Qualitätskontrolle unbestückter Leiterplatten

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1 Exklusiv für Helmut Fischer GmbH 2386 Qualitätskontrolle unbestückter Leiterplatten Von Susanne Korsch, Heinz Kleinbach und Peter Neumaier; Sindelfingen Leiterplatten sind hochwertige Produkte, die umfangreiche Qualitätskontrollen erfordern, um ihre Funktionssicherheit zu garantieren. Der vorliegende Beitrag gibt eine Übersicht über die wichtigsten Messverfahren zur Überprüfung der Schichteigenschaften Dicke, Zusammensetzung, Härte unbestückter Leiterplatten. 1 Relevante Beschichtungen unbestückter Leiterplatten Für folgende Beschichtungen werden Messmethoden angegeben: Oberflächenkupfer, meistens bestehend aus einer aufkaschierten und nachträglich galvanisch verstärkten Kupferschicht; Kupfer in Bohrungen, welches galvanisch abgeschieden wird; Lötpads für Bauelemente; Steckkontakte bei auswechselbaren Leiterplatten; Lötstopp- und Schutzlack. 2 Dickenmessung von Oberflächenkupfer Der untere Grenzwert für die Dicke des Oberflächenkupfers fertig galvanisierter Leiterplatten liegt üblicherweise bei ungefähr 35 µm. Um die thermische Stabilität der Schicht bei Stromdurchfluss zu garantieren, muss dieser Grenzwert kontrolliert werden. Dafür stehen die nachfolgend aufgeführten zerstörungsfreien Messmethoden zur Verfügung. 2.1 Amplitudensensitive Wirbelstrommethode Bei dieser Messmethode [1] kommt gemäß Abbildung 1 eine kleine Wirbelstromsonde zum Einsatz, bei welcher die Amplitude des komplexen Messsignals vom Messgerät, nach entsprechender Kalibrierung, in einen der Kupferdicke proportionalen Messwert umgewandelt wird. Die kleinste messbare Fläche muss einen Durchmesser von etwa 6 mm besitzen, damit Randeinflüsse keinen Messfehler verursachen. Der messbare Kupferdickenbereich hängt gemäß der vereinfachten Größengleichung für die Eindringtiefe von Wirbelströmen in ein Nichteisenmetall neben der elektrischen Leitfähigkeit hauptsächlich von der Messfrequenz ab: 10/ Peter Neumaier Susanne Korsch Heinz Kleinbach Abb. 1: Amplitudensensitive Wirbelstromsonde zur Messung der Kupferdicke auf Leiterplatten Jahre Eugen G. Leuze Verlag

2 2387 δ = 503/ σ f <1> mit: d Eindringtiefe (mm) σ elektrische Leitfähigkeit von Kupfer (MS/m) f Frequenz des elektromagnetischen Feldes in (Hz) Bei einer elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers von 56 Ms/m und einer Messfrequenz von 60 KHz (wie bei der Messsonde ETA3.3Cu) beträgt demnach die Eindringtiefe δ ungefähr 255 µm. Um einen ausreichenden Messsignalunterschied bei sich ändernder Kupferdicke zu erhalten, beträgt die maximal messbare Kupferdicke etwa δ/2, also für die ETA3.3Cu ungefähr 130 µm, was für die üblichen Messaufgaben ausreichend ist. Die mit dieser Messfrequenz minimal messbare Kupferdicke beträgt etwa 3 µm, da bei kleineren Dicken das Sondensignal technisch nicht mehr ausreichend genau messbar ist. Aufgrund dieser Begrenzungen bietet die Helmut Fischer GmbH weitere Sonden dieses Typs für den Messbereich von 0,5 µm bis 250 µm an. Der Nachteil dieser Messmethode liegt darin, dass eine gegenüberliegende, durch eine Epoxyschicht elektrisch getrennte, Kupferschicht die Messung beeinflusst und zwar in Abhängigkeit von der Dicke der Epoxyschicht. Bei der Sonde ETA3.3Cu ist eine fehlerfreie Messung erst ab einer Epoxydicke von etwa 1,6 mm gegeben, das heißt dass sie vorwiegend bei doppelt kaschierten Standard-Leiterplatten mit einer Dicke von etwa 1,6 mm einsetzbar ist. 2.2 Phasensensitive Wirbelstrommethode Bei der phasensensitiven Wirbelstrommethode [2] wird ebenfalls eine der in Abbildung 1 vergleichbaren kleine Messsonde verwendet, jedoch wird in diesem Fall die Phase des komplexen Messsignals in einen der Schichtdicke proportionalen Messwert umgewandelt. Unter der Phase versteht man hierbei die aus der Elektrotechnik bekannte Phasenverschiebung zwischen dem das Sondenmagnetfeld erzeugenden, hochfrequenten sinusförmigen Wechselstrom und der ebenfalls sinusförmigen an der Messspule abgegriffenen Messspannung. Diese Signalauswertung hat gegenüber der amplitudensensitiven Wirbelstrommessung den großen Vorteil, dass dieser Phasenwinkel in einem weiten Abstandsbereich (Lift-off) der Sonde von der Kupferoberfläche nur von der Kupferdicke abhängt und nicht von dem Lift-off selbst. Dies ermöglicht im Gegensatz zur amplitudensensitiven Methode auch die Messung von Kupferschichten unter einer bereits aufgebrachten Schutzlackschicht, da dieser Lift-off bis zu 300 µm betragen darf. 2.3 Elektrische Widerstandsmethode Diese Methode [3] zur Kupferdickenmessung auf Leiterpatten ist heute am verbreitetsten. Der Grund dafür ist, dass kein so genannter Durchgriff auf gegenüberliegende Kupferschichten besteht wie dies bei der Wirbelstrommethode der Fall ist, sie also hervorragend bei den wichtigen Multilayer- Leiterplatten eingesetzt werden kann. Das Messprinzip ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Über zwei Kontaktspitzen wird ein eingeprägter Gleichstrom (seine Stärke ändert sich nicht bei einer Änderung des elektrischen Widerstands zwischen Kontaktspitze und Kupferoberfläche) in die zu messende Schicht eingeleitet und der durch den Stromfluss erzeugte elektrische Potenzialunterschied (= Spannung) zwischen zwei Messspitzen abgegriffen. Diese Messspannung ist abhängig von der Kupferdicke, aber auch von der zur Verfügung stehenden Messfläche. Die Verwendung von zwei zusätzlichen Messspitzen hat den technischen Vorteil, dass Kontaktwiderstandsänderungen keinen Einfluss haben, da das Signal auf einen hochohmigen Messverstärker gegeben wird und damit praktisch kein Strom fließt, der einen Abb. 2: Prinzip der Vierspitzen-Widerstandsmessung Eugen G. Leuze Verlag 106 Jahre 10/2008

3 2388 nennenswerten Spannungsabfall über den Kontaktwiderständen verursachen könnte, welcher dann den Messwert verfälschen würde. Ist die zu messende Kupferdicke d cu viel kleiner als der Abstand zwischen zwei benachbarten Messspitzen, was generell der Fall ist, da der kleinste Messspitzenabstand etwa 1 mm beträgt, so gilt d cu = ln2 I / (σ π U) <2> mit σ: elektrische Leitfähigkeit der zu messenden Schicht; I: Stärke des Gleichstroms; U: gemessene Spannung. Die Messspannung ist relativ klein (bei einer Stromstärke von 1 A und einer Kupferschichtdicke von 35 µm ergibt sich für U etwa 0,1 mv). Das Messgerät muss daher eine stabile Analogschaltung aufweisen. Will man sehr genau messen, muss auch noch die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit des Kupfers berücksichtigt werden, da ja häufig die Schichtdickenkontrolle direkt nach dem Galvanikbad stattfindet und die Leiterplatten noch warm sind. Das in Abbildung 3 gezeigte Fischerscope MMS PC ermöglicht daher über einen separat angeschlossenen Temperaturfühler eine automatische Temperaturkompensation des Messwerts. 3 Messung der Kupferdicke in Bohrungen Bei dieser Messaufgabe geht es um die Bestimmung der Kupferdicke in Durchkontaktierungsbohrungen nach der Wirbelstrommethode, und zwar ab einem Bohrungsdurchmesser von minimal 0,8 mm. Abb. 3: Fischerscope MMS PC mit Widerstandsmesssonde ERCU N a) b) Abb. 4: Schema einer nadelförmigen Messsonde mit integrierter Wirbelstromspule zur Messung der Kupferdicke in Bohrungen (a); Wirbelstromverlauf in Bohrungslängsachse verhindert den Einfluss von Zwischenlagen (b) Dies stellt eine wesentlich schwierigere technologische Aufgabe dar, als die Bestimmung der Dicke des Oberflächenkupfers, da eine äußerst kleine Wirbelstromspule verwendet werden muss, welche in die Bohrung eingeführt werden kann. Schematisch ist dies in Abbildung 4a dargestellt. Innerhalb der nadelförmigen Sondenspitze ist eine winzig kleine Wirbelstromsonde so angeordnet, dass die durch sie in der Kupferschicht induzierten Wirbelströme, wie in Abbildung 4b gezeigt, in Längsrichtung der Bohrungsachse fließen. Dies hat den großen Vorteil, dass Kupferzwischenlagen keinen merklichen Einfluss auf die Messung der Kupferdicke haben, da die Wirbelströme nach physikalischer Gesetzmäßigkeit den kürzesten Weg nehmen, also keinen Umweg über die Zwischenlagen machen. Da bei dieser Messung auch die phasensensitive Wirbelstrommethode verwendet wird, ist das Messsignal in einem Bohrungsdurchmesserbereich von etwa 0,8 bis 1,2 mm unabhängig vom Durchmesser, das heißt, es kann die gleiche Kalibrierung verwendet werden. Bei Bohrungen mit weniger als 0,8 mm Durchmesser ist diese Messmethode, hauptsächlich wegen der Gefahr des Abbrechens der Sondenspitze, nicht mehr anwendbar. Die technische Realisierung einer entsprechenden Wirbelstromsonde, welche zum Beispiel an ein Messgerät gemäß Abbildung 3 oder ein Handgerät angeschlossen werden kann, zeigt Abbildung 5. 10/ Jahre Eugen G. Leuze Verlag

4 2389 Abb. 5: Messsonde ESL080B 4 Analyse der Schichten auf Steckkontakten, Leiterbahnen und Lötpads Für diese Messaufgaben ist das Röntgenfluoreszenzverfahren nicht nur die Methode der Wahl, sondern auch die einzige zerstörungsfrei und berührungslos messende Methode, mit welcher auch mehrere Schichten gleichzeitig gemessen werden können. Kontrolliert werden muss bei der neuesten Leiterplattentechnologie die Dicke von meist dünnen chemisch Zinn- und chemisch Silber- Schichten auf Kupferbasismaterial. Im Einsatz sind häufig auch vernickelte und vergoldete Leiterplatten, wobei je nach Anwendung chemisch oder galvanisch abgeschiedene Gold- und Nickelschichten im Einsatz sind. Dabei müssen die Goldschichten teilweise im Bereich einiger 10 nm sehr präzise und genau gemessen werden. 4.1 Theorie Das Messverfahren der Röntgenfluoreszenz soll hier nur kurz erklärt werden. Ausführliche Betrachtungen finden sich in [4]. Die energiedispersive Röntgenfluoreszenzmethode (EDRFA) ist eine Analysenmethode, die Schichtdickenmessung und Elementanalyse auf schnelle und einfache Weise ermög- licht. Es entspricht der Norm DIN EN ISO 3497 und der ASTM B 568. Bei dieser Messmethode wird in der Röntgenröhre durch Beschleunigung von Elektronen die so genannte primäre Röntgenstrahlung erzeugt. Je nach Applikation kann die Hochspannung, und damit die maximale Energie der Röntgenstrahlung variiert werden. Der Kollimator bringt die Röntgenstrahlung in eine definierte Form, so dass der Messfleck und seine Dimensionen genau bekannt sind und an die Anforderung angepasst werden können. Eine Videokamera ist durch einen speziellen Spiegelaufbau in der Lage, die Messstelle direkt zu betrachten. Die primäre Strahlung dringt in die Oberfläche des Prüfteils ein und regt das Schichtmaterial und den Grundwerkstoff zur Aussendung von sekundärer Röntgenfluoreszenzstrahlung an. Ursache dafür ist, dass ein primäres Strahlungsquant ein Elektron aus einer der inneren Elektronenschalen des Atoms herausschlägt. Diese Lücke muss aus energetischen Gründen durch Elektronen der äußeren Schalen aufgefüllt werden. Dabei wird Energie in Form von sekundärer Röntgenfluoreszenz freigesetzt. Diese Energie ist charakteristisch für jedes verwendete Material. Ein Strahlendetektor erfasst diese Strahlung und über eine angepasste Elektronik werden die dort auftretenden Impulse nach Energie und Häufigkeit sortiert. Es entsteht ein Spektrum mit der kombinierten Information aus Schicht und Grundwerkstoff. Basierend auf der Fundamentalparameter-Methode berechnet die Software WinFTM die Dicke und die Zusammensetzung der Schicht(en). Mittels einer Kalibrierung mit zertifizierten Proben ist die Messung auf internationale Standards rückführbar. Abbildung 6 zeigt als Beispiel eines EDRFA-Messgeräts das Fischerscope X-RAY XDAL. 4.2 Applikationen Messung von Zinnschichten Durch die RoHS & WEEE-Direktive wird der Einsatz von klassischen Zinnbleischichten auf den Leiterbahnen und Lötpads von Leiterplatten durch reine Zinnschichten abgelöst. Dabei wird häufig der Prozess der chemischen Abscheidung verwendet, mit Zinnschichtdicken von etwa 1 µm. Zusätzlich dazu tritt bei Zinnschichten auf verkupferten Eugen G. Leuze Verlag 106 Jahre 10/2008

5 2390 messenden Struktur, was die Wahl des geeigneten Kollimators, und gegebenenfalls auch der Gerätevariante beeinflusst, treten hier keine Schwierigkeiten auf. Die Kalibrierung erfolgt meist wie bei Zinnschichten mit einer dünnen Silberfolie auf verschiedenen mit Kupfer beschichteten Leiterplatten. Abb. 6: Fischerscope X-RAY XDAL zur Analyse verschiedenster Schichtsysteme auf Leiterplatten Leiterplatten das Problem auf, dass eine Diffusion des Zinns in die Kupferschicht stattfindet. Das beeinträchtigt die spätere Lötbarkeit. Bei dem Röntgenfluoreszenzmessverfahren werden generell die Mengen der einzelnen Elemente bestimmt. Über die Dichte der Materialien der Schichten wird aus dem eigentlichen Signal der Flächenmasse ein Schichtdickenergebnis. Das bedeutet, dass die stattgefundene Diffusion mit der EDRFA nicht bestimmt werden kann, da die vorhandene Menge an Zinn gleich bleibt. Die Prüfung auf die Restreinzinnschicht kann mit dem coulometrischen Messverfahren erfolgen, welches im nachfolgenden Abschnitt erläutert wird. Durch die dünnen Deckschichten beeinflusst auch die darunter liegende Kupferschicht die Messung. Die Kalibrierung des Messsystems erfolgt daher mit Kalibrierfolien aus dünnen Zinnschichten, die auf verkupfertes Leiterplattenmaterial verschiedener Kupferschichtstärken gelegt werden. Das entspricht dem realen Aufbau des Messobjekts, und es liegt dabei keine Diffusionszone vor, was für eine erfolgreiche Kalibrierung wichtige Faktoren sind Messung von Silberschichten Die Dicken von Silberschichten liegen üblicherweise ebenfalls im Bereich von 1 µm. Glücklicherweise findet dort keine Diffusion statt, weshalb das Messergebnis mittels EDRFA auch der tatsächlichen Schichtdicken entspricht. Bis auf die Größe der zu Messung des Schichtsystems Gold/Nickel Bei der Messung von Leiterplattenkontakten, die mit Nickel und Gold beschichtet sind, müssen häufig sehr dünne Goldschichten äußerst genau gemessen werden. Das erzwingt der Materialpreis. Da auch der Nickelpreis immer weiter steigt, werden auch diese Schichten immer dünner. Früher waren die Schichtdicken höher und konnten gut mit dem einfachen Proportionalzählrohr als Detektor für die Röntgenfluoreszenzstrahlung gemessen werden. Bei den dünneren Schichten von heute gibt es zwei Probleme. Das erste ist die relativ schlechte Energieauflösung dieses Detektors, wodurch eine Trennung der Information von Nickel und Kupfer schwierig ist. Sind nun dünne Nickelschichten auf relativ dicken Kupferschichten, so wird die Präzision der Messung des Nickels schlechter. Das zweite Problem sind die dünnen Schichten überhaupt. Der Messbereich des Proportionalzählrohrs als Detektor beginnt für Gold im Bereich 30 bis 40 nm. Das bedeutet, die Schichten liegen in der Nähe der Nachweisgrenze. Liegen dann noch, wie häufig, sehr eng zu erfüllende Toleranzgrenzen vor, sind die Messmöglichkeiten dieses Detektors erschöpft. Daher wird heute in der Leiterplattenindustrie immer häufiger ein Halbleiterdetektor eingesetzt. Dieser besitzt eine deutlich bessere Energieauflösung und kann somit Elemente mit Energieüberlappung besser trennen, damit auch sehr dünne Schichtsysteme aus Gold/Nickel präziser messen. Eine weitere Ursache für häufige Messwertdifferenzen sind die verwendeten Dichten der Materialien. Wie bereits erwähnt, ermittelt die EDRFA die Masse der Elemente in Schicht und Grundwerkstoff. Mit Hilfe der Dichte der Elemente wird eine Schichtdicke berechnet. Bei den chemisch Gold- und chemisch Nickelbeschichtungen spielt die Dichte eine entscheidende Rolle. Je nach Elektrolythersteller sind die Dichten der Schichten unterschiedlich. 10/ Jahre Eugen G. Leuze Verlag

6 2391 Wichtig ist, dass Zulieferer und Abnehmer die gleichen Dichten bei der Messung der Schichten verwenden, sonst kommt es zu Messdifferenzen mit zum Beispiel anders eingestellten EDRFA-Messsystemen oder zerstörenden Messmethoden, die nichts mit einer tatsächlich anderen Schichtdicke zu tun haben. 4.3 Überblick Die Kombination aus kleinster zu messender Strukturgröße des zu messenden Schichtaufbaus und den Prozesstoleranzen, deren Einhaltung das Messgerät überwachen muss, führen zur Auswahl des geeignetsten Detektortyps und damit auch des optimalen Messgeräts. Durch zunehmend kleiner werdende Strukturen werden auch immer häufiger Geräte mit Spezialoptiken eingesetzt, wie zum Beispiel das Fischerscope X-Ray XDV-µ mit Polikapillar-Röntgenoptik, das einen Messfleckdurchmesser von etwa 40 µm bei gleichzeitig hoher Zählrate (Intensität der Fluoreszenzstrahlung) ermöglicht. Diese können dann auch auf sehr kleinen Messflächen mit einer ausgezeichneten Energieauflösung präzise die Schichtdicken auf Leiterplatten bestimmen. Einen Überblick über die Präzisionen der verschiedenen Detektoren bei den hier aufgeführten drei Applikationen gibt Tabelle 1. Es wurden drei bei Fischer zertifizierte Kalibrierstandards mit beiden Detektoren und gleichen Messzeiten (30 s) gemessen. Damit der Variationskoeffizient (Standardabweichung geteilt durch Mittelwert) eine Aussage über die Präzision des Messgeräts zulässt, wurde auf jeder Probe 25 Mal an der gleichen Position gemessen. 5 Kontrolle der Lötbarkeit von Reinzinnschichten Wie im vorhergehenden Abschnitt erwähnt, kann mit dem Röntgenfluoreszenzverfahren nur die Gesamtmenge an abgeschiedenem Zinn bestimmt werden, nicht jedoch die nach einem Diffusionsprozess noch vorhandene Reinzinnschicht. Deren Dicke sollte nicht weniger als 0,3 µm betragen, damit noch eine sichere Lötbarkeit gegeben ist. Mit dem coulometrischen Schichtdickenmessgerät Couloscope CMS (Abb. 7) kann diese Schichtdicke gemessen werden, da die elektrochemischen Potenziale der Rest(Rein-)zinnschicht und der darauf folgenden Zinndiffusionszone sehr unterschiedlich sind (Abb. 8). Sobald die Reinzinnschicht abgelöst und die Diffusionszone vom Elektrolyt erreicht ist, steigt das Potenzial so stark an, dass dieser Anstieg zum automatischen Abschalten des Ablösevorgangs führt. Die vom Start bis zum Ende des Ablöseprozesses verstrichene Zeit wird vom Messgerät gemessen und über die eingestellten Messparameter wird automatisch die Schichtdicke berechnet. Weiteres dazu in [5]. 6 Messung der Lötstoppund Schutzlackdicke Lötstopplack hat hauptsächlich die Aufgabe, beim Löten, zum Beispiel in Wellenlötanlagen, das Benetzen bestimmter Leiterplattenbereiche zu verhindern. Der Schutzlack, üblicherweise nach der Bestückung appliziert, soll die elektrische Isolation verbessern und die Leiterplattenoberfläche gegen Korrosion und das Eindringen von Feuchtigkeit schützen. Die Dicke dieser Lackschichten ist ein Tab. 1: Vergleich der mit dem EDFRA-Verfahren erreichbaren Messgenauigkeiten (Variationskoeffzienten) bei verschiedenen Schichtsystemen in Abhängigkeit vom verwendeten Detektortyp Proportionalzählrohr Fischerscope X-Ray XDVM-P Halbleiterdetektor Fischerscope X-Ray XDAL Zinn / Kupfer / Leiterplatte 1,22 µm Zinn / 16 µm Kupfer 6,5 % 3,56 % Silber / Kupfer / Leiterplatte 0,35 µm Silber / 16 µm Kupfer 4,1 % 2,46 % chem. Gold / chem. Nickel / Kupfer / Leiterplatte 50 nm Gold / 2,3 µm Nickel / 15 µm Kupfer Au 21,3 % / Ni 3,26 % Au 4,84 % / Ni 0,91 % Eugen G. Leuze Verlag 106 Jahre 10/2008

7 2392 Abb. 7: Couloscope CMS mit Stativ V18 zur Messung der Reinzinndicke auf Leiterplatten Abb. 8: Verlauf des elektrochemischen Potenzials bei der coulometrischen Reinzinnablösung wesentliches Merkmal ihrer Funktionsfähigkeit und muss daher kontrolliert werden. Dafür stehen die beiden nachfolgend kurz beschriebenen, zerstörungsfreien Messmethoden zur Verfügung. 6.1 Amplitudensensitive Wirbelstrommethode Im Gegensatz zu Abschnitt 2.1 wird bei dieser Anwendung nicht die Kupferdicke auf elektrisch nicht leitendem Basismaterial gemessen, sondern die Dicke einer elektrisch nicht leitenden Schicht auf Kupfer. Dies bedingt einen anderen Sondentyp, der zwar in den äußeren Abmessungen mit der von Abbildung 1 identisch ist, jedoch eine wesentlich höhere Messfrequenz besitzt, damit die als Basismaterial fungierende Kupferschicht Sättigungsdicke bezüglich der Wirbelstromeindringtiefe besitzt. Technisch noch relativ einfach ist eine Frequenz von 20 MHz zu realisieren. Gemäß Gleichung <1> ergibt sich damit bei einer angenommenem elektrischen Leitfähigkeit von 56 MS/m für galvanisch abgeschiedenes Kupfer eine Eindringtiefe δ = 15 µm, das heißt dass ab einer etwa 30 µm dicken Kupferschicht die Dicke einer darauf abgeschiedenen Lackschicht unabhängig von der Kupferschichtdicke gemessen werden kann. Kann man einen Messfehler von 10 bis 15 Prozent akzeptieren, lassen sich Lackdicken bereits auf einer Kupferbasisdicke ab 18 µm bestimmen. Auch bei dieser Messmethode besteht wie unter Abschnitt 2.1 die Einschränkung, dass aufgrund der lateralen Ausdehnung des Wirbelstromfeldes eine Messfläche mit einem Durchmesser von etwa 6 mm gegeben sein muss, um Messfehler durch Randeinflüsse zu vermeiden. Die Lackdickenmessung auf Leiterbahnen üblicher Breite ist mit dieser Methode daher nicht möglich. 6.2 Betarückstreumethode Bei der Betarückstreumethode [6] ist die minimale Messfleckgröße dagegen wesentlich kleiner. Damit lassen sich Lackdickenmessungen auch auf Leiterbahnen ab einer Breite von etwa 0,2 mm messen. 10/ Jahre Eugen G. Leuze Verlag

8 2393 Abb. 9: Messprinzip der Betarückstreumethode Abbildung 9 zeigt schematisch das Messprinzip. Die von einem radioaktiven Isotop ausgesandten Betastrahlen (= aus dem Atomzerfall freiwerdende Elektronen) gelangen durch die Öffnung eines Blendrings, welcher die Messfleckgröße bestimmt, auf das Messobjekt. Dort wird ein Teil von ihnen bereits in der Schicht rückgestreut und gelangt durch dieselbe Blende auf ein Geiger-Müller-Zählrohr, welches die pro Sekunde eintreffenden Elektronen zählt. Ein bestimmter Teil der Betastrahlen gelangt durch die Schicht in den Trägerwerkstoff (Kupfer bei Leiterplatten), und wird erst dort rückgestreut. Jedem Element kann ein so genannter Abb. 10: Messtisch Z6NG Rückstreukoeffizient zugeordnet werden. Je höher die Ordnungszahl des Elements, desto größer ist dieser Rückstreukoeffizient. Abhängig von der Schichtdicke ergibt sich somit ein bestimmter Misch-Rückstreukoeffizient, welcher die Anzahl der vom Zählrohr erfassten Betastrahlen definiert. Nach einer entsprechenden Kalibrierung des Messsystems sind damit Lackdickenmessungen im üblichen Dickenbereich mit einer Genauigkeit von etwa drei Prozent möglich. Abbildung 10 zeigt den Messtisch Z6NG, anschließbar an das in Abbildung 3 gezeigte und mit dem Modul Betascope ausgerüstete Messgerät. Mittels eines auf die Oberfläche des Messobjekts projizierten Fadenkreuzes sowie einer Lupe kann der Blendring sehr genau positioniert werden. 7 Bestimmung der Härte von Goldschichten auf Kontakten In der Leiterplattenindustrie werden die Steckkontakte von Leiterplatten selektiv mit einer galvanischen Goldschicht überzogen, um sie bei Steckvorgängen verschleißärmer zu machen und den Kontaktwiderstand zu erniedrigen. Die Schichtdicke geht auch hier, wie bei fast allen Bereichen der, aus Kostengründen zurück. Je nach Anwendung liegen die heutzutage verwendeten Goldschichtdicken zwischen 0,2 bis 4 µm. Die Martenshärte [7] liegt hierbei je nach Legierungsanteilen von Kobalt und anderen Elementen zwischen 1200 bis 6000 N/mm² oder 140 bis 800 HV 0,001. Eine Mikrohärtemessung lässt hier rasch Rückschlüsse auf die Abriebfestigkeit, das Verschleißverhalten und bei anderen Kontaktstellen die Bondfähigkeit der Goldschichten zu. Abbildung 11 zeigt das dazu zur Verfügung stehende Messsystem HM 2000 XYp, mit welchem voll programmierbar die Härte auf Kontakten von Leiterplatten bestimmbar ist. Beispielhaft zeigen die Abbildungen 12 und 13 die mit dem HM2000 XYp erhaltenen Ergebnisse von Messungen auf Goldkontakten in Abhängigkeit von der verwendeten Prüfkraft und den Legierungszusätzen. Um die Härte und weitere Werkstoffparameter von zunehmend dünner werdenden Goldschichten richtig bestimmen zu können, müssen immer hochauflösendere Messgeräte eingesetzt werden. Das zur Eugen G. Leuze Verlag 106 Jahre 10/2008

9 2394 Abb. 11: Fischerscope HM2000 XYp Abb. 12: Härte-Indentoreindringtiefen-Verlauf, gemessen an einer 1 µm dicken Goldschicht bei Verwendung einer zu hohen Prüfkraft (Eindringtiefe überschreitet die zulässigen 10 % der Schichtdicke) Abb. 13: Verlauf der Schichthärte von 4 unterschiedlichen Goldlegierungsschichten als Funktion der Prüfkraft 10/ Jahre Eugen G. Leuze Verlag

10 2395 Zeit technisch Machbare ist mit der Gerätegeneration Fischerscope HM 2000 und Picodentor HM 500 erreicht. Schichten mit einer minimalen Dicke von etwa 20 nm können damit ohne den Messwert verfälschenden Einfluss von Zwischenschichten oder Substrat kontrolliert werden. 8 Zusammenfassung Zur Qualitätskontrolle der verschiedenen Schichtsysteme auf unbestückten Leiterplatten steht eine große Auswahl unterschiedlicher Messmethoden und Messgeräte zur Verfügung. Welche der Messmethoden einsetzbar ist, hängt wesentlich vom Aufbau der Leiterplatte ab. Das für den Anwender optimale Messsystem bei gegebener Messmethode ermittelt sich aus geforderter Messgenauigkeit und Kosten-Nutzen-Betrachtungen. Literatur [1] EN ISO 2360: Messung der Schichtdicke, Wirbelstromverfahren [2] DIN EN ISO 21968: Nichtmagnetische metallische Überzüge auf metallischen und nichtmetallischen Grundwerkstoffen Messung der Schichtdicke Wirbelstromphasenwechselverfahren [3] DIN EN ISO 14571: Metallische Überzüge auf nichtmetallischen Grundwerkstoffen Schichtdickenmessung Mikro-Widerstand- Verfahren [4] V. Rößiger, B. Nensel; Jahrbuch Oberflächentechnik 2004, Leuze Verlag, Bad Saulgau 2004, [5] S. Korsch, U. Sauermann; QZ 5/2006, Carl Hanser Verlag, München 2006, [6] EN ISO 3543: Metallische und nichtmetallische Schichten; Dickenmessung; Betarückstreu-Verfahren [7] DIN EN ISO 14577, Teil 1-4: Metallische Werkstoffe Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter