Bauelemente

Mit Messinstrumenten von Fischer können Sie elektronische Bauelemente zuverlässig kontrollieren. Hier finden Sie die richtige Messtechnik, um beispielsweise Materialeigenschaften und Schichtdicken bleifreier Lote beim Reflow-Löten und die Zusammensetzung von Legierungen auf SMD-Bauteilen verlässlich zu bestimmen.

Kleinste elektronische Bauteile kontrollieren

Application Notes

Materialanalyse von Solder-Bumps in der IC-Packaging-Industrie

Die steigenden Beschränkungen für den Einsatz von Blei in Elektronik-Produkten zwingen zur Suche nach geeignetem Ersatz. Für Kontaktierungen in modernen IC-Gehäusen werden die ehemals allgegenwärtigen, qualitativ hochwertigen aber leider schädlichen SnPb-Lote (solder bumps) heute durch bleifreie Technologien wie SnAgCu-Legierungen ersetzt. Um eine gute Lötbarkeit und geeignete mechanische Eigenschaften sicherzustellen, benötigen die neuen Legierungen eine exakt dosierte Zusammensetzung, weshalb diese präzise gemessen werden muss. 

Die Ag- und Cu-Anteile üben einen bedeutenden Einfluss auf die Lötbarkeit und die mechanischen Eigenschaften von Sn-basierten Loten aus. Zum Beispiel verhalten sich Lotkugeln (engl. solder bumps) mit einem Ag-Gehalt über 3% stabiler gegenüber thermischer Ermüdung und sind widerstandsfähiger gegen Scherkräfte, während Legierungen mit niedrigerem Ag-Gehalt (ca. 1%) eine sehr gute Plastizität zeigen – und damit bessere Dauerfestigkeit unter Zugbeanspruchung. Zudem senken schon 0,5% Cu im Lot die Lösung von Kupfer aus dem Grundmaterial, was eine Verbesserung der Lötfähigkeit zur Folge hat.

Um die schwierige Kombination aus rechtlichen Bestim­mungen (Bleifreiheit) und technischen Ansprüchen bei der Produktion von IC-Bauelementen zu erfüllen, ist die Zusammensetzung von Solder-Bumps akkurat und präzise zu bestimmen.

Die kleine Größe der Lotkugeln (typischerweise 80 µm Durchmesser) verhindert den Einsatz der meisten Analysemethoden. Andere, wie die Atomabsorption (AA) sind zerstörend und damit nicht geeignet, jeden einzelnen Lotpunkt zu testen. Die Röntgenfluoreszenz-Methode (RFA) hat sich als ideales Verfahren zur Überwachung der Konzentration aller drei Elemente erwiesen. Tabelle 1 zeigt typische Messergebnisse für ein SnAgCu-Lot.

Element

Sn

Ag

Cu

Mittelwert [%]

98,55

0,99

0,46

Standardabweichung [%]

0,04

0,03

0,01

Tab. 1: Typische Werte einer Messung mit dem FISCHERSCOPE® X-RAY XDV®-μ, 10 à 30 s

Das FISCHERSCOPE® X-RAY XDV®-μ, ausgerüstet mit einem Silizium-Drift-Detektor (SDD), kann dank seiner Polykapillar-Optik den Röntgenstrahl auf 20 µm Messfleck-Größe fokussieren bei gleichzeitig hoher Zählrate und damit eine herausragende Wiederholpräzision und Richtigkeit sicherstellen.

Wenn man die Zusammensetzung von Solder-Bumps akkurat bestimmen möchte – nicht nur um die Bleifreiheit zu bestätigen – ist das FISCHERSCOPE® X-RAY XDV-µ®, mit seinem extrem keinen Messfleck das ideale Gerät. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Fischer–Ansprechpartner.

Kontrolle der Lötqualität durch Messung der Restzinn-Schichtdicke auf Leiterplatten

Aufgrund des Verbotes von Blei und anderen Schwermetallen durch die EU-Richtlinien EU2002/95/EC und EU2002/96/EC müssen auf Leiterplatten lötbare, jedoch bleifreie Schichtsysteme eingesetzt werden. Bleifreies, chemisch abgeschiedenes Zinn birgt die Gefahr, dass durch Diffusionsprozesse die Restdicke der nutzbaren Reinzinnschicht so gering wird, dass die Qualität von Lötprozessen und Lötverbindungen beeinträchtigt werden kann. Deshalb muss die Restzinn-Schichtdicke vor dem Lötvorgang überprüft werden.

Sofort nach dem Abscheiden der Zinnschicht setzt die Diffusion des Kupfers in die Zinnschicht ein. Es bilden sich Zonen aus intermetallischen Verbindungen, die auf Kosten der restlichen Zinnmenge in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit wachsen. Durch den „Verbrauch“ an Zinn reduziert sich die Reinzinndicke so stark, dass nicht mehr genügend Zinn für einwandfreie Lötverbindungen zur Verfügung steht. Dabei wird der Schwund an Reinzinn durch die Wärmeeinbringung der Lötprozesse zusätzlich verstärkt. Für einwandfreie Lötungen werden mindestens 0,3 μm Reinzinn vor dem letzten Lötvorgang benötigt. Die anfängliche Schichtdicke von frisch chemisch abgeschiedenem Zinn beträgt typischerweise 1-1,4 µm.

Abb. 1: COULOSCOPE® CMS2

Mit dem coulometrischen Verfahren (DIN EN ISO 2177) kann die tatsächlich vorhandene Reinzinn-Schichtdicke zur Sicherstellung der Lötbarkeit präzise gemessen.

Um das Problem der Diffusion messtechnisch zu veranschaulichen, wurden Leiterplatten, die mit ca. 0,5 μm und 1 μm chemisch Zinn auf Kupfer beschichtet waren, getempert und nach jeder Wärmebehandlung mit dem COULOSCOPE® CMS gemessen. Die Kupferschichtdicke unter der Zinnschicht hatte keinen Einfluss auf die Dicke der Restzinnschicht.

Ausgangs- Sn-Schicht

 

Temperzeit [h]

0

2

4

6

ca. 0,5 µm

Mittelwert

0,52

0,12

0,04

(*)

Standard-
abweichung

0,004

0,004

0,003

(*)

ca. 1,0 µm

Mittelwert

1,01

0,60

0,50

0,43

Standard-
abweichung

0,01

0,01

0,01

0,01

Tab.1: Mittelwert aus 9 (0 h Temperzeit) bzw. 3 Messreihen (2, 4, 6 h Temperzeit) in µm; (*) nicht messbar, da Restzinnschicht zu dünn

Abb. 2: Sprung des Ablösepotenzials zwischen Reinzinnschicht und SnCu-Diffusionsschicht

Bei der coulometrischen Messung ist die Abnahme der Reinzinn-Schichtdicke klar zu sehen. Die Messreihen der Proben mit 0,5 μm Anfangsschichtdicke zeigen eindeutig, dass schon nach 2 Stunden Tempern zu wenig Restzinn für eine gute Lötqualität verbleibt.

Zur Überprüfung der Lötbarkeit von Zinnschichten auf Leiterplatten kann die Restzinn-Schichtdicke ohne Beeinflussung durch die SnCu-Legierungsschicht mit dem COULOSCOPE® CMS gemessen werden. Für mehr Informationen steht Ihnen Ihr Fischer-Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

Mechanische Kenngrößen dünner CuSn6-Folien

Bronzebänder werden für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen eingesetzt, von Steckverbindern über elektrische Kontaktelemente und Membranen bis hin zu Federelementen und Schaltern. Die verarbeitende Industrie fordert CuSn6-Folien mit immer spezifischeren Leistungsmerkmalen wie z. B. auch einer deutlich höheren mechanischen Belastbarkeit. Um eine gleichbleibende Qualität dieser Folien gewährleisten zu können, müssen auch die mechanischen Eigenschaften bestimmt werden.

Die mechanischen Kenngrößen dünner Metallfolien können mit der instrumentierten Eindringprüfung (DIN ISO 14577) bestimmt werden. Dazu werden die Folien auf einem glatten, stabilen Untergrund fixiert. Liegt die Folie uneben auf oder führt unsauberes Aufkleben zu Lufteinschlüssen, biegt sich die Probe während der Messung durch. Dabei wird die Eindringtiefenmessung verfälscht, indem sich ein zusätzlicher, elastischer, aber unterschiedlich großer Anteil addiert.

Mit der speziellen Folienspannvorrichtung von Fischer lassen sich dünne Metallfolien bis etwa 200 μm Dicke einfach über einen Zylinder spannen, wodurch ein fehlerhaftes Fixieren verhindert wird.

Abb. 1: Folienspannvorrichtung zur Fixierung dünner Kunststoff- und Metallfolien

An drei unterschiedlich harten Bronzebändern (CuSn6) wurden mit Hilfe dieser Folienspannvorrichtung Messungen durchgeführt. Die Foliendicke lag zwischen 75 und 170 μm. Tabelle 1 zeigt die gemessenen Kenngrößen der Bänder.

 

 

HM

(Martens-Härte)

N/mm2

HIT

(Eindring-härte)

N/mm2

HV

(Vickers-Härte, berechnet aus HIT)

EIT/(1-vs2)

(elast. Eindringmodul)

GPa

ηIT

(elast. Verformungsanteil)

%

Band 1

X.

1006

1179

111

97

9

s

19,9

27,6

2,6

10,7

1,0

V%

1.9

2,3

2,3

11,0

11,2

Band 2

X.

1116

1311

124

105

9

s

16,8

24,5

2,3

4,0

0,5

V%

1,5

1,9

1,9

3,8

5,4

Band 3

X.

1573

1916

181

108

12

s

71,8

88,5

8,4

8,0

0,8

V%

4,6

4,6

4,6

7,4

6,6

Tab. 1: Beispielhafte Messergebnisse von mechanischen Kenngrößen dreier CuSn6–Bänder, angegeben sind für jeden Parameter der Mittelwert plus Standardabweichung und Variationskoeffizient

Mechanische Eigenschaften dünner Metallfolien lassen sich sehr präzise und aussagekräftig mit der instrumentierten Eindringprüfung bestimmen. Dazu bietet Fischer das Messsystem FISCHERSCOPE® HM2000 und eine Folienspannvorrichtung zur optimalen Probenpräparation. Für weitere Informationen steht Ihnen Ihr Ansprechpartner von Fischer gerne zur Verfügung.

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