Qualifizierung Vias und Buried Vias in Mehrlagenleiterplatten – Teil 3

Anbieter zum Thema

Hochschule Mannheim

Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie ISIT

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Fortschrittliche Prüfmethoden für Mehrlagenleiterplatten sind unerlässlich. Nicht zerstörende Untersuchungsmethoden bei Verfüllungen von Buried Vias und der Analyse von Expoxidharzstrukturen tragen zur Langlebigkeit der Komponenten der Leitplatte bei.

Elektronische Baugruppen bestehen aus Schaltungsträgern, elektronischen Bauteilen und eventuell noch mechanischen Komponenten. Als Schaltungsträger werden in sehr vielen Anwendungen Mehrlagenleiterplatten (kurz: Leiterplatte oder Platine) eingesetzt, die auch als Multilayerleiterplatten oder Multilayerplatinen bezeichnet werden. Die Komplexität elektronischer Baugruppen hat sich in den letzten 15 bis 20 Jahren deutlich verändert. Es ist nicht mehr so, dass die Elektronik und darauf installierte Software uns nur begleiten, sondern in speziellen Anwendungen treffen die Elektronik und die Software inzwischen Entscheidungen, die über unseren privaten und beruflichen Alltag entscheiden und somit auch in speziellen Fällen über unser Leben. Insofern sind die Anforderungen an solche elektronischen Systeme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Lebensdauer deutlich gestiegen.

Diese Anforderungen werden auf die Multilayerleiterplatten übertragen, weil sie die Basis der elektronischen Produkte sind und zum Beispiel auch bei Hochstromanwendungen in der Elektromobilität oder auch in der Medizintechnik eine zentrale Rolle spielen. In Multilayerplatinen werden verschiedene Durchkontaktierungen (Vias) eingesetzt: Zum Beispiel µ-Via, Blind-Via, Buried-Via oder gebohrte Durchkontaktierungen. Vias dienen zur elektrischen Verbindung der verschiedenen Lagen in Mehrlagenleiterplatten. Mit zunehmender Miniaturisierung der elektronischen Bauteile wirkt sich dies auch auf die Strukturen in den Leiterplatten aus, so bewegen sich die gültigen Designregeln hinsichtlich der Leiterplattentechnologie zunehmend in technologischen Grenzbereichen oder sogar über die bisher als gültig vereinbarten Grenzen hinaus.

Augfgrund des Umfangs wurde dieser Artikel in drei Teile aufgeteilt: Visuelle und optische Untersuchungsmethoden im Querschliff (Teil 1), Elektrische und thermische Untersuchungsmethoden (Teil2) und CT-Röntgenanalyse und Ultraschall-Prüfverfahren (Teil 3). Inhaltlich hängen diese 3 Teile zusammen und bauen aufeinander, so dass es für das Gesamtverständnis hilfreich ist, wenn die vorhergehenden Teile bekannt sind.

CT-Röntgenanalyse und Ultraschall-Prüfverfahren

Um die Verfüllung der Buried Vias mit Epoxidharz gezielt und flächendeckend über die gesamte Leiterplatte zu erfassen, hat die visuelle Untersuchung im Querschliff mehrere Nachteile. Es handelt sich um eine zerstörende Prüfung und es können nur statistisch zufällige Schnitte erfasst werden. Es ist zwar bei der Präparation der Querschliffe möglich, sich durch ein größeres Volumen Schicht für Schicht durchzuschleifen, aber dies ist sehr zeitaufwendig und es können trotzdem immer nur einige Teilbereiche dabei erfasst und betrachtet werden.

Alternativ können noch weitere nicht zerstörende Messmethoden ergänzend angewendet werden, die eine vollständige Analyse der Leiterplatte zu lassen. Dazu gehört zum Beispiel die CT-Röntgenanalyse. 2D- oder 3D-Röntgenanlysen, wie sie bei der Analyse von Lötstellen eingesetzt werden, erreichen bei metallischen Werkstoffen einen ausreichenden hohen Kontrast, aber bei Epoxidharzen reicht der Kontrast nicht aus, um Fehlstellen im Epoxidharz zu finden. Die CT-Röntgenanalyse ist eine der wenigen Röntgenanalysen, die hingegen auch bei Epoxidharzen einen höheren Kontrast erreichen.

Bei der CT-Röntgenanalyse wird elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge unterhalb der des sichtbaren Lichtes liegt, in einer Röntgenröhre mittels beschleunigter Elektronen an der Anode erzeugt. Dieser entstehende Elektronenstrahl wird über ein Hochspannungsfeld mittels elektromagnetischer Linsen fokussiert. Je nach Brennfleckgröße spricht man von Mikrofokus- und Nanofokuslinsen mit einer Auflösung im µm- bzw. einige 100 nm-Bereich.

Während 2D-Röntgensysteme Objekte in der Regel senkrecht oder unter einem schrägen Winkel betrachten, wird mit einem Computertomographen ein räumliches Bild erzeugt. Hierzu werden vom Prüfling während einer 360°-Rotation viele Einzelbilder erzeugt, aus denen ein digitales Volumen errechnet wird (Bild 1). Dieser Vorgang wird als sogenannte Rekonstruktion bezeichnet und dafür werden bis zu mehrere tausend Bilder verwendet. Die auf diese Weise erhaltenen Informationen ermöglichen es, das Objekt in allen Schnittebenen sowie dreidimensional darzustellen. Je mehr Einzelbilder erzeugt werden, desto detailreicher wird das Objekt dargestellt, bei gleichzeitiger Reduzierung von Artefakten. Artefakte sind Störungen, die zum Beispiel durch Kanteneffekte hervorgerufen werden. Auch Animationen sind damit möglich, zum Beispiel virtuelle Fahrten durch das Objekt.

Um die im Harz der Buried Vias durch unzureichenden Harzfluss möglicherweise entstandenen Hohlräume oder Poren zu untersuchen, werden diese mittels CT-Röntgenanalyse untersucht. In der vorab erfolgten visuellen Betrachtung (z.B. Durchlichtanalyse) lassen sich erwartungsgemäß keine tiefer und/oder verdeckt liegenden Fehlstellen nachweisen. Dies ist auch mit einfacher Röntgendurchstrahlung nicht möglich. Ein CT-Scan über die gesamte Leiterplatte liefert oftmals keine ausreichende Detailerkennbarkeit. Je kleiner die zu untersuchende Probe, umso näher kann diese an der Röntgenquelle (Brennfleck) positioniert werden und somit eine höhere Vergrößerung erzeugt werden. Zudem ist dann weniger Material vorhanden, das durchleuchtet werden muss und damit einher geht eine geringere Schwächung der Röntgenstrahlen, was zu einer höheren Detailerkennbarkeit führt. Dadurch können Unregelmäßigkeiten (z.B. Poren) im Material sichtbar gemacht werden.

Die CT-Röntgenanalyse bietet sich somit an, um in Buried Vias Fehlstellen im Epoxidharz gezielt zu analysieren. Durch die Lokalisierung der Fehlstellen mit dieser Methode ist es dann anschließend möglich noch ergänzend einen Querschliff von dieser Stelle anzufertigen und diese Fehlstelle dann auch noch visuell im Querschliff zu charakterisieren. Somit ergänzen sich diese beiden Methoden und ermöglichen eine statistisch umfangreiche Analyse der Verfüllung von Buried Vias.

Allerdings ist die Probengröße bei der CT-Röntgenanalyse durch das Prinzip des Verfahrens eingeschränkt, wenn eine ausreichend hohe Auflösung erzielt werden soll. Um die Poren in Buried Vias finden zu können, müssen die Leiterplatten in kleinere Einheiten geteilt werden, die dann nacheinander untersucht werden können. Auf diese Weise können dann aber alle Buried Vias in einer Leiterplatte in der CT-Röntgenanalyse komplett gefunden und untersucht werden. Somit kann auch die Anzahl der Fehlstellen zuverlässig ermittelt werden und auf diese Weise der eindeutige Nachweis von fehlerfreien Leiterplatten erreicht werden.

Des Weiteren gibt es noch ein alternatives Prüfverfahren, bei dem es sich um ein Ultraschall-Prüfverfahren handelt, das an der Hochschule Mannheim am Institut für Analogtechnik und Sensorik (AGT) entwickelt und patentiert wurde [2]. Bei diesem Verfahren werden Ultraschallwellen als longitudinale Wellen in die Leiterplatte eingekoppelt (Bild 2). Die Leiterplatte wird dabei elastisch deformiert, wobei die Deformation abhängig von der Amplitude der Ultraschallwellen im Mikrometerbereich (µm) liegt. Wenn sich in der Leiterplatte eine Verbindung zwischen verschiedenen Lagen beim Pressvorgang nicht vollständig ausgebildet hat, führt dies zu Reibungsverlusten durch die Ultraschwellen in der Leiterplatte. Durch die Reibungsverluste entsteht eine lokale Erwärmung, die in sehr kurzer Zeit entsteht und die dann mit einer IR-Kamera sichtbar wird.

Damit ist es mit diesem Verfahren möglich, das Delaminationsverhalten von Leiterplatten zu analysieren. Des Weiteren könnte dieses Verfahren auch für eine Prüfung hinsichtlich der Verfüllung von Buried Vias eingesetzt werden, weil zum Beispiel Poren im Harz ebenfalls durch eine lokale Erwärmung sichtbar werden. Um die Nachweisgrenzen dieser verschiedenen Prüfmethoden wissenschaftlich zu ermitteln, sind ausführliche Messungen und Analysen erforderlich, die im Rahmen von weiteren Kooperations- oder Drittmittelprojekten vorgesehen sind.

Ergebnisse der CT-Röntgenanalyse und im Querschliff

Es wurden von einer Mehrlagenplatine mit vier Lagen, einem Kern mit 800 µm und je einem Prepreg zu den Außenlagen von einigen Teststrukturen mit Buried Vias CT-Röntgenanalysen durchgeführt und anschließend die auffälligen Positionen im Querschliff untersucht. Bei Herstellung dieser Platinen wurden die Buried Vias beim Verpressen mit dem Harz der Prepregs verfüllt. Die CT-Röntgenanalysen zeigt einige auffällige Positionen (Bild 3, Aufmacher). Diese Auffälligkeiten bei der CT-Röntgenanalyse deuten auf Inhomogenitäten im Harz hin.

Nach der CT-Röntgenanalyse wurden Querschliffe angefertigt und somit gezielt die Buried Vias präpariert, die zuvor auffällig waren. Im Querschliff zeigt sich, dass die Inhomogenität im Harz ein Hohlraum ist (Abb. 4). Somit zeigen diese Untersuchungen, dass die Ergebnisse der CT-Röntgenanalyse zu den Ergebnissen im Querschliff passen und dass die CT-Röntgenanalyse geeignet ist, um die Positionen von Fehlstellen im Vorfeld zu identifizieren. Diese Ergebnisse sind aber noch durch weitere systematische Untersuchungen abzusichern.

Bei der Präparation der Querschliffe wurden noch weitere Proben der Buried Vias Schicht für Schicht heruntergeschliffen und untersucht, um herauszufinden, ob im Querschliff auch noch weitere Fehlstellen in anderen Teststrukturen zu finden sind. An einer anderen Probe, zu der es keine CT-Röntgenanalyse gibt, wurden weitere Fehlstellen im Querschliff gefunden (Bild 5). Des Weiteren hat sich im Rahmen dieser Untersuchungen auch gezeigt, dass das Epoxidharz, das bei der Herstellung in die Buried Vias geflossen ist, unterschiedliche Strukturen aufweist. Dies ist in den Abbildungen 4 und 5 zu erkennen. Bei diesen Strukturen handelt es sich zum einen um glasklare, durchsichtige Gebiete und zum anderen um matte, nicht durchsichtige Gebiete.

Diese Strukturunterschiede im Harz zeigen sich auch im Rasterelektronenmikroskop (Abb. 6). Es handelt sich bei den glasklaren Strukturgebieten um amorphe Strukturen des Epoxidharzes ohne Zusätze und Füllstoffe und die matten, nicht durchsichtigen Gebiete deuten auf Harzstrukturen mit Füllstoffen hin. Bei den Füllstoffen handelt es sich um Siliziumoxid, die den Prepregs zugesetzt sind, um die thermische Ausdehnung zu verringern. Eine inhomogene Verteilung der Zusätze bzw. Füllstoffe in den Buried Vias führt zu einer ungleichmäßigen thermischen Ausdehnung des Harzes in den Buried Vias. Dies könnte sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Leiterplatte auswirken.

Es wäre somit für die Zukunft wichtig, um ein umfassendes Fehlerbild von Buried Vias zu erhalten, dass die Proben erst vollständig in einer CT-Röntgenanalyse untersucht werden und anschließend dazu Querschliffe angefertigt werden. Auf diese Weise würde auch eine vollständige Statistik der Fehler pro Leiterplatte erfasst werden und damit eine vollständige Grundlage für Zuverlässigkeitsuntersuchungen und -analysen ergeben.

Qualifizierung

PCB-Fertigung: Vias und Buried Vias in Mehrlagenleiterplatten – Teil 1

Zusammenfassung und Ausblick

Der Einsatz von Buried Vias in Multilayer-Leiterplatten nimmt immer weiter zu. Für die Zuverlässigkeit dieser Leiterplatten ist es erforderlich, die Buried Vias vollständig mit Harz zu verfüllen und eine homogene Struktur der Füllstoffe zu erreichen, damit kein vorzeitiger Ausfall der Leiterplatten stattfindet. Die Untersuchung von Buried Vias im Querschliff zeigt immer nur einzelne Bereiche der Leiterplatte, die statistisch bei der Präparation der Querschliffe entstehen.

Um aber ein wissenschaftlich vollständiges Verständnis und Bild von den Buried Vias zu bekommen, wäre es erforderlich weitere Analyse-Methoden einzusetzen, mit denen alle Buried Vias in einer Leiterplatte komplett erfasst werden können. Aussichtsreiche Methoden wären beispielsweise die CT-Röntgenanalyse oder das Ultraschall-Prüfverfahren. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind dann mit den optischen Analysen im Querschliff zu vergleichen. Es ist geplant mit diesen Verfahren ausführliche wissenschaftliche Untersuchungen an Buried Vias durchzuführen. Dafür werden noch interessierte Kooperationspartner gesucht. Interessenten können sich an die Autoren wenden.

Literaturverzeichnis

[1] M. Simon, C. Sauerwein, I. Tiseanu, S. Burdairon: Flexible 3D-Computertomographie mit RayScan 200, DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001, Zerstörungsfreie Materialprüfung, Berichtsband 75-CD, Berlin, 21.-23. Mai 2001

[2] F. Müller-Gliesmann, M. Kordell: Patent DE 10 2010 025 269.7: Verfahren und Vorrichtung zum Testen von Multilayer-Platinen, Hochschule Mannheim, 28.06.2010

[3] D.-G. Lohf: Untersuchung und Analysen von Vias und Buried Vias und Leiterbahnen in Mehrlagenleiterplatten, Studienarbeit an der Hochschule Mannheim, Institut für Analogtechnik und Sensorik (AGT), 31.01.2023

 (mbf)

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