern lässt. Während sehr kurze Messzeiten eine erhöhte Streuung verursachen, liefern bereits wenige Sekunden bei geeigneten Bedingungen verlässliche Resultate. Ebenso kann ein optimierter Arbeitsabstand maßgeblich zur Präzision beitragen, ohne den Messprozess zu verlangsamen. Moderne Geräte wie die FT200 Serie von Hitachi High-Tech bieten hierbei flexible Optionen, um sowohl einfache als auch komplexe Messaufgaben sicher und reproduzierbar zu bewältigen. Damit wird deutlich: Wer seine Messparameter bewusst optimiert, nutzt das volle Potenzial der ED-XRF-Technologie.
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