Leiterplatten und elektronische Baugruppen können eine Vielzahl an Ausfallursachen zeigen. Die Qualität des Basismaterials, der assemblierten Bauteile und der Verbindungen zwischen beiden entscheidet über die Zuverlässigkeit der gesamten Baugruppe. Typische Ausfallgründe sind z.B. gebrochene Lötstellen, Probleme in den Metallisierungen, Durchkontaktierungen und Blind-Vias oder auch Korrosion. Diese müssen typischerweise durch die Präparation metallografischer Anschliffe und anschließender Licht- oder Rasterelektronenmikroskopie nachgewiesen werden. Zur Lokalisation der Schadstelle wird heutzutage normalerweise ein Röntgenmikroskop verwendet, mit dem man viele Defekte bereits erkennen kann. Zur genauen Beurteilung ist der metallografische Anschliff aber unerlässlich.

Zerstörungsfreie Messmethode

Eine Alternative zur zerstörenden Untersuchung mittels Metallografie stellt die Röntgen-Computertomografie dar. Diese Messmethode, die in vielen Röntgenmikroskopen nachrüstbar ist, generiert anstelle von typischen zweidimensionalen Röntgenbildern einen dreidimensionalen Datensatz der Probe, den man beliebig und sehr flexibel zum Informationsgewinn auswerten kann.

Die Erstellung des Datensatzes erfolgt mit Hilfe einer Rotationseinrichtung, an der die zu untersuchende Probe befestigt wird (siehe Abb. 1a). Die Probe wird dann schrittweise um 360° gedreht, wobei etwa 1000 bis 1500 zweidimensionale Röntgenbilder aufgenommen werden. Bei der Aufnahme muss beachtet werden, dass alle Bereiche des Untersuchungsmusters bei jedem Winkel durchstrahlbar sind. Dazu müssen geeignete Strahlparameter, bestehend aus Energie, Strahlstrom und Belichtungszeit gewählt werden. Um den Detektor bei hoher Strahlenergie nicht zu überlasten, werden Filterplättchen aus Kupfer oder Zinn verwendet, die die weiche Röntgenstrahlung aus dem abgegebenen Spektrum entfernen und das Energiehistogramm stauchen. Dadurch wird die gleichzeitige Abbildung von leichten, wenig absorbierenden Materialien und schweren, stark absorbierenden Materialien möglich. Dies ist insbesondere bei elektronischen Baugruppen nötig, bei denen generell leichte auf schwere Materialien treffen.

Auswertung am PC ermöglicht effizienten Analyseprozess

Die zweidimensionalen Projektionen aller Drehwinkel werden anschließend von einer leistungsstarken Workstation zu einem dreidimensionalen Modell zusammengesetzt. Ab diesem Moment findet die gesamte Auswertung am PC statt, das Untersuchungsmuster kann weitere Analyseschritte durchlaufen und das Röntgenmikroskop steht wieder zur Verfügung.

Abbildung 1 stellt die große Flexibilität einer CT-Analyse dar: Die Bilder zeigen die 3D-Rekonstruktion eines QFN auf einer Leiterplatte. Sobald der 3D-Datensatz generiert wurde (Abb. 1b), kann das Volumen in jeder Hinsicht inspiziert werden: Die Bondverbindungen im QFN kann man mithilfe eines virtuellen Flachschliffes kontrollieren, bei dem man die Schichtdicke, die die Bildinformation liefert, so einstellt, dass auch gekrümmte Drähte vollständig dargestellt werden (Abb. 1c). Durch das selektive Entfernen von Bauteilen oder Bereichen, das sogenannte Clipping, können innere Strukturen wie z.B. die Entwärmungszone oder die Durchkontaktierungen visualisiert und kontrolliert werden (Abb. 1d).

Röntgen-CT: eine Analyse, vielfältige Untersuchungsmöglichkeiten

Der 3D-Datensatz ermöglicht eine Vielzahl an weiteren Auswertungen: Besonders hervorzuheben sind virtuelle Quer- und Flachschliffe in beliebiger Anzahl und in jede mögliche Richtung. Bei hinreichender Auflösung der Messung, die hauptsächlich durch die Probengröße limitiert wird, können viele typische Fehlerbilder sichtbar gemacht werden, ohne einen metallografischen Schliff anfertigen zu müssen. Der Mehrwert einer CT-Messung ist deutlich: Mit einer einzigen Analyse können sämtliche Bauteile, Lötstellen, Metallisierungslagen, Durchkontaktierungen, Bonddrähte, Vergussmasse usw. im Untersuchungsvolumen analysiert werden. Man würde dutzende Schliffe benötigen, um eine ähnliche Informationsmenge mittels Metallographie zusammenzutragen.

Ein gutes Beispiel dafür ist in auch Abbildung 2 dargestellt: Eine Baugruppe mit einem 256-Ball BGA und zahlreichen Durchkontaktierungen kann mit einer einzigen CT-Messung sowohl auf Fehler am BGA als auch in der Leiterplatte untersucht werden. Mit virtuellen Quer- oder Flachschliffen lassen sich die Bonddrähte, die Balls und Durchkontaktierungen inspizieren und zumindest auf größere Defekte kontrollieren. 

Optimal bei vergossenen Baugruppen

Besonders interessant sind CT-Messungen bei vergossenen oder verkapselten Baugruppen, die sich nicht ohne weiteres freilegen oder öffnen lassen. Mittels CT lassen sich zum Beispiel gerissene oder korrodierte Lötstellen in vergossenen Sensoren detektieren und somit die Position einer folgenden Schliffbilduntersuchung besser festlegen. Bei solchen Baugruppen sind auch Untersuchungen an Lufteinschlüssen im Verguss durchführbar.

Wenn hohe Auflösung gefragt ist, muss die Baugruppe zuerst verkleinert werden. Danach sind Auflösungen von etwa 5 µm / Voxel möglich, womit sich auch kleinere Schäden an Durchkontaktierungen oder Lötstellen nachweisen ließen. Abbildung 3 zeigt eine hochaufgelöste CT-Messung an einer SMT-Induktivität. Die feinen Drähte lassen sich ohne Probleme voneinander trennen und auch die Lötstellen lassen sich sehr gut inspizieren.

Metallografie  weiterhin im Einsatz

Natürlich werden metallografische Anschliffe durch CT-Untersuchungen nicht obsolet: Die Auflösung eines Lichtmikroskopes und erst recht eines Elektronenmikroskopes ist immer noch wesentlich besser als von typischen Industrie-CTs erreicht werden kann. Bei sehr feinen Defekten oder nötigem direktem Zugriff auf die Fehlerstelle, zum Beispiel für eine EDX-Analyse, ist ein metallografischer Schliff immer noch die bessere Wahl.

Fazit

Röntgen-Computertomographie hat sich zu einer vielseitigen und leistungsstarken Analysemethode für elektronische Baugruppen entwickelt. Der enorme Informationsgewinn durch die dreidimensionalen Datensätze ermöglicht eine nie dagewesene Inspektionstiefe in kürzester Zeit. Aufgrund der Auflösungslimitierung können metallografische Untersuchungen noch nicht vollständig ersetzt werden, doch die Geräte werden ständig weiterentwickelt und könnten in der Zukunft noch flexibler eingesetzt werden.