Bisher war es nicht möglich, den Gehalt an Phosphor in der Nicke-Phospor-Schicht (NiP) unter Gold- und/oder Palladiumschichten zerstörungsfrei zu kontrollieren. Moderne Röntgendetektoren erlauben die Bestimmung des Phosphorgehaltes der NiP-Schicht an Luft und mit geeigneter Auswertesoftware lässt sich sogar der P-Gehalt unter einer metallischen Deckschicht überprüfen.

Bestimmung des Phosphorgehalts

Die Möglichkeiten der Röntgenfluoreszenzanalyse zur Qualitätskontrolle in der Leiterplattenindustrie sind noch einmal beträchtlich erweitert worden. Jetzt erlauben die Geräte auch die Bestimmung sowohl der Dicke als auch der Zusammensetzung von NiP-Schichten unter bedeckenden Gold- und Palladium-Schichten. Die Genauigkeit der Analyse wird mit zertifizierten Referenzmaterialien sichergestellt. Die Messung erfolgt zerstörungsfrei und kontaktlos und kann in Atmosphäre (kein Vakuum) durchgeführt werden. Die typische Analysefläche besitzt einen Durchmesser von 1 mm. Im Falle von Mikrofokus-Geräten mit Polykapillaren können sogar kleinere Strukturen unter 100 µm analysiert werden.

EDXRF-Messung von NiP-Schichten

Mittels der energiedispersiven Röntgenfluoreszenz-Analyse (EDXRF) lässt sich die Phosphor-Konzentration chemisch (oder stromlos) abgeschiedener NiP-Beschichtungen zerstörungsfrei bestimmen. Die Fundamental-Parameter-basierte Software WinFTM ermöglicht eine Bestimmung sowohl der Dicke der NiP-Schicht als auch ihrer P-Konzentration. Dazu sind die effektive Anregung und die zuverlässige Quantifizierung der charakteristischen Phosphor-K-Strahlung (P-K-Signal) notwendig. Mit den Röntgenfluoreszenz-Geräten des Herstellers Helmut Fischer lassen sich NiP-Schichten auf jedem Substrat vermessen, auch wenn diese Schichten sehr dünn sind. Dabei gilt es, die verhältnismäßig geringe Informationstiefe des Phosphorsignals zu berücksichtigen. Für die EDXRF-Messung von NiP-Schichten auf Leiterplatten sind zudem folgende Besonderheiten zu beachten:

  • Das P-K-Signal ist sehr klein im Vergleich zu den Fluoreszenzintensitäten von Nickel oder Kupfer.
  • Die NiP-Schicht ist normalerweise mit Gold beschichtet und in einigen Fällen auch mit Palladium (ENIG oder ENEPIG). NiP ist nicht in jedem Fall die oberste Schicht.
  • Die Pd-Schicht über der NiP-Schicht kann bis zu 4 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

Bild 1: Details von Spektren einer NiP-Schicht, die mit unterschiedlich dicken Pd-Schichten versehen wurde.

Bild 1: Details von Spektren einer NiP-Schicht, die mit unterschiedlich dicken Pd-Schichten versehen wurde.Helmut Fischer

Die effektive Anregung der Fluoreszenzstrahlung ist für jedes chemische Element unterschiedlich. Elemente wie Au, Ni und Pd können unter „Standardbedingungen“ (Röhrenhochspannung = 50 kV und 10 µm Ni-Primärfilter) optimal angeregt und damit entsprechend genau vermessen werden. Mit diesen Parametern lässt sich aber P nicht gut zur Fluoreszenz anregen. Dazu ist eine deutliche Reduzierung der Röntgenröhrenhochspannung notwendig, wodurch sich das Signal/Rausch-Verhältnis für das P-K-Signal stark verbessert. Die Lösung besteht in der Mehrfachanregung, also der Kombination dieser beiden Anregungsmodi innerhalb einer Messung.

Der Einfluss von Au- und Pd-Deckschichten

Die Dickenmessung der (dünnen) Au- und Pd-Schichten ist ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätskontrolle bei der Leiterplatten-Produktion. Die Ermittlung der NiP-Zusammensetzung unter diesen Deckschichten erhöht die Anforderung noch einmal deutlich und stellt eine Erweiterung der EDXRF-Geräte von Fischer dar. Die überlagernden Au- und Pd-Schichten beeinflussen die NiP-Messungen durch Absorption und Signalüberlagerung. Au und Pd reduzieren die bereits geringe Intensität der P-K Strahlung zusätzlich durch Absorption. Die Au-M Linie im Spektrum überlagert zum großen Teil das P-K-Signal. Bild 1 und Bild 2 illustrieren diese Effekte.

Bild 2: Spektrendetails von NiP beschichtet mit Au in unterschiedlichen Dicken.

Bild 2: Spektrendetails von NiP beschichtet mit Au in unterschiedlichen Dicken.Helmut Fischer

Bild 1 zeigt in blau das P-K-Signal (Energie etwa 2 keV) einer 5 µm dicken NiP-Schicht mit 10 Gewichtsprozent Phosphor. Zusätzlich sind die Spektren zweier weiterer Messungen dargestellt, bei denen eine NiP-Schicht mit 100 nm Pd (grün) und mit 300 nm Pd (gelb) überdeckt ist. Das hohe Signal bei 3 keV stammt vom Pd, beziehungsweise von Argon aus der Umgebungsluft (bei der blauen Kurve). Ein weiterer Effekt, der die Analyse von Phosphor in der NiP-Schicht in der Praxis beeinflusst, ist der Phosphorgehalt der Pd-Schicht. Die Auswertung kann nicht zwischen P in NiP und P in Pd unterscheiden. Die Zusammensetzung des NiP kann nur analysiert werden, wenn der Anteil von P in der Pd-Schicht bekannt ist.

Beginnend mit dem gleichen NiP-Spektrum wie in Bild 1 zeigt die Darstellung in Bild 2 einen frei stehenden P-Peak (blau) einer 5 µm dicken NiP-Schicht mit 10 Gewichtsprozent P bei etwa 2 keV. Bei einer Beschichtung mit Au überlagern die Au-M-Linien den P-K-Peak. In Grün ist die Au-M-Intensität einer 50 nm dicken Schicht, in Gelb die Au-M-Intensität einer 100 nm dicken Au-Schicht dargestellt. Der P-K-Peak ist nur als winzige Schulter erkennbar, aber der Algorithmus der WinFTM-Software kann daraus die P-Konzentration genau berechnen.

Bild 3: Überlagerte Spektren einer NiP-Schicht mit Au/Pd-Beschichtung (gelb), bzw. ohne Beschichtung (blau).

Bild 3: Überlagerte Spektren einer NiP-Schicht mit Au/Pd-Beschichtung (gelb), bzw. ohne Beschichtung (blau).Helmut Fischer

Hat man nun die Überdeckung einer NiP-Schicht mit Au und Pd, so wird die messtechnische Herausforderung nicht geringer, da alle oben beschriebenen Effekte zum Tragen kommen. Erschwerend kommt in der Leiterplattenindustrie hinzu, dass in vielen Fällen die Strukturen sehr kleine Abmessungen haben. Im Nachfolgenden wird deshalb ein typisches Beispiel beschrieben, bei dem auf einer Leiterplatte mit einem Messfleck von weniger als 50 µm im Durchmesser gemessen wird (Bild 3).

Die Dicken der Au- und Pd-Schichten werden gleichzeitig mit der Dicke und der Zusammensetzung der NiP-Schicht bestimmt. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Standardabweichung für die P-Konzentration liegt bei 0,4 Gewichtsprozent bei 60 s Messzeit), trotz der Überdeckung mit zwei zusätzlichen Schichten. Es soll hier betont werden, dass bei dem kleinen Messfleck eine hohe spektrale Intensität von mehr als 50.000 Impulse/s durch Verwendung einer Polykapillarlinse erreicht wird. Bei Verwendung einer Strahlkollimierung mit Blenden anstelle der Polykapillarlinse ist die Messzeit zur Erreichung einer vergleichbaren Zählstatistik ungefähr zwei- bis dreimal so lang.

Tabelle 1: Bestimmung der Dicke von Au-, Pd- und NiP-Schicht und der P-Konzentration in der verdeckten NiP-Schicht, Auswertung von fünf Wiederholungsmessungen mit dem Gerät XDV-µ auf der Probe aus Bild 3.

Tabelle 1: Bestimmung der Dicke von Au-, Pd- und NiP-Schicht und der P-Konzentration in der verdeckten NiP-Schicht, Auswertung von fünf Wiederholungsmessungen mit dem Gerät XDV-µ auf der Probe aus Bild 3.Helmut Fischer

Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen trotz der schwierigen Bedingungen nur eine geringe Standardabweichung und somit eine hohe Wiederholpräzision der Messungen. Mit zunehmender Dicke der Au- und Pd-Schichten wird aber das P-Signal immer stärker absorbiert und eine Messung damit verhindert. Dieser Absorptions-Effekt dominiert für Pd-Schichten in der Größenordnung > 200 nm und für Au-Schichten > 70 nm. Deshalb hängt die Genauigkeit der P-Analyse von der Dicke der Pd- und/oder Au-Schichten ab.

Vergleich mit anderen Verfahren

Die Phosphoranalyse in NiP kann mithilfe verschiedener zerstörender und zerstörungsfreier Methoden erfolgen. Der Vorteil der Röntgenfluoreszenzanalyse (EDXRF) ist ihre zerstörungsfreie Analyse und die einfache Handhabung aufgrund der fehlenden Probenpräparation. Ein weiteres starkes Argument für die EDXRF-Analytik ist die Tatsache, dass Schichtdicke und Zusammensetzung von NiP und von Deckschichten in einem Schritt gemessen werden können. Eine Übersicht der verschiedenen Verfahren ist in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2: Qualitativer Vergleich zwischen verschiedenen analytischen Methoden zur Bestimmung des Phosphorgehaltes in stromlos abgeschiedenen NiP-Schichten.

Tabelle 2: Qualitativer Vergleich zwischen verschiedenen analytischen Methoden zur Bestimmung des Phosphorgehaltes in stromlos abgeschiedenen NiP-Schichten.Helmut Fischer