Qualitätskontrolle von Lötstellen Röntgensystem prüft Leistungshalbleiter in der Fertigungslinie - Quality Engineering

Qualitätskontrolle von Lötstellen

Röntgensystem prüft Leistungshalbleiter in der Fertigungslinie

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Bei Ixys erfolgt das Röntgen in zwei Stufen des Fertigungsprozesses Bild: Nikon Metrology
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Zur Qualitätskontrolle während der Produktion nutzt Leistungshalbleiterhersteller Ixys ein Röntgensystem von Nikon Metrology. Das Gerät prüft die Lötstellen, die im Aufschmelzlötverfahren (Reflow-Löten) entstehen. Lunker lassen sich automatisch erkennen.

Leistungshalbleiter sind für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt und finden weithin Verwendung im Schienensektor, Windturbinenbau, Bergbau und in der Petrochemie-Industrie. Press-Pack-Kapseln werden unter hohem Druck zusammengefügt, um die erforderliche elektrische Leistung zu erreichen. Isolierte Leistungsmodule hingegen verwenden einen integrierten Schaltkreis, der auf der DCB-Substrattechnologie (Direct Copper Bonded) basiert.

Das Nikon Metrology XT V 160 Röntgensystem wird benötigt, weil die aufgeschmolzene Lötpaste, durch die die Bauelemente an ihren Kontaktstellen befestigt werden, fortlaufend mit einem kontrollierten Lunkerniveau aufgetragen werden muss, und die Röntgentechnik der einzige Weg ist, um zu prüfen, ob diese Bedingungen erfüllt wurden.

„Was mir besonders am Nikon-System gefällt, ist die einfache Zugänglichkeit des großen Objekttisches, auf dem ich verschiedene, ziemlich große Komponenten gleichzeitig anordnen kann“, sagt Fiona Lambert, Prozesstechnikerin bei Ixys UK Westcode. „Die Maschine arbeitet schnell und der Objekttisch lässt sich mühelos in mehreren Achsen steuern. Das Bild kann daher schnell am Bildschirm geneigt, gedreht, positioniert und gezoomt werden.“

Aufgrund der hochauflösenden Bilddarstellung sei jedes Detail klar erkennbar. Die Software sei außerdem bedienerfreundlich. „Sie ermittelt den Prozentsatz von Lunkern im Lötmaterial sogar automatisch – eine wichtige Funktion um sicherzustellen, dass das Produkt die strengen Vorgaben erfüllt“, so Lambert.

Röntgenprüfung in zwei Schritten

Das Röntgen erfolgt in zwei Stufen des Fertigungsprozesses. Das erste Mal, nachdem die Bauteile auf dem leeren DCB-Substrat angeordnet und reflow-gelötet werden. Nachdem sechs bestückte Substrate elektrisch geprüft und auf eine 5 mm dicke Grundplatte aus Aluminium- Siliziumcarbid aufgelötet wurden, wird die gesamte Baugruppe noch einmal geröntgt.

Das XT V 160 prüft die Zuverlässigkeit der Baugruppe. Diese Prüfung ist selbst ohne die optionale Nikon-Metrology-Software für Röntgenschichtbilder oder das CT-Add-on möglich. Hilfreiche Merkmale des Systems für die effiziente Ausführung dieser Aufgabe sind unter anderem ein Target mit 20 W Anschlussleistung, eine Brennfleckgröße, die je nach Leistungsabgabe zwischen 1 μm und 10 μm beträgt, eine bis zu 36.000-fache Systemvergrößerung und die hohe Bildqualität, die der Varex 16-Bit-Flachdetektor bietet. Aufgrund dieser sehr feinen Auflösung fällt es leicht, den Unterschied zwischen geometrischen Formen und amorphen Lunkern zu erkennen.

Auch zugekaufte Produkte werden inspiziert

Obwohl das Röntgensystem eigens für die DCB-Prüfung installiert wurde, hat der Standort Chippenham insgesamt von diesem System profitiert, da zugekaufte Produkte ebenfalls damit inspiziert werden können. In einem Fall hatte ein Zulieferer bestritten, dass eine Charge von ihm gelieferter Kühler, die Bestandteil von Press-Pack IGBT Stacks waren, einen hohen Anteil an Lötfehlern enthielt. Eine einfache Analyse mit dem Röntgensystem erbrachte den unstrittigen Nachweis und führte zum unverzüglichen Ersatz dieser Charge.

Ein weiterer Vorteil der Röntgentechnik von Nikon Metrology ist die stabile Leistungsabgabe, die dem fokussierten Messfeld der Mikrofokus-Röntgenröhre und modernsten Bildverarbeitungsfunktionen zu verdanken ist. Diese Eigenschaften wirken einer Verschlechterung der Bildqualität entgegen. Das PC-gesteuerte elektromagnetische Objektiv sorgt für eine dauerhafte Fokussierung des Elektronenstrahls und vermeidet die Überhitzung des Targets. Dabei bleibt die Brennfleckgröße selbst bei hohen Stromstärken im Mikrometerbereich.

Trotz der hohen Leistungsfähigkeit ist das XT V 160 mit einer offenen Röntgenröhre ausgestattet. Zusammen mit regelmäßigen Wartungsintervallen kann der kostengünstige, mehrmalige Austausch des Elektronenstrahl erzeugenden Filaments im Jahresverlauf eingeplant werden. Der Filament-Wechsel dauert nur wenige Minuten, die Ausfallzeit ist daher kurz.

Eine geschlossene Röntgenröhre dagegen dürfte zwar eine Lebensdauer von mehreren Jahren haben, könnte den Betrieb aber ohne Vorwarnung einstellen – möglicherweise zu einem Zeitpunkt, der dem Anwender nicht gerade gelegen kommt. Der Hersteller ist dann mit dem Austausch der Röhre zu beauftragen. Dieser würde mehrere 1000 Euro kosten und die Maschine würde eventuell für mehrere Tage ausfallen. ■


Der Autor

Kamran Iqbal

Produktmanager

Röntgensysteme

Nikon Metrology

www.nikonmetrology.com

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