Qualitätssicherung
Qualitätssicherung Röntgen-Fluoreszenz-Analyse als effiziente Inspektionsmethode für Elektronikprodukte Bild 1: Übersicht des elektromagnetischen Strahlungsspektrums (Quelle: www.wikipedia.de, © Horst Frank/Phrood/Anony) Autor:: Dipl.-Ing. Dr. rer. nat. Massimo Morresi HTV Halbleiter-Test & Vertriebs-GmbH HTV-Institut für Materialanalyse Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung im Jahre 1895 durch Wilhelm Conrad Röntgen erweiterte die moderne Wissenschaft ihren Kenntnisstand über das elektromagnetische Strahlungsspektrum im kurzwelligen Bereich. Bild 1 stellt die Einordnung der Röntgenstrahlung in das elektromagnetische Strahlungsspektrum dar. Sie verdeutlicht, dass die Wellenlängen der Röntgenstrahlen drei bis sechs Größenordnungen kleiner als die des sichtbaren Lichts sind. Darauf basierend entwickelten sich zahlreiche neue Messverfahren, die die Bandbreite an Analysemöglichkeiten signifikant erhöhten. Hierzu gehört beispielsweise die Röntgen-Diffraktometrie (X-Ray Diffraction, XRD), eine Methode, bei der Röntgenstrahlen am Kristallgitter der Proben gebeugt werden, um beispielsweise Informationen über die kristallographischen Eigenschaften von Festkörpern zu erhalten. Die Möglichkeit einer entsprechenden Charakterisierung ist aufgrund von kleinen Wellenlängen im Bereich von ca. 0,01 bis 10 nm gegeben, da diese den Größenordnungen der Gitterkonstanten/ Abständen von Atomen entsprechen. Mithilfe der sogenannten Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) können aufgrund der aus den kernnahen Bindungszuständen eines Atoms erzeugten Photoelektronen Aussagen über die elementare Zusammensetzung eines Materials sowie über Bild 2: Probeninspektion mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse die chemischen Bindungsverhältnisse gemacht werden. Die Röntgen-Mikroskopie (X-Ray Microscopy, XRM) ermöglicht die Aufnahme von ultrahochauflösenden Bildern, die sich im Vergleich zur konventionellen Lichtmikroskopie u.a. durch einen zusätzlichen Materialkontrast sowie ein größeres Auflösungsvermögen auszeichnen. Viele der oben genannten Analysemethoden haben den Nachteil, dass gewisse Anforderungen sowohl an die Beschaffenheit/ Eigenschaften der Proben (beispielsweise glatte, ebene Oberfläche) als auch die Messumgebung (Ultrahochvakuum etc.) gestellt werden. Zudem ist der Probendurchsatz aufgrund der meistens komplexen Hand habung sowie den langen Messzeiten oft limitiert, sodass eine Anwendung im Dienstleistungssegment oder im industriellen Maßstab nicht oder nur eingeschränkt möglich ist. Die Röntgen-Fluoreszenz-Analyse (RFA, engl. XRF) dagegen zeichnet sich durch einfache Bedienbarkeit aus, sodass häufig ohne aufwändige Probenpräparation und mit einer hohen Wiederholpräzision die qualitative sowie quantitative Elementanalyse einer Probe möglich ist. Zudem können die Schichtdicken von dünnen Lagen innerhalb von Mehrschichtsystemen bis in den Nanometerbereich zuverlässig bestimmt werden, weswegen die RFA in zahlreichen Applikationen sowohl im Forschungsbe- 14 3/2017
Qualitätssicherung Parameter Au/NiP10/Cu Element Gold (Au) Nickel-Phosphor (NiP) Referenzwert 0,1 µm 4,4 µm gemessener Durchschnittswert 0,094 µm 4,8 µm Standardabweichung 0,002 µm 0,076 µm Anzahl Messdurchläufe 15 15 Messdauer pro Durchlauf 30 s 30 s Tabelle 1: Resultate zur Schichtdickenmessung an Kalibrierstandard Bild 3: Schematische Darstellung zur Entstehung der Röntgenfluoreszenzstrahlung. Ein Röntgenquant der anregenden Röntgenstrahlen (rot) entfernt ein Elektron aus der inneren K-Schale. Der entstandene unbesetzte Zustand (Lücke) wird von einem Elektron aus einer energetisch höher gelegenen Schale aufgefüllt. Die Energie der emittierten Fluoreszenzstrahlung hängt nur von den am Elektronenübergang beteiligten Energieniveaus ab (charakteristische Röntgenstrahlung, hier K alpha oder K beta ) 3/2017 Bild 4: Röntgen-Emissionsspektrum zur Elementanalyse von Steckkontakten einer PC-Karte reich als auch in der Industrie eingesetzt wird. So finden sich z.B. in der Photovoltaik-, der Schmucksowie der Spielzeugindustrie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten zur Qualitätskontrolle. Im medizinischen Forschungsbereich sowie in Bezug auf biologische Materialien dient die RFA u.a. der Spurenanalyse. Als einer der führenden Anbieter von Dienstleistungen rund um elektronische Komponenten bietet die HTV GmbH die Röntgenfluoreszenz-Methode als eine von verschiedensten Analyseverfahren an (vgl. Bild 2). Beispiele möglicher Analysen: • Bestimmung der Zusammensetzung (u.a. „Bleifreiheit“) und Beschichtungsstärken auf Lötkontakten von Elektronikbauteilen, Leiterplatten aber auch mechanischen Komponenten oder Halbzeugen • Screening von Proben im Hinblick auf die gemäß der RoHS-Richtlinie 2011/65/EU restringierten Substanzen • Identifizierung bzw. Bestimmung der elementaren Zusammensetzung von anorganischen Materialien, wie zum Beispiel die Zusammensetzung von Legierungen • Lötzinnanalyse Theoretische Grundlagen zur RFA Trifft die in der Röntgenröhre des RFA-Gerätes erzeugte Röntgenstrahlung auf die zu untersuchende Probe, werden im Falle von geeigneten Anregungsenergien Elektronen aus den kernnahen Bindungsniveaus bestimmter Atomsorten herausgelöst („Ionisierung“ der inneren Schalen). Bild 3 zeigt die Wechselwirkung eines Röntgenquants mit einem Elektron aus der K-Schale. Die aufgrund der Entfernung des Elektrons entstandene Lücke wird von einem Elektron aus einem höher gelegenen Energieniveau aufgefüllt. Die beim Übergang des Elektrons frei werdende Energie wird als Energiequant der entsprechenden Fluoreszenzstrahlung emittiert. Die Energie der Fluoreszenzstrahlung hängt ausschließlich von der energetischen Differenz der am Übergang beteiligten elementspezifischen Schalen ab, weshalb diese als charakteristische Röntgenstrahlung bezeichnet wird, da jedes Element eindeutige Energie linien aufweist. Wird beispielsweise der unbesetzte Zustand in der K-Schale mit einem Elektron aus der L-Schale gefüllt, so liegt ein K alpha -Übergang vor. Im gemessenen Röntgen-Emissionsspektrum liegen die Übergänge als Signale vor, deren Intensitäten unter anderem von den Übergangswahrscheinlichkeiten der entsprechenden Elektronenübergänge abhängen. Die RFA in der Praxis Im Folgenden werden zwei RFA- Messbeispiele an Elektronikprodukten präsentiert und diskutiert. Hierbei handelt es sich zum einen um die Vermessung der Schichtdicken von Steckkontakten einer PC-Karte, deren Endoberfläche aus chemisch Nickel Gold besteht (Electroless Nickel Immersion Gold, ENIG). ENIG-Endoberflächen finden aufgrund ihrer guten Eigenschaften als lötfähige metallische Oberflächen eine breit gefächerte Anwendung in der Leiterplattenfertigung. Mithilfe der Röntgen-Fluoreszenz- Analyse können dank quantitativer Messungen beispielsweise genaue Aussagen zum Phosphorgehalt in der Nickel-Phosphor-Zwischenschicht (NiP) und damit zur Haftfähigkeit der Passivierungsschicht aus Gold (Au) auf NiP gemacht werden. Zudem eignet sich die Schichtdickenanalyse mittels RFA zur Verifizierung der empfohlenen Schichtdickenwerte der einzelnen metallischen Lagen einer zuverlässig weiterverarbeitbaren ENIG-Leiterplatte. Diesbezüglich werden bei der HTV z.B. auch Fehleranalysen im Hinblick auf Haftungsschwächen von elektronischen Bauteilen auf Leiterplatten durchgeführt. Bei der zweiten untersuchten Probe handelt es sich um einen in Durchsteckmontage-Technologie (Through Hole Technology, THT) ausgeführten koaxialen Steckverbinder, der als Schnittstelle für Hochfrequenzanwendungen auf Leiterplatten verarbeitet wird. Dabei basiert die durchgeführte Schichtdickenbestimmung auf der Fundamental-Parameter-Methode, die präzise Messergebnisse auch ohne eine vorhergehende Kalibrierung liefert. Zur Sicherstellung der Rückführbarkeit der Messergebnisse kann zusätzlich vor den Messungen der eigentlichen Proben eine Vergleichsmessung an einem Kalibrier standard erfolgen. Verschiedene Kollimatoren zur Fokussierung der generierten Röntgenstrahlung können dazu verwendet werden, eine Untersuchung von Messbe- 15
