Leiterplatten

Für die Qualitätssicherung in der Leiterplattenfertigung müssen Beschichtungen bis in den Nanometerbereich analysiert werden. Fischer bietet Messgeräte, die speziell auf die Schichtdickenmessung dünnster Überzüge auf bestückten und nicht bestückten Leiterplatten angepasst sind. Hier finden Sie spezielle Messtechnik, auch für Multilayer-Platinen und Flex-PCBs.

PCBs

Application Notes

Au/Pd-Schichten im nm-Bereich auf Leiterplatten

In der Elektronik-Industrie werden zunehmend immer dünnere Schichten verwendet. Damit steigen auch die Anforderungen an die Messtechnik, um im Rahmen einer industriellen Produktion zuverlässige Kenngrößen zur Produktionsüberwachung und -steuerung zu liefern. Ein Beispiel hierfür ist das System Au/Pd/Ni/Cu/Leiterplatte mit Schichtdicken für Au und Pd bis hinunter zu wenigen nm. Als Messmethode zur Qualitätsüberwachung dieser Schichtsysteme haben sich Röntgenfluoreszenz-Geräte etabliert.

Je dünner die zu überwachenden Schichten sind, desto wichtiger wird auch die Wahl des geeigneten Detektortyps. Tab. 1 zeigt hierzu einen Vergleich von Geräten mit Proportionalzählrohr, PIN-Diode und SDD (Silizium-Drift-Detektor).

 

50 nm Au

24 nm Pd

Detektortyp

Standard-abweichung

Variations-koeffizient

Standard-abweichung

Variations-koeffizient

Proportionalzählrohr

(0,2 mm Blende)

2,2 nm

4,3 %

3 nm

13 %

PIN-Detektor

(1 mm Blende)

0,9 nm

1,8 %

1,2 nm

4,8 %

SDD-Detektor

(1 mm Blende)

0,2 nm

0,4 %

0,5 nm

2,1 %

Tab. 1: Verschiedene Detektortypen und die jeweils damit erzielbaren Standardabweichungen und Variationskoeffizienten

Die deutlich verbesserte Wiederholpräzision des SDD ermöglicht die Messung sehr dünner Au- und Pd-Schichten. Auch die Richtigkeit ist für Geräte mit SDD höher, da durch die hohe Energieauflösung das Nutzsignal weniger durch den Untergrund oder benachbarte Fluoreszenzlinien gestört wird.

Abb. 1: Das Messsystem FISCHERSCOPE® X-RAY XDV®-SDD ist mit einem Silizium-Drift-Detektor (SDD) ausgestattet, mit dem sich extrem dünne Schichten schnell und wiederholgenau bestimmen lassen

Die richtige Behandlung des Grundwerkstoffes gewinnt bei dünneren Schichten auch zunehmend an Bedeutung. Eine pauschale Subtraktion des Untergrundsignales verbessert zwar die Wiederholpräzision, führt aber zu fehlerhaften Ergebnissen. Die Auswertesoftware WinFTM® erlaubt deshalb die explizite Berücksichtigung der Zusammensetzung des Untergrundes bei jeder Messung.

Ein lokaler Ansprechpartner von Fischer berät Sie gerne bei der Auswahl des geeigneten Röntgenfluoreszenz-Gerätes für die Vermessung von Au/Pd-Schichten auf Leiterplatten:
FISCHERSCOPE® X-RAY XDL mit Proportionalzählrohr, XDAL mit PIN-Detektor, XDV-SDD mit Silizium-Drift-Detektor.

Dickenmessung von Schutzlacken auf Leiterplatten

Schutzlacke werden bei elektronischen Schaltkreisen zum Schutz gegen Feuchtigkeit, Staub, Chemikalien und extremen Temperaturen angewandt. Zu dünn beschichtete Baugruppen oder vollkommen unbeschichtete und daher nicht geschützte Teile der Leiterplatte könnten zu Schäden oder zu Fehlfunktionen der Elektronik führen.

Wenn die Elektronik rauen Umgebungsbedingungen widerstehen muss und ein zusätzlicher Schutz notwendig ist, dann beschichten die meisten Leiterplattenhersteller die Baugruppen mit einem transparenten Schutzlack. Das Beschichtungsmaterial kann dabei auf verschiedene Arten, wie Bürsten, Sprühen und Tauchen, oder durch selektives Beschichten mittels Roboter aufgetragen werden. Je nach Material stehen verschiedene Härtungs- und Trocknungsverfahren zur Verfügung.

Die Schichtdickenmessung ist dabei wichtig, um den notwendigen Schutzgrad zu überprüfen. Die Messung kann mittels Wirbelstrom-Verfahren (DIN EN ISO 2360) durchgeführt werden, wobei die Kupferschicht als leitfähiger Untergrund dient.

Besondere Eigenschaften wie die Dicke der Kupferschicht, das Lot, die Strukturgröße und die Beschichtungsart können die Messungen beeinflussen. Fischer hat daher ein spezielles Sondenmodell FTA3.3-5.6 HF mit der für Fischer typischen Richtigkeit und Wiederholbarkeit zur Messung solcher Schichten entwickelt. Für eine korrekte Messung ist eine Messstelle von mindestens 5 mm erforderlich. Die besten Messergebnisse werden erzielt, wenn eigens dafür vorgesehene Messpositionen im Design der Leiterplatte integriert werden.

Die Wirbelstrom-Sonde FTA3.3-5.6 HF kann an mobile Handgeräte der FMP-Familie oder an das Tischgerät FISCHERSCOPE® MMS® PC2 angeschlossen werden. Die Sonde vereint viele besondere Leistungsmerkmale für das Messen der Schichtdicke von Schutzlacken:

  • Die hohe Messfrequenz verhindert Messfehler durch Variationen in der Kupferdicke
  • Großer, flacher Sondenpol verhindert das Eindringen in weiche Beschichtungsmaterialien
  • Automatische Kompensation der Leitfähigkeitsunterschiede von Grundmaterialien
  • Messen auf Sn, Ag oder unbeschichtetem Kupfer
  • Hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit

Die Kontrolle von Schutzlacken ist ein kritischer Faktor in der Bestimmung der langfristigen Zuverlässigkeit von Leiterplatten. Die Fischer-Sonde FTA3.3-5.6 HF ist für diese Anwendung ideal geeignet. Die Sonde kann an alle tragbaren DUALSCOPE® oder ISOSCOPE® FMP Instrumente oder an das FISCHERSCOPE® MMS® PC Tischgerät angeschlossen werden.

Bestimmung der Kupferdicke in Durchkontaktierungs-Bohrungen

Im Zuge einer zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Baugruppen ist eine immer größere Anzahl von Leiterbahnen auf einer vorgegebenen Fläche unterzubringen. Leiterplatten werden deshalb als Mehrschicht- oder Multilayer-Platinen ausgelegt. Um eine Übertragung elektrischer Signale zwischen den Schichten zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Leiterbahnen der verschiedenen Schichten elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Dazu werden Kontaktierungsbohrungen gesetzt, deren Innenwandungen mit einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. Kupfer) beschichtet werden. Zur Qualitätskontrolle dieser Beschichtung ist es notwendig, deren Dicke genau zu bestimmen.

Die Bestimmung der Kupferdicke in Durchkontaktierungs-Bohrungen erfolgt mittels der phasensensitiven Wirbelstrom-Methode. Dabei wird eine nadelförmige Sondenspitze mit einer integrierten, sehr kleinen Wirbelstrom-Spule in die Bohrung der Leiterplatte eingeführt.

Aufgrund der Anordnung der Spule fließen die Wirbelströme in Längsrichtung zur Bohrungsachse, wodurch die Kupferzwischenlagen keinen merklichen Einfluss auf die Messung der Kupferdicke in der Bohrung haben. Auch unter dünnen Sn-Schichten sind zuverlässige Messungen möglich.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der phasensensitiven Wirbelstrom-Methode ist, dass für Durchmesser im Bereich 0,8 bis 1,2 mm die gleiche Kalibrierung verwendet werden kann, da das Messsignal in diesem Bereich unabhängig vom Bohrungsdurchmesser ist.

Selbst für die sehr geringen Bohrungsdurchmesser von 0,8 mm sind unterschiedliche Längen der nadelförmigen Sondenspitze verfügbar, entsprechend optimiert für verschiedene Dicken von Leiterplatten. Die phasensensitiven Wirbelstrom-Sonden ESL080B und ESL080V decken dabei einen Bereich von 0,5 bis 8 mm Plattendicke ab. Beide Sonden können sowohl mit den mobilen Handmessgeräten PHASCOPE® PMP10 als auch mit dem komfortablen und vielseitigen Tischgerät FISCHERSCOPE® MMS® PC2 von Fischer betrieben werden.

Die Bestimmung der Kupferdicke in Durchkontaktierungs-Bohrungen kann mit den Sonden ESL080B und ESL080V und den zugehörigen Wirbelstrom-Messgeräten PHASCOPE® PMP10 und FISCHERSCOPE® MMS® PC2 einfach und präzise durchgeführt werden. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Fischer-Ansprechpartner.

Kontrolle der Lötstopplack-Dicke bei der Leiterplattenfertigung

Um zu verhindern, dass beim Benetzen von Leiterplatten Lötbrücken entstehen, welche zu Kurzschlüssen führen, werden Leiterplatten während des Lötvorgangs mit einem nichtleitenden Lötstopplack beschichtet. Dieser Lötstopplack schützt die Leiterplatte zudem vor Korrosion und verbessert die elektrischen Eigenschaften wie z. B. die Durchschlagsfestigkeit. Bei diesen vielschichtigen Anforderungen ist der Bedarf zur Qualitätsüberwachung der Lackdicke naheliegend.

Als Material für Lötstopplacke kommt zum Beispiel Epoxidharz in Frage, oftmals in grüner Farbe aufgebracht, dem typischen Farbton von Leiterplatten. Entwickelt wurde der Lack insbesondere für Wellenlötanlagen, um die flächige Benetzung und damit Lötbrücken zu vermeiden und letztendlich auch den Lötzinnverbrauch zu senken. Die Dicke dieser Lackschicht ist ein wesentliches Merkmal ihrer Funktionsfähigkeit und muss daher kontrolliert werden.

Die Überprüfung der Lötstopplack-Dicke bedeutet messtechnisch, dass eine elektrisch nicht leitende Schicht über Kupfer gemessen wird. Diese Anforderung wird optimal vom amplitudensensitiven Wirbelstromverfahren erfüllt. Da die Dicke der verdeckten Kupferschicht sehr unterschiedlich ausfallen kann, sollte hierzu eine Sonde mit sehr hoher Messfrequenz eingesetzt werden, welche sich durch eine geringe Eindringtiefe in Kupfer auszeichnet.

Für diese Anforderungen optimiert ist die Wirbelstrom-Sonde FTA3.3-5.6HF mit einer Frequenz von 20 MHz. Eine Kupferschicht von 30 µm ist für diese Sonde bereits sättigungsdick. Kann man eine Messunsicherheit von 10-15 % akzeptieren, lassen sich Lackdicken bereits auf einer Kupferbasisdicke von 18 µm bestimmen.

Abb.1: Die Wirbelstrom-Sonde FTA3.3-5.6HF ist mit ihrer hohen Messfrequenz von 20 MHz für die Vermessung der Dicke des Lötstopplacks optimal geeignet

Aufgrund der lateralen Ausdehnung des Wirbelstromfeldes der Sonde FTA3.3-5.6HF muss eine Messfläche mit einer Ausdehnung von etwa 5-6 mm gegeben sein, um eine Beeinflussung durch Randeinflüsse zu vermeiden.

Zur Überprüfung der Dicke von Lötstopplack-Schichten über Kupferkaschierungen ist die Sonde FTA3.3-5.6HF von Fischer mit ihrer hohen Messfrequenz hervorragend geeignet. Die Sonde kann mit den ISOSCOPE®- oder DUALSCOPE®-Geräten der FMP-Familie oder dem Tischgerät FISCHERSCOPE® MMS® PC2 betrieben werden. Für mehr Informationen steht Ihnen Ihr Fischer-Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

X-RAY-Produktlinie für Messungen an Leiterplatten (PCBs)

Die Bestimmung der Dicke von Leiterplattenbeschichtungen muss schnell, präzise und kosteneffektiv sein. Dabei werden die (Edelmetall-)Beschichtungen immer dünner und es muss auf immer kleineren Strukturen gemessen werden. Zudem müssen die Messsysteme den Anforde­rungen an die Handhabung von großen und/oder flexiblen PCBs gerecht werden.

Die Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA) hat sich aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Genauigkeit für die Messung von metallischen Beschichtungen auf Leiterplatten etabliert. Fischer bietet mit den eigens entwickelten X-RAY-PCB-Geräten spezielle RFA-Messsysteme für alle Standard-Beschichtungen, die in der Leiterplattenindustrie vorkommen. Auch komplexe Mehrschichtsysteme und (Edelmetall-)Legierungen können einfach und genau gemessen werden.

 

Abb 1: FISCHERSCOPE® XULM® PCB mit erweiterter Auflagefläche für flexible Leiterplatten 

Um schwierigen Anforderungen an die Positionierung gerecht zu werden oder auf kleinen Strukturen präzise messen zu können, stehen verschiedene Modelle und Ausstattungen zur Verfügung. Der Anwender kann zwischen Messung von unten oder oben, manueller Positionierung, motorisierten XY-Tischen oder erwei­terten Auflageflächen wählen.


Typische Schichtdicke


 Messaufgabe

1. Schicht

2. Schicht

3. Schicht

4. Schicht

Au/Ni/Cu

0,3-0,7

3-15

10-40

--

Au/NiP/Cu

0,02-0,08

1-6

10-40

--

Ag/Cu

0,1-0,5

10-40

--

--

Sn/Cu

0,5-9

10-40

--

--

SnPd/Cu

2,5-10

10-30

--

--

Au/Pd/NiP/Cu

0,02-0,08

0,03-0,1

1-6

10-40

Tab. 1: Typische PCB-Messaufgaben und Schichtdicken [µm]

Mit dem Fokus auf Präzision und Richtigkeit bietet FISCHER zudem eine große Palette an Kalibrierstandards, gefertigt im eigenen akkreditierten Kalibrierlabor. Um PCB-Beschichtungen < 100 nm zu messen ist es unerlässlich, das Messsystem mit Standards ähnlicher Dicke zu kalibrieren. Für Schichten unter 50 nm kommen nur Geräte mit Halbleiterdetektor zum Einsatz.

Die speziell entwickelten X-RAY-PCB-Geräte von Fischer erfüllen perfekt die Anforderungen von Leiterplatten-Herstellern: schnell und einfach zu bedienen, ermöglichen sie zusammen mit den passenden Kalibrierstandards die hochpräzise, verlässliche und zerstörungsfreie Qualitätskontrolle. Weitere Informationen erhalten Sie von Ihrem lokalen Fischer-Partner.

Automatische Mustererkennung vereinfacht die Qualitätskontrolle von Leiterplatten

Moderne Leiterplatten verfügen über eine Vielzahl von Kontaktstellen für elektrische Verbindungen, welche alle metallisch beschichtet werden. Die messtechnische Überwachung dieser vielen Beschichtungsstellen ist zur genauen Prozess­kontrolle überaus wichtig. Insbesondere bei großflächigem Nutzen ist die manuelle Positio­nierung auf den kleinen Messpositionen nicht mehr effektiv durchführbar.

Für die messtechnische Überwachung der Beschichtungsdicke und Materialzusammensetzung von Kontaktstellen auf Leiterplatten hat sich die Röntgenfluoreszenz-Methode (RFA) etabliert. Fischer bietet gleich mehrere Modelle der FISCHERSCOPE-X-RAY-Serie an, welche speziell für diese Messaufgabe optimiert sind. Da die Anforderungen an die Automatisierung auch in der Qualitätskontrolle ständig steigen, hat Fischer eine Lösung zur schnellen und effektiven Messung von Leiterplatten bei minimiertem Bedieneraufwand entwickelt.

Die Software WinFTM® verfügt ab der Version 6.30 über eine automatische Bilderkennung. Diese erlaubt eine genaue und exakte Positionierung des Messpunkts auf kleinen Strukturen bei allen RFA-Geräten mit programmierbarem XY-Tisch. Diese Bilderkennung lässt sich gerade für automatisierte Prozesse sinnvoll einsetzen, wenn z. B. große Leiterplatten geprüft werden und immer wieder auf den gleichen Testpositionen gemessen werden muss.

Wenn das Gerät mit der nächsten Leiterplatte bestückt wird, entsteht meist ein kleiner Versatz (Offset) zu den ursprünglich programmierten Messpunkten der ersten Leiterplatte. Die Messpositionen der kleinen Strukturen im µm-Bereich können nur mit Hilfe einer Feinjustage über die Bilder­kennung exakt wiedergefunden werden. Bei der WinFTM® 6.30 lässt sich im Menü "Bilderkennung" ein Bildausschnitt bzw. Muster definieren. Die Mess­position kann dabei innerhalb des Bildausschnitts frei gewählt werden. Vor einer Messung wird die Lage des Messflecks (Fadenkreuzmitte) mit dem Bildausschnitt abgeglichen und die richtige Messposition wird angefahren. Weitere, automatische Positio­nierungen, wie z. B. das Finden und Anfahren des nächsten Pads in einer Reihe, lassen sich daraus ableiten. Es können auch mehrere Bildausschnitte bzw. Muster definiert werden, so dass sich automatisierte Messungen an unterschiedlichen Strukturen durchführen lassen.

Mit Hilfe der Voreinstellungen im Bilderkennungsmenü lässt sich diese Softwarefunktion selbst ohne Vorkenntnisse einfach bedienen. Zudem gibt es die Möglichkeit, verschiedene Suchalgorithmen auszu­wählen oder über die Fehlerprüfung auch geringfügige Abweichungen des Bildausschnitts (Muster) zuzulassen.

Mit der neuen Mustererkennung in der WinFTM®-Software der RFA-Messsysteme von Fischer lassen sich Messungen für die Qualitätskontrolle an Leiterplatten sehr gut automatisieren. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Fischer-Ansprechpartner.