Organische und anorganische Kontaminationen aufspüren

Die tiefgreifende Fehleranalyse ist von grundlegender Bedeutung, wenn es darum geht, die Hauptursachen von Problemen im Feld oder besser schon während der Versuchsphase für eine Produktvalidierung herauszufinden. Oft ist es schwierig, die Herkunft einer Störung festzustellen, da die Schäden manchmal so gravierend sind, dass sich im Nachhinein kaum mehr etwas erkennen lässt. Ferner können Störungsmechanismen sehr komplex und auf eine Verkettung ungünstiger Umstände zurückzuführen sein.

Am Beispiel eines SMD-Dickschichtwiderstandes untersucht Preventlab einen Schaden durch schwefelhaltige Immissionen. Prevent PCB

Zudem kommen elektronische Baugruppen mehr und mehr in kritischen Umgebungen zum Einsatz und sind dabei oft extrem hoher Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Das kann Korrosion verursachen und für divere Fehlfunktionen verantwortlich sein.

Bild 1: Im Querschnitt sind Unterbrechungen im Resistive Thick Film an den auffälligen hellen und dunklen Feldern zu erkennen. Prevent PCB

Bild1 rechts Prevent PCB

Fehleranalyse bei Rücksendungen

Zurückzuführen sind diese Bedingungen auf die Umwelt sowie unter anderem den Verarbeitungsprozess, etwa durch Flussmittel bei der Bestückung, das Verpackungsmaterial, vulkanisierten Kautschuck und schwefelhaltige Dampf- oder Gasimmissionen. Um eine Störung in diesem Szenario aufzuklären, ist neben Erfahrung und Kompetenz der Einsatz spezieller Geräte erforderlich, die maßgebliche Daten sammeln. Denn Fehleranalyse ist bei Rücksendungen eine unvermeidliche Maßnahme, um die richtigen Korrekturmaßnahmen vorzunehmen und künftige Ausfälle zu vermeiden. Hierbei hilft das zur italienischen Preventlab gehörende, vollausgestattete Laboratorium Preventlab mit einer kostenlosen Dienstleistung.

Bild 2: Eine genauere Betrachtung der Unterbrechung erlaubt ein mit dem Elektronenmikroskop aufgenommener Querschnitt. Prevent PCB

Bild 2 rechts Prevent PCB

So stellte etwa ein Kunde eine beachtliche Anzahl an Störungen bei eingebauten Parksensoren fest. Die vorläufige Analyse zeigte bei allen Rücksendungen gleichermaßen einen Defekt am SMD-Dickschichtwiderstand (Bild 1). Der Schaden war nicht offensichtlich, daher schwer zu finden, und ist auf eine schwefelhaltige Immission zurückzuführen. Der Kunde bat das Labor, die Ursache der Störung und deren Ursprung zu klären sowie herauszufinden, ob und welche welche Art von Kontamination besteht.

Bild 3: Um die Zusammensetzung festzustellen, führt das Spectrometer einen Querschnitt für die chemische Microanalyse durch. Prevent PCB

Mikroskop mit Spektrometer

Kontaminationen könnten aus organischen oder anorganischen Verbindungen bestehen. Preventlab ist eigens dafür ausgerüstet, beide Arten zu analysieren. Das SEM (Elekronenmikroskop) ermöglicht die Untersuchung morphologischer Muster im Detail, die Strukturen lassen sich in bis zu 100.000-facher Vergrößerung beobachten. Im Mikroskop ist ein EDX-Spektrometer (Energy Dispersive X-ray spectroscopy, Energiedispersive Röntgenspektroskopie) eingebaut, der Proben von atomaren Rekombinationen verwertet und die vorhandenen chemischen Elemente erkennen kann. Diese Technik prüft inorganische Substanzen wie Salze, Oxide, IMC-Schichten und stoffliche Zusammensetzungen, bei denen es wichtig ist, welche Elemente in welchem Mengenverhältnis vorhanden sind, also die Stöchiometrie.

Die Analyse organischer Substanzen erfolgt mit der FT-IR-Spektroskopie. Dieses Verfahren erkennt Funktionsgruppen und sucht nach einzelnen, typischen und einzigartigen chemischen Zusammensetzungen im Spektralbereich wie nach Fingerabdrücken. Vergleichbar mit einer Bibliothek erkennt diese Technik alle organischen Stoffe wie Flussmittel, Kautschuk, Farben, Kunststoffe, Lötstopplack oder Polymere.

Fehlerursache Schwefel

Bild 4: Das EDX-Spektrum zeigt einen hohen Schwefelanteil. Unterbrechungen in der Silberschicht sind rot gekennzeichnet. Prevent PCB

Beim defekten Dickschichtwiderstand konzentrierte sich die Untersuchung als erstes auf inorganische Substanzen. Um dem Fehler auf die Schliche zu kommen, waren mehrere Tests durchzuführen:

1. Sichtkontrolle gemäß IPC-A-610F Klasse 2: Keine Risse festzustellen, weder bei den Lötverbindungen noch im Keramikkörper.

2. Querschnittsanalyse gemäß IPC TM 650 2.1.1E (Mikrostrukturierung, manuelle Methode) und IPC-A-610F Klasse 2 (elektronische Baugruppen): Widerstandskörper, Lötverbindung und Keramikkörper zeigten keinerlei Defekt.

3. Mit Dunkelfeldmikroskopie (SDF) ließ sich eine Unterbrechung in der Silberschicht des Widerstandskörpers feststellen.

4. Genauere Analyse des Widerstandquerschnitts am Rasterelektronenmikroskop (SEM): Schon bei der Gesamtansicht ist die unterbrochene Silberschicht deutlich zu sehen.

5. Energiedispersive Röntgenspektroskopie, kurz EDX-Spektroskopie, um die Ursache der Unterbrechung herauszufinden: Das EDX-Spektrometer identifizierte Schwefel als Auslöser der Korrosion am Silber und hat damit die Fehlerursache gefunden (Bild 4, Tabelle).

Tabelle: Das Ergebnis der EDX-Spektroskopie identifiziert zu viel Schwefel als Grund für den Ausfall der Parksensoren. Prevent PCB

Ergebnis der Untersuchung

Der Schwefel kam hier von den Autoabgasen nahe der Parksensoren. Diese Abgase gelangten durch das Harz leicht in die Baugruppe und auf die Widerstände, sodass die Silberschichten zu Silbersulfid korridierten. Silbersulfit baut sich im Gegensatz zum vorhandenen puren Silber immer mehr auf den Kontakten auf und sorgte so mit der Zeit für eine Unterbrechung der Lötverbindung, die entsprechend zu einer Fehlfunktion und damit zum Ausfall der Baugruppe führte.

Um die Sicherheit der Baugruppe zu gewährleisten, ist also der Einsatzort des Produkts und damit die richtige Auswahl der Bauelemente entscheidend. Der Kunde tauschte den Dickschichtwiderstand durch eine schwefelresistente Variante aus und löste so das Problem.

Productronica 2017: Halle B2, Stand 118

(mou)