µ m Wissenswer tes aus dem Hause Helmut Fischer Nr. 2 / 13 E D I T O R I A L Werte Leser, Aufgrund der nachhaltig hohen Edelmetallpreise werden Goldmünzen und -barren zunehmend intensiv gehandelt und erfreuen sich bei privaten Anlegern großer Beliebtheit. Beim Handel mit diesen Edelmetallen ist eine Echtheitsprüfung wichtiger Bestandteil der Transaktion; es tauchen leider auch immer wieder Fälschungen auf. Mit speziell dafür entwickelten Messgeräten, die das Prinzip der Wirbelstromprüfung nutzen, bietet Fischer eine einzigartige Lösung zur Prüfung an. mit DAkkS-Kalibrierschein auch für Legierungsschichtsysteme und Masseanteile geliefert werden. Unser standardfreies Röntgenfluoreszenzverfahren bildet die Basis des verwendeten Vorgehens und der in Deutschland einzigartigen Akkreditierung. Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen und freue mich über eventuelle Anregungen unter kunde@helmut-fischer.de Thomas Wolf, Geschäftsführer Die bereits seit 10 Jahren bestehende Akkreditierung unseres Kalibrierlabors wurde bedeutend erweitert. So können nun Fischer Kalibriernormale Aus der Praxis Neue Handgeräte zur sekundenschnellen Prüfung von Goldmünzen und -Barren finden. Dabei nutzen sie den physikalischen Effekt, dass sich verschiedene Legierungen und Feingold in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden. Fischer konnte bei der Entwicklung auf einen großen Erfahrungsschatz zurückgreifen: Seit Jahren baut die Firma schon Leitfähigkeitsmessgeräte, die an vielen Stellen zur Materialprüfung eingesetzt werden, z.b. zur Prüfung der Materialermüdung in der Luftfahrtindustrie. ECHT oder UNECHT? Durch die langfristig hohen Preise von Edelmetallen hat sich die Produktion gefälschter Gold- und Silberwaren zu einer boomenden Industrie entwickelt. In letzter Zeit sind vermehrt gefälschte Barren und Münzen aufgetaucht, z.b. 1 oz Krügerrand-Fälschungen, die man für 80 US$ erwerben kann. Dies hat zu großer Unsicherheit im Markt geführt und viele Anleger sind misstrauisch geworden. Institutionelle und private Anleger wollen sicher sein, dass sie ihr Vermögen nicht in gefälschte Münzen oder Barren investieren. Bisher wurden zur Echtheitsprüfung zerstörende Verfahren eingesetzt, die zu einem Wertverlust der Objekte führen und viel Zeit beanspruchen. FISCHER bietet mit der neuen Produktlinie SIGMASCOPE GOLD zwei handliche Messgeräte, die Fälschungen von Edelmetallbarren und -Münzen zerstörungsfrei über die elektrische Leitfähigkeit I N H A L T Neue Handgeräte: Schnelle Prüfung von Goldmünzen und -Barren S.1 FISCHER-Aktivitäten bei PCB- Industrienorm-Entwicklungen S.3 Erweiterte DAkkS Akkreditierung für FISCHER X-Ray Standards S.4 Instrumentierte Eindringprüfung: Der neue Heiztisch SHS0 S.6 Dickenmessung von Cu-Schichten in Durchkontaktierungsbohrungen S.7 Nachlese: EUROMAT 13, Sevilla S.8 Messen und Seminare S.8 * Anmerkung: FISCHERSCOPE ist bereits seit 1979 ein eingetragenes Warenzeichen der Helmut Fischer GmbH Institut für Elektronik und Messtechnik
Seite 2, Nr. 2/13 DAS FISCHERSCOPE Wissenswertes aus dem Hause Helmut Fischer Gefälschte Münzen oder Barren haben im Innern Einschlüsse aus z.b. Wolfram, weil Wolfram eine ähnliche Dichte wie Gold hat. Diese Einschlüsse verändern die Leitfähigkeit stark. Leitfähigkeit MS/m 45 Fälschung Echt Für eine sichere Messung der Leitfähigkeit muss einerseits die Eindringtiefe des Magnetfeldes groß genug gewählt werden, dass Einschlüsse im Innern des Messobjektes zuverlässig gefunden werden, andererseits darf die Eindringtiefe nicht zu groß sein, dass der Untergrund (z.b. Tischplatte) das Messergebnis beeinflusst. Deshalb hat Fischer zwei Geräte für unterschiedlich dicke Messobjekte entwickelt: das SIGMASCOPE GOLD M für Münzen und SIGMASCOPE GOLD B für Barren. Es ist günstig, die Leitfähigkeit auf dem Fertigungs-Diagnose-Diagramm 1 FDD zu zeigen, siehe Abb. 1. Jeder Punkt im FDD zeigt den Leitfähigkeitswert eines Goldbarrens an. Fälschung 3 4 21 Block FDD Abb. 1: Das Fertigungs-Diagnose-Diagramm FDD zur Beurteilung der Echtheit von Goldbarren. Einfluss der Schutzfolie auf das Messergebnis, gemessen mit 4 Dukaten Österreich Österreich 4 Dukaten eine Schutzfolie (ca. 0.15 mm) zwei Schutzfolien (ca. 0.3 mm) drei Schutzfolien (ca. 0.45 mm) Leitfähigkeit (MS/m) Leitfähigkeit (MS/m) Leitfähigkeit (MS/m) Mittelwert aus 5 Messungen 25,47 25,49 25,62 Standardabweichung 0,01 0,02 0,02 Barren, die sich nicht signifikant in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden, haben die gleiche Farbe und bilden Gruppen. In der Abbildung sind die Messwerte für die echten Barren rot dargestellt. Die beiden unechten Barren sind blau und grün dargestellt. Ihre Leitfähigkeitswerte unterscheiden sich signifikant von den Leitfähigkeitswerten der echten Barren. So können gefälschte Barren sofort an der anderen Farbe erkannt werden. Messung direkt durch die Schutzfolie Durch die integrierte Lift-Off-Kompensation der Messsonde kann die Leitfähigkeit direkt durch die Schutzfolie hindurch gemessen werden. Das spart Zeit beim An- und Verkauf und die Gültigkeit des Zertifikats bleibt erhalten, wenn die Verpackung nicht verletzt wird. 1 siehe DAS FISCHERSCOPE Nr. 2/11 SIGMASCOPE GOLD M zur Prüfung von Münzen und Barren bis 50 g SIGMASCOPE GOLD B zur Prüfung von Barren (ca. 100 g bis 1 kg) Fazit Die Messung der Leitfähigkeit ist eine schnelle und präzise Methode zur Echtheitsprüfung von Wertobjekten aus Edelmetallen. Eine sichere Prüfung besteht aus drei einfachen und schnellen Schritten: 1. Test mit dem SIGMASCOPE GOLD 2. Bestimmung der Masse mit einer Waage 3. Prüfung der Abmessungen Mit dem SIGMASCOPE GOLD M kann die Leitfähigkeit von Münzen präzise gemessen werden. Mit dem SIGMASCOPE GOLD B lässt sich die Leitfähigkeit von Goldbarren bis ca. 1 kg Gewicht bestimmen. Das Gerät arbeitet mit drei Messbereichen für unterschiedliche Eindringtiefen, d.h. für unterschiedlich dicke Goldbarren. Zur Bestimmung der Element-Zusammensetzung eignet sich als komplementäres Verfahren die Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA). Siehe auch www.goldanalyse.de Dipl.-Ing. (FH) Rainer Hammermüller Dr. Sebastian Zaum
DAS FISCHERSCOPE Wissenswertes aus dem Hause Helmut Fischer Seite 3, Nr. 2/13 Aus der Praxis FISCHER-Aktivitäten bei PCB-Industrienorm-Entwicklungen Als weltweit agierende Firma und Marktführer in Schichtdickenmessung nimmt FISCHER aktiv teil an Normungsausschüssen von Industrieverbänden und Normbildenden Organisationen. Einer dieser Industrieverbände, den FISCHER berät, ist der Verband IPC-Association Connecting Electronics Industries. Der IPC entwickelt wichtige Normen für seine über 3.100 Mitglieder weltweit in der Elektronikbranche. Eine wichtige Botschaft, die wir als Firma täglich als Partner unseren Kunden vermitteln, ist wie man in jeder Produktionsumgebung richtig messen kann, mit einer hohen Wiederholpräzision und reproduzierbar. Dies ist unser Arbeitsalltag und auch Teil unserer Firmenphilososphie. Als Experten im Bereich von Schichtdickenmessung im Galvanikbereich sind wir mit den Herausforderungen vertraut, welche die Kundenanforderungen mit sich bringen. Wir haben das Fachwissen, um punktgenaue Lösungen zu liefern. Abb. 1: PCB-Messung mit einem X-Ray Gerät von FISCHER Abb.2: Messungen an Leiterplatten fordern oft angepasste Lösungen Über die Jahre hinweg haben viele FISCHER-Kunden als Anwendung Au/ Ni/Cu-Beschichtungen auf Leiterplatten als Routineaufgabe mit Proportionalzählrohrgeräten gemessen. FISCHER war der Erste, der einen Korrekturfaktor für Br in Leiterplattenmaterial eingeführt hat, und der eine Drift-Stabilität in den Geräten durchgeführt hat. Da ja der Trend in der Branche zu immer neuen Beschichtungsverfahren hingeht, möchte man die Ziele einer verbesserten Zuverlässigkeit, Lötbarkeit sowie Eignung für das Drahtbonden erreichen. Auch will man dadurch Kosteneinsparungen erzielen. Als Hersteller von Messgeräten können wir bei diesen Fragestellungen helfen. Einer dieser Beschichtungsprozesse ist Chemisch-Nickel, Chemisch-Palladium, dünne Goldschichten (stromlos hergestellt, ENEPIG). Es ist eine multifunktionale Oberflächenveredelung, geeignet für Lötungen sowie Gold-, Aluminium- und Kupfer-Drahtbonden. Die IPC Kategorie 3 Bedingung (Minimum der Lagerfähigkeit 12 Monate) wird eingehalten und trifft für alle SMD-, Hybrid- und durchkontaktierten Bauelemente-Applikationen zu. FISCHER nimmt am IPC Beschichtungs- Subkomitee 4-14 teil, welches die Spezifikation für den Gebrauch von ENEPIG, als Oberflächenveredelung von Leiterplatten, ausarbeitet. Die Norm wurde im Januar 13 veröffentlicht und sie fungiert unter der Bezeichnung IPC 4556. Was sind dabei die Besonderheiten? Die Norm spezifiziert die Dicken der Einzelschichten wie folgt: Chemisch Nickel: 3-6 µm Chemisch Palladium: 50-300 nm Dünnes stromlos abgeschiedenes Gold: 30 nm als Minimum Wegen den relativ dünnen Beschichtungen muß allergrößte Sorgfalt beim Setup und der Kalibrierung des Gerätes aufgebracht werden. Für diese so dünnen Schichten existiert bereits ein Einfluß der Leiterplatte selbst, z.b. durch verschiedene Kupfer-Unterschichten. Ferner bewirken verschiedene Dicken und Zusammensetzungen der Leiterplatte selbst teilweise extrem starke Einflüsse auf die Richtigkeit und die Wiederholpräzision der Au und Pd Messwerte. Man kann sich folglich gut vorstellen, wie schwierig es sein kann, einen engmaschigen Produktionsprozess zu führen, der die Spezifikation IPC 4556 erfüllt und gleichzeitig kosteneffizient produziert (durch Reduktion des Materialeinsatzes). Die Normspezifikation kann nun nicht mehr mit Proportionalzählrohrgeräten erfüllt werden. FISCHER erfüllt die Besonderheit dieser Messaufgaben mit dem FISCHERSCOPE XDV -SDD. Es vereint ein intelligentes Hardwaregerätedesign mit einer fortschrittlichen WinFTM Software. Für eine optimale Richtigkeit hat FISCHER Dreischichtnormale entwickelt: eine Goldschicht auf einer Palladiumschicht auf einer Nickel-Folie. IPC 4556 erfordert den Gebrauch von Dreischichtnormalen, die rückführbar sind auf ein nationales Metrologie-Labor. Fischer-Normale (Artikel-Nr. 604-467) erfüllen voll die Anforderungen von IPC 4556, die durch ein DAkkS-Zertifikat von FISCHER, im o.g. Sinn, rückführbar sind. Ferner erläutert die Norm im Detail die Herausforderung dieser Messaufgaben und leitet dazu an, wie man ein Röntgenfluoreszenzgerät einrichtet und wie man eine Messmittel-Fähigkeitsanalyse durchführt, um die Prozeßfähigkeit der Geräte nachzuweisen.
Seite 4, Nr. 2/13 DAS FISCHERSCOPE Wissenswertes aus dem Hause Helmut Fischer Anbei typische erzielte Messwerte, die mit einem korrekt kalibrierten FISCHER- SCOPE XDV -SDD erzeugt wurden: Sollwerte des gemessenen Normals, Au49nm/Pd100nm/Ni4387nm. Mittelwert Au 1 [nm] Pd 2 [nm] Ni 3 [nm] 48.92 nm 99.68 nm 4388.0 nm n Au 1 [nm] Pd 2 [nm] Ni 3 [nm] 1 48.5 97.9 4375 2 48.7 98.6 4381 3 48.6 99.0 4383 4 48.8 100.1 4392 5 49.0 100.1 4388 6......... 49.1 100.4 4395 21 49.3 100.5 4390 22 48.5 100.0 4395 23 48.4 99.0 4383 Std.- 0.286 nm 0.837 nm Abweichung Variationskoeff. (%) 5.112 nm 0.59 0.84 0.12 Range 1.07 nm 3.14 nm.2 nm Anzahl Messungen 25 25 25 Min 48.4 nm 97.9 nm 4375 nm Max 49.4 nm 101.0 nm 4396 nm Messzeit 1 sec Tab.1b: Auswertung der Messwerte nach Tab.1a 24 49.2 98.5 4389 25 49.1 98.0 4385 Tab.1a: Erzielte Messwerte an einem FISCHER-Normal (gemessen mit FISCHERSCOPE XDV -SDD) Michael Haller M.Sc. Fischer Technology, Inc., Windsor, USA Genauer hingeschaut Erweiterte DAkkS Akkreditierung für FISCHER X-Ray Standards Das Standardlabor der Helmut Fischer GmbH in Sindelfingen konnte sein Leistungsangebot bei der Akkreditierung durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) deutlich erweitern. Diese Akkreditierung D-K-15076-01-00 [1] erlaubt Kalibrierungen nach DIN EN ISO/IEC 17025:05 für die folgenden Messgrößen: Flächenmassen von Einfach- und Mehrfach-Reinelementschichten (als Folien oder als Schichten auf einem Grundwerkstoff) Flächenmassen von Legierungsschichten (als Folien oder als Schichten auf einem Grundwerkstoff) Masseanteile (Zusammensetzung) von Legierungen als Bulkproben. Für die entsprechenden Referenznormale (Kalibrierstandards) werden Kalibrierscheine ausgestellt, die explizit auf diese Akkreditierung hinweisen. Sie erfüllen damit den höchstmöglichen Qualitätsstandard für Referenzmaterial, nach dem der staatlichen metrologischen Institute (z.b. NIST, BAM). Wozu dienen Referenznormale? Reproduzierbarkeit ist ein zentraler Begriff in der Messtechnik. Wir verstehen darunter, dass für eine bestimmte Probe mit definierter Messgröße und Messposition unter allen Umständen dasselbe Messergebnis erhalten wird egal, mit welchem Gerät oder in welchem Labor oder durch welchen Bediener die Messung erfolgt. Die Abweichungen müssen innerhalb der Messunsicherheit liegen. Die Sicherung dieser zentralen Eigenschaft Reproduzierbarkeit ist die wichtigste Aufgabe der Referenznormale. Bereits der Name Referenz meint Vergleich. Wenn zwei Messgeräte für dieselbe Probe innerhalb der Messunsicherheit die gleichen Ergebnisse liefern, dann ist die Messung eben vergleichbar, was gleichbedeutend mit reproduzierbar ist. Nun wollen wir aber nicht nur, dass Geräte dasselbe messen, es soll auch richtig sein. Dies lässt sich nur dadurch erreichen, dass sich die Messwerte der benutzten Referenzproben auf die Basismaßeinheiten zurückführen lassen. Im vorliegenden Fall sind dies die Masse (Kilogramm) und die Länge (Meter). Es ist alles andere als trivial, dies für die technisch interessanten Systeme in jedem Falle zu realisieren. Das Ziel ist aber klar vorgegeben: an jeder Stelle der Welt in jedem Labor muss z.b. eine bestimmte Goldauflage eines Kontaktes in gleicher Weise gemessen werden. Dazu bedarf es Referenznormale, die genauso aufgebaut sind wie die zu messende Probe, und deren Eigenschaft (also die Gold- Flächenmasse) richtig bestimmt worden ist. Das heißt, sie ist rückführbar auf eine Goldschicht mit einer bestimmten Masse und einer bestimmten Fläche. Die Herstellung solcher und ähnlicher Normale ist die Aufgabe des Standardlabors der Helmut Fischer GmbH.
DAS FISCHERSCOPE Wissenswertes aus dem Hause Helmut Fischer Seite 5, Nr. 2/13 Röntgenfluoreszenz misst Flächenmasse Es ist bekannt, dass sich mit Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) dünne Schichten, auch auf sehr kleinen Flächen messen lassen. Sowohl zusammengesetzte Schichten (Legierungsschichten, z.b. NiP oder NiZn) als auch Mehrfachschicht-Kombinationen (z.b. Au/Pd/Ni/Cu-Legierung) können in einer einzigen Messung charakterisiert werden [2]. Wichtig in unserem Zusammenhang ist die immer wieder betonte Tatsache, dass RFA die Flächenmasse und nicht die geometrische Schichtdicke misst. Wenn doch aus praktischen Gründen die Schichtdicke als Messergebnis angezeigt wird, so bezieht sich diese stets auf die angenommene Dichte der Schicht. Dies trifft natürlich auf die entsprechenden Referenznormale genauso zu. Qualitätsmanagement sichert Rückführbarkeit Die Wägung einer quadratischen Reinelementfolie ist das Kernstück der Rückführung. Mit einem sicher kalibrierten Gewichtssatz und einer ebenso qualifizierten Längen- bzw. Flächen-Messeinrichtung lässt sich die Flächenmasse dieser Folie recht sicher zurückführen. Aber nicht alle Systeme lassen sich über solche Folien darstellen, etwa sehr dünne Schichten. Folien von wenigen Nanometern Dicke lassen sich nicht handhaben. Oder wir haben es mit zusammengesetzten Schichten zu tun. Hier müssen andere (auch entsprechend akkreditierte) Messverfahren ergänzend genutzt werden. Auch zerstörende Analysemethoden gehören dazu. Die Abbildung oben illustriert dies: Gravimetrie: Über Wägen und Ausmessen der Fläche wird die Flächenmasse einer Folie ermittelt. Diese Folie gilt als Bezugsnormal. Mittels weiterer zerstörungsfreier Messverfahren, z.b. der Rutherford-Rückstreuung, werden Schichten bezüglich ihrer Flächenmasse charakterisiert (s. [3]) und können direkt als Bezugsnormal verwendet werden. Mittels zerstörender chemischer Analyseverfahren, z.b. ICP-OES oder Kupellation, wird die Masse oder Teilmasse einer definierten Fläche ermittelt. Ein messtechnisch als gleichwertig charakterisiertes Probestück dient als Bezugsnormal. Wenn möglich wird zertifiziertes Referenzmaterial staatlicher metrologischer Institute als Bezugsnormal verwendet. Alle diese primären Quellen werden genutzt, um ganze Sätze von geeigneten Gebrauchsnormalen zu erzeugen, welche dann wiederum zur Produktion von Referenznormalen verwendet werden. Ein sehr entscheidendes Werkzeug dabei ist das bei Helmut Fischer entwickelte standardfreie RFA-Verfahren, welches es erlaubt, ohne Referenznormale ebenfalls die Flächenmasse(n) von Schichtsystemen oder die Konzentrationen von Legierungen zu ermitteln. Diese auf der Basis von fundamentalen Parametern (FP) basierende WinFTM - Software kann auch solche Proben messen, für die keine direkten Bezugsnormale zur Verfügung stehen. Gleichzeitig werden aber ähnliche Normale zur Prüfung gemessen, die damit die Funktion von Stützstellen haben. Diese Quantifizierung der Gebrauchsnormale ist für jedes System in sog. traceability reports dokumentiert. Insbesondere werden dort auch deren Messunsicherheiten abgeschätzt, die für die Qualität der Produkte entscheidend sind. Zusammenfassung Es werden nur solche Referenznormale nach dem DAkkS akkreditierten Verfahren hergestellt, für die qualifizierte Gebrauchsnormale existieren. Diese werden über ein standardfreies RF-Verfahren ausgemessen, wobei geeignete Bezugsnormale unterschiedlicher Herkunft als Stützstellen dienen. Die Akkreditierung des Labors nach DIN EN ISO/IEC 17025:05 dokumentiert für den Kunden die Qualität und damit die Zuverlässigkeit der Normale, so dass am Ende eine reproduzierbare (vergleichbare) und rückführbare Messung gewährleistet ist. Referenzen [1] Urkunde und Leistungsangebot vgl. http://www.helmut-fischer.com/ globalfiles/de_akkreditierung_de.pdf [2] V. Rößiger und B. Nensel, in Handbook of practical X-Ray fluorescence analysis, Springer 06, S. 554. [3] S. Dill und V. Rößiger, Circuit World, 37 (11). Dr. Volker Rößiger
Seite 6, Nr. 2/13 DAS FISCHERSCOPE Wissenswertes aus dem Hause Helmut Fischer Aus der Praxis Temperaturabhängige Bestimmung mechanischer Kenngrößen an Kunststoffen und Lacken zwischen 30 C und 0 C mit der instrumentierten Eindringprüfung Mit dem neuentwickelten Heiztisch SHS0 ist die Bestimmung mechanischer Kenngrößen mit der instrumentierten Eindringprüfung (DIN ISO 14577) in einem Temperaturbereich zwischen 30 C und maximal 0 C an Kunststoffen und Lacken möglich. Der SHS0 ist einsetzbar mit den Messsystemen FISCHER- SCOPE HM00 (Abb. 1) und dem PICODENTOR HM500. Abb. 1: Heiztisch SHS0 integriert im Messsystem FISCHERSCOPE HM00 Die zu vermessenden Teile sollten eben, dünn und nicht größer als der Heiztisch sein. Dadurch wird bei schlechten Wärmeleitern, wie Kunststoffen, eine schnelle und gute Temperaturverteilung und -regelung erreicht (Abb. 2). Die Zeit einer Messung sollte nicht zu lange sein. Messzeiten für die Krafterhöhung liegen bei 30-60 sec. Eine Wartezeit nach dem Absenken des Messsystems von 30-60 sec ergibt einen guten Temperaturausgleich zwischen Eindringkörper und Messobjekt. Messung und Auswertung sind problemlos mit der Software WIN-HCU möglich. Abb. 2: SHS0 mit lackiertem Blechmusterteil Erste Ergebnisse an zwei unterschiedlichen Kunstoffen (Plexiglas, einem Polymethylmethacrylat und Makrolon, einem Polycarbonat) und weiter an zwei unterschiedlichen Lacken (Klarlack, Decklack) werden dargestellt. Messergebnisse Kunststoff Die Messungen an beiden Kunststoffen beschränken sich auf den Temperaturbereich 30 C 100 C. Abbildung 3 und 4 zeigen das unterschiedliche Temperaturverhalten. Die Temperaturabhängigkeit der Martenshärte HM und des Eindringmoduls E IT von Makrolon ist sehr gering. 6 2 Eindringtiefe / µm14 10 6 2 Eindringtiefe / µm14 Plexiglas Makrolon 100 0 0 300 0 500 Kraft / mn 300 0 500 Kraft / mn Abb. 3: Temperaturabhängigkeit Eindringtiefe 30 C 100 C in 10 Grad Schritten Plexiglas und Makrolon Martenshärte HM / N/mm 2 Eindringmodul E IT / GPa 0 180 160 1 1 100 80 Plexiglas Makrolon 80 60 80 100 1 5.05 4,5 4.04 3.5 3,5 3.03 2.5 2,5 100 100 60 80 100 1 Abb. 4: Temperaturabhängigkeit HM und E IT Plexiglas und Makrolon 1 Messergebnisse Lack Die zweite Materialgruppe -Lacke- spielt in der Automobil- und Bauindustrie eine wichtige Rolle. Lacke sind dort großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die Materialunterschiede zwischen einem Deck- und einem Klarlack sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Temperatur variiert hier zwischen 30 C und 180 C. Martenshärte HM / N / mm 2 Eindringmodul E IT / GPa Kriechen bei F max C IT / % 50 30 10 Klarlack Decklack 0 60 80 100 1 1 160 180 1.5 1,5 1.01 0.5 0,5 15 10 5 0 60 60 60 1 1 1 160 0.00 60 80 100 1 1 160 180 160 60 80 100 1 1 160 180 180 180 Abb. 5: Temperaturabhängigkeit HM, E IT und C IT Klarlack und Decklack Temperatureinfluss auf die Messung Durch den Einsatz eines schlecht wärmeleitenden Keramikmaterials mit geringer Temperaturausdehnung für die Halterung des Eindringkörpers und des Aufsetzringes und von einem Hitzeschutzschild zwischen SHS0 und dem Messsystem ist es gelungen den Temperatureinfluss auf die Messung so gering wie möglich zu halten (Abb. 6). Die Messungen an BK7 (Glas) weisen einen sehr geringen Temperatureinfluss auf. 14 Vergleich Plexiglas und BK7 Plexiglas 6 2 BK7 100 0 300 0 500 Kraft / mn Abb. 6: Kraft / Eindringtiefe Plexiglas 30 C 100 C BK7 30 C 160 C jeweils in 10 Grad Schritten Dipl.-Phys. Gottfried Bosch
DAS FISCHERSCOPE Wissenswertes aus dem Hause Helmut Fischer Seite 7, Nr. 2/13 Genauer hingeschaut Messung der Dicke von Kupferschichten in Durchkontaktierungsbohrungen 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. Mit den Messsonden ESL080B und ESL080V ist es möglich, diese Schichten zerstörungsfrei und präzise zu messen. Die Bestimmung der Kupferdicke in Durchkontaktierungsbohrungen erfolgt mittels der phasensensitiven Wirbelstrommethode nach DIN EN ISO 21968. Dabei wird eine nadelförmige Sondenspitze mit einer integrierten, sehr kleinen Wirbelstromspule in die Bohrung der Leiterplatte eingeführt und sanft an die Bohrungswand gedrückt. Das in der Sonde erzeugte primäre hochfrequente Magnetfeld induziert in der Kupferhülse Wirbelströme, deren Magnetfeld das primäre Magnetfeld schwächt und zu einer Änderung des Spulenwiderstands bzw. Messsignals führt. Dass die induzierten Wirbelströme im Wesentlichen nur in Längsrichtung zur Bohrungsachse der Kupferhülse fließen (Bild 1), wird durch eine spezielle, patentierte, Sondenausführung erreicht. Die besondere Ausrichtung der Wirbelströme bietet den Vorteil, dass die Kupferzwischenlagen in der Leiterplatte keinen merklichen Einfluss auf die Messung der Kupferdicke in der Bohrung haben. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der phasen- Abb. 1: Messsonde ESL080B mit nadelförmiger Sondenspitze mit integrierter Wirbelstromspule zur Messung der Kupferschichtdicke in Leiterplattendurchkontaktierungen µm sensitiven Wirbelstrommethode ist, dass für Durchmesser im Bereich 0,8 mm bis 2 mm die gleiche Kalibrierung verwendet werden kann, da das Messsignal in diesem Bereich unabhängig vom Bohrungsdurchmesser ist. Die elektrische Leitfähigkeit des Schichtmaterials beeinflusst die Ausbildung und Stärke der Wirbelströme. Die elektrische Leitfähigkeit des galvanisch abgeschiedenen Kupfers hängt stark von der Badzusammensetzung ab. Die Messsonden des Typs ESL080 werden auf speziellen Normierund Kalibrierplatten kalibriert. Die dort verwendete Kupferqualität entspricht der aus einem modernen Galvanisierbad und eignet sich für den üblichen praktischen Einsatzbereich. Abweichende elektrische Leitfähigkeiten können durch einen Korrekturfaktor oder, z.b. bei stromlos abgeschiedenem Kupfer, durch eine Korrekturkalibrierung auf kundeneigenen, selbst erstellten Kalibrierstandards berücksichtigt werden. Auch unter dünnen Sn-Schichten (< 10 µm) sind zuverlässige Messungen möglich. Abb. 2: Messsonde ESL080V mit verschiedenen Distanzringen zur Anpassung an verschiedene Leiterplattendicken im Bereich 0,5 8 mm (im Bild Distanzring 4,8 mm dick) Durchkontaktierung Nr. 1 2 3 4 5 Mittelwert: (n=5) 30,9 30,7 30,6 30,7 30,8 Standardabweichung 0,11 0,19 0,25 0,09 0,32 Tabelle 1: Messung der Kupferdicke in 5 Durchkontaktierungen einer Leiterplatte mit der Messsonde ESL080B. Die dünne (< 10 µm) Zinnschicht bewirkt eine scheinbare, aber vernachlässigbare Erhöhung der Kupferschichtdicke In Tabelle 1 sind Messwerte von verzinnten Kupferschichten in Durchkontaktierungen einer Leiterplatte dargestellt. Laut Herstellerangaben soll die Kupferdicke 30 µm betragen. Aufgrund der gegenüber Kupfer wesentlich geringeren elektrischen Leitfähigkeit bewirkt eine dünne Zinnschicht in der Bohrung eine scheinbare, aber vernachlässigbare Erhöhung der Kupferschichtdicke. Die Temperatur des Kupfers bei der Messung stellt einen weiteren Einfluss auf den elektrischen Leitfähigkeitswert und damit auch auf den Messwert dar. Je höher die Temperatur des Kupfers, desto niedriger die elektrische Leitfähigkeit bzw. der Messwert. Unterschiedliche Temperaturen zwischen Normierung bzw. Korrekturkalibrierung und Messung können durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt werden. Selbst für die sehr geringen Bohrungsdurchmesser von 0,8 mm sind unterschiedliche Längen der nadelförmigen Sondenspitze verfügbar, entsprechend optimiert für verschiedene Dicken von Leiterplatten. So wird die Messsonde ESL080B (Abb. 1) für Leiterplattendicken ab 0,5 bis 1,6 mm eingesetzt. Für
DAS FISCHERSCOPE Wissenswertes aus dem Hause Helmut Fischer Seite 8, Nr. 2/13 den Dickenbereich 0,5 8 mm steht die Messsonde ESL080V (Abb. 2) zur Verfügung. Durch Distanzringe, die auf den Sondenfuß gesteckt werden, kann das Messelement der Sonde immer in der Mitte der Bohrungslängsachse (Hülsenmitte) positioniert werden. Damit ist es möglich, im Bereich der Hülsenmitte zu messen, wo sich aufgrund des Galvanisierprozesses die dünnste und damit kritischste Stelle befindet. (Abb. 3) Mit den Messsonden ESL080B und ESL080V können Kupferschichten in Durchkontaktierungen von Multilayer- Leiterplatten im Bereich von 5 100 µm zerstörungsfrei und präzise gemessen werden. Die Kosten und der hohe zeitliche Aufwand für zerstörende Schliffmessungen lassen sich dadurch erheblich reduzieren. galv. Aufkupferung Laminatkupfer Epoxy- Basismaterial Distanzring Messelement Abb 3: Einsatz der Messsonde ESL080V, mit Distanzring. Messelement wird dabei im Bereich der Cu-Hülsenmitte positioniert Beide Sonden können sowohl mit dem mobilen Handmessgerät PHASCOPE PMP10 (Abb. 4) als auch mit dem komfortablen und vielseitigen Tischgerät FISCHERSCOPE MMS PC2 (Abb. 5) von FISCHER betrieben werden. Abb. 4: Mobiles Handgerät PHASCOPE PMP10 Abb. 5: Tischgerät FISCHERSCOPE MMS PC 2 Dipl.-Ing. Stefan Haverich Nachlese EUROMAT 13 Konferenz in Sevilla, Spanien am 8. 13.9.13 Die Euromat 13 wird seit 1989 unter der Leitung der Federation of European Materials Societies (FEMS) veranstaltet. Die Konferenz vereinigte 53 Symposien in sich, die in 6 Gebiete aufgeteilt waren: es ging sowohl um die klassische Materialkunde und technologie (MST), als auch um Strategien und Technologietransfer. Es waren ca. 2500 Wissenschaftler als Teilnehmer zugegen. Dr. Bernd Binder von der Helmut Fischer GmbH, Deutschland hielt einen Vortrag im Bereich Nanoindentation: Temperaturabhängige Analysen von technischen Polymeren unter Verwendung der Instrumentierten Eindringprüfung. Ferner gab es eine Industrie-Ausstellung mit 25 Ausstellern. Fischer wurde dort repräsentiert durch Fischer Instruments, S. A., Spanien. M E S S E H I N W E I S E S E M I N A R E I M P R E S S U M Messen 13/ 14 Productronica, München 12. 15. November 13 World Money Fair, Berlin 07. 09. Februar 14 Inhorgenta, München 14. 17. Februar 14 Analytica, München 01. 04. April 14 Paint Expo, Karlsruhe 08. 11. April 14 CONTROL, Stuttgart 06. 09. Mai 14 O&S, Stuttgart 24. 26. Juni 14 Seminare 14 Mit der Röntgenfluoreszenzmethode: 19.03. und.03.14, Iserlohn Mit klassischen Messverfahren: 19.02. und.02.14, Iserlohn 26.03. und 27.03.14, Aalen Themen-Seminare: 05.02. und 06.02.14, PCB-Seminar, Herrenberg Weitere Termine sind in Planung. Herausgeber HELMUT FISCHER GMBH INSTITUT FÜR ELEKTRONIK UND MESSTECHNIK Industriestraße 21 71069 Sindelfingen Telefon: 0 70 31 / 3 03-0 Telefax: 0 70 31 / 3 03-710 kunde@helmut-fischer.de www.helmut-fischer.de Redaktion Tullia Staib, M.Sc. tullia.staib@helmut-fischer.de 991-052 02/13