Optische Prüfverfahren Plasmasignal stoppt den Laser am Kupfer-Pad

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Forscher des Fraunhofer IPM stellen drei optische Verfahren für die Inline-Prüfung vor: die digitale Holografie für bewegte Wafer, die Fluoreszenzbildgebung für verschmutzte Kontakte und die Plasmaspektroskopie zur Regelung beim Laserbohren von Microvias.

Ob eine elektronische Baugruppe zuverlässig arbeitet, hängt auch von Fehlern ab, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. Dazu gehören Abweichungen von wenigen Mikrometern, die bei Wafern und Interposern auftreten können. Ebenso können dünne organische Rückstände auf Kontaktflächen auftreten oder Microvias können zu tief oder nicht tief genug gebohrt sein. Die Experten des Fraunhofer IPM in Freiburg haben drei optische Systeme entwickelt, die diese Fehler direkt in der Fertigungslinie erkennen sollen.

Holografie während der Bewegung

Das HoloTop Motion ist ein Testverfahren, das nach dem Prinzip der digitalen Mehrwellenlängen-Holografie arbeitet. Dabei werden Interferenzbilder verrechnet, die mit mehreren Laserwellenlängen aufgenommen wurden. So lassen sich Höhenunterschiede eindeutig bestimmen, die größer sind als eine einzelne Wellenlänge. Laut Fraunhofer IPM ist neu, dass das Prüfteil nicht mehr angehalten werden muss. Der Sensor erfasst jeweils einen schmalen Streifen der Oberfläche. Die Software setzt diese Streifen zu einer durchgehenden Topografie zusammen. Dabei darf der Vorschub bis zu 1 m/s betragen.

Das Institut gibt eine laterale Auflösung von unter 2 µm an, abhängig vom Objektiv. Die axiale Wiederholbarkeit soll unter 1 µm liegen. Als Prüflinge nennt es Wafer, Interposer und Ball-Grid-Arrays. Messfeld, Laserwellenlängen und Objektiv werden an die jeweilige Aufgabe angepasst. Es gibt also kein Standardgerät mit festem Datenblatt. Von Seiten des Fraunhofer IPM bezeichnet man HoloTop Motion als eine Weltneuheit.

Rückstände durch UV-Fluoreszenz sichtbar machen

Viele organische Verunreinigungen leuchten, wenn man sie mit UV-Licht anregt. Dazu gehören beispielsweise Öle, Fette, Reste von Reinigungsmitteln und Flussmittel. Die F-Camera nutzt genau diesen Effekt, um Rückstände auf Kontakten berührungslos zu erkennen und flächig zu kartieren, einschließlich Lage, Form und Ausdehnung. Ergänzend nimmt sie Hell- oder Dunkelfeldbilder auf, um auch Oberflächendefekte zu finden. Fraunhofer IPM gibt eine Nachweisgrenze von wenigen Milligramm pro Quadratmeter an. Die laterale Auflösung liegt je nach Konfiguration zwischen etwa 2,5 und 10 µm. Für die kompakte Variante F-Camera mini nennt das Institut Filmdicken bis hinunter zu etwa 10 nm und Ergebnisse innerhalb einer Sekunde.

Das Verfahren hat eine eingebaute Grenze: Es sieht nur, was fluoresziert. Für nicht fluoreszierende Verunreinigungen, etwa viele anorganische Rückstände oder ionische Kontaminationen, braucht man weiterhin andere Prüfverfahren. [Bitte bei Fraunhofer IPM bestätigen lassen]

Bohren, bis das Kupfer leuchtet

Microvias in Leiterplatten mit einer hohen Verdrahtungsdichte (HDI) lassen sich mit gepulsten Lasern bohren. Dabei trägt der Laser das Dielektrikum vollständig ab, ohne das darunterliegende Kupfer-Pad zu beschädigen. Meist arbeitet man mit einer fest eingestellten Pulszahl und einem Sicherheitszuschlag. Mit dem vom Fraunhofer entwickelten Verfahren RAPID-LIBS geht man einen anderen Weg und nutzt die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS). Jeder Puls erzeugt ein kleines Plasma, dessen Emission charakteristisch für das abgetragene Material ist. Erreicht der Laser das Kupfer, verändert sich das entsprechende Spektrum. Daraufhin meldet das System das an die Lasersteuerung, die den Bohrvorgang stoppt.

Nach Angaben des Instituts dauert die Auswertung weniger als 1 µs. Die Pulsfrequenz kann bis zu 1 MHz betragen. Laut Fraunhofer IPM lässt sich so das Überbohren verringern, und die Sicherheitszuschläge können kleiner ausfallen. Zudem wird die Prozessqualität für jede einzelne Bohrung dokumentiert. (heh)

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