Die Vermessung der Leiterplatte

Instrumente und Verfahren zur Kontrolle der Beschichtung auf Leiterplatten während des Produktionsprozesses oder im Wareneingang entwickelt Helmut Fischer Institut für Elektronik und Messtechnik. Dabei greift das Unternehmen auf seine langjährige Erfahrung zurück: In diesem Jahr feiert es sein 60-jähriges Firmenjubiläum. Die Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA) für die Fischer seit nunmehr 30 Jahren die passenden Geräte entwickelt und herstellt, hat sich aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Genauigkeit für die zerstörungsfreie Messung der Dicke und Materialzusammensetzung metallischer Beschichtungen von Kontaktstellen auf Leiterplatten etabliert. Doch durch die ständige Weiterentwicklung in der Fertigungstechnologie, wie etwa kleinere Strukturen, ergeben sich laufend neue Anforderungen an die Messtechnik und deren Automatisierung. Für das Unternehmen war dies der Auslöser, eine neuartige X-Ray-Geräteserie speziell für die Leiterplattenindustrie zu entwickeln.

Diese Messsysteme sind optimiert für alle Beschichtungen, wie sie typischerweise in der Leiterplattenindustrie vorkommen. Dazu zählen auch komplexe Mehrschichtsysteme und Legierungen (Tabelle 1). Um schwierigen Anforderungen an die Positionierung gerecht zu werden oder auf kleinen Strukturen präzise messen zu können, stehen verschiedene Modelle und Ausstattungen zur Verfügung (Bild 2). Der Anwender kann zwischen Messung von unten oder oben, manueller Positionierung, motorisierten XY-Tischen oder erweiterten Auflageflächen wählen. Allen Geräten gemeinsam ist die Möglichkeit, große Leiterplatten einfach und sicher zu handhaben. Dazu sind alle Geräte mit entsprechenden Auflageplatten ausgestattet, wodurch das Messen auch in den Randbereichen von großen starren oder flexiblen Leiterplatten problemlos möglich ist. Eine Differenzierung der einzelnen Gerätetypen ergibt sich aus der Messfleckgröße, dem Detektortyp und dem XY-Tisch, was sich für den Anwender in den Messmöglichkeiten hinsichtlich Strukturgröße, Schichtdicken und Automatisierung niederschlägt.

Neben Geräten mit Proportionalzählrohr-Detektor wie dem Fischerscope X-Ray XULM-PCB- oder der XDLM-PCB-Serie empfiehlt Fischer für Schichten, die dünner als 50 nm sind, Geräte mit Halbleiterdetektor wie etwa das X-Ray XDV-µ-PCB (Bild 3) mit Polykapillar-Röntgenoptik und Silizium-Drift-Detektor (SDD). Diese Geräte realisieren hohe Zählraten selbst bei kleinen Messfleckgrößen und sind damit speziell für dünnste Schichten und kleinste Strukturen optimiert (Tabellen 2a und 2b).

Automatische Mustererkennung für die Qualitätskontrolle

Leiterplatten verfügen über viele Kontaktstellen für elektrische Verbindungen, die metallisch beschichtet sind. Die messtechnische Überwachung dieser vielen Beschichtungsstellen ist zur genauen Prozesskontrolle überaus wichtig. Insbesondere bei großflächigen Nutzen ist die manuelle Positionierung auf den kleinen Messpositionen nicht mehr effektiv durchführbar. Deshalb hat Fischer jetzt eine Lösung zur effektiven Qualitätskontrolle bei minimiertem Bedieneraufwand entwickelt.

Die Software WinFTM verfügt ab der Version 6.30 über eine automatische Bilderkennung, wodurch sich die Vermessung von Leiterplatten mit deutlich reduziertem Bedieneraufwand durchführen lässt. Diese Bilderkennung erlaubt eine genaue und exakte Positionierung des Messpunkts auf kleinen Strukturen bei allen RFA-Geräten mit programmierbarem XY-Tisch. Sie lässt sich gerade für automatisierte Prozesse sinnvoll einsetzen, wenn zum Beispiel große Leiterplatten zu prüfen und immer wieder auf den gleichen Testpositionen zu messen sind. Denn wenn das Gerät mit der nächsten Leiterplatte bestückt wird, entsteht meist ein kleiner Versatz (Offset) zu den ursprünglich programmierten Messpunkten der ersten Leiterplatte, sodass sich bei kleinen Strukturen im µm-Bereich nur mithilfe einer Feinjustage über die Bilderkennung die Messposition exakt finden lässt.

Bei der WinFTM 6.30 lässt sich im Menü Bilderkennung ein Bildausschnitt beziehungsweise ein Muster definieren. Dabei ist es möglich, die Messposition innerhalb des Bildausschnitts frei zu wählen. Vor einer Messung wird die Lage des Messflecks (Fadenkreuzmitte) mit dem Bildausschnitt abgeglichen und die richtige Messposition angefahren (siehe Bild 4). Weitere, automatische Positionierungen, wie etwa das Finden und Anfahren des nächsten Pads in einer Reihe, lassen sich daraus ableiten. Es können auch mehrere Bildausschnitte oder Muster definiert werden, sodass sich automatisierte Messungen an unterschiedlichen Strukturen durchführen lassen.

Mithilfe der Voreinstellungen im Bilderkennungsmenü lässt sich diese Softwarefunktion selbst ohne Vorkenntnisse einfach bedienen. Für den fortgeschrittenen Bediener gibt es aber auch die Möglichkeit, verschiedene Suchalgorithmen auszuwählen oder über die Fehlerprüfung auch geringfügige Abweichungen des Bildausschnitts (Muster) zuzulassen. Über eine geschickte Auswahl des Suchbereichs oder über die so genannte Zentrumsbewichtung lässt sich auch die richtige Messposition finden, wenn mehrere gleichartige Strukturen im Videobild sichtbar sind. Bei der Bilderkennung wird der definierte Bildausschnitt pixelweise mit dem Videobild (Suchbereich) verglichen. Für jede Position des Bildausschnitts auf dem Suchbereich wird eine Übereinstimmungsgröße berechnet und in der Ergebnismatrix R abgespeichert. Je nach verwendeter Methode liefert der größte oder kleinste Wert der Matrix die beste Übereinstimmung. Zur Auswahl stehen drei normierte Suchverfahren, die sich automatisch an die aktuell eingestellten Beleuchtungsverhältnisse anpassen und somit den Einfluss unterschiedlicher Beleuchtungsverhältnisse zwischen dem aktuellen Videobild und dem Bezugsbild verringern.

Kalibrierstandards aus dem eigenen Labor

Mit dem Fokus auf Richtigkeit bietet das Unternehmen weiterhin diverse Kalibrier- oder Referenznormalen, umgangssprachlich auch als Standards bezeichnet (Bild 5), die im eigenen akkreditierten Kalibrierlabor gefertigt sind. Denn um Platinenbeschichtungen unter 100 nm zu messen ist es unerlässlich, das Messsystem mit Standards ähnlicher Dicke zu kalibrieren.

Reproduzierbarkeit ist ein zentraler Begriff in der Messtechnik. Man versteht darunter, dass für eine bestimmte Probe mit definierter Messgröße und Messposition – wie etwa ein mit Gold beschichteter Kontakt auf einer Leiterplatte – dasselbe Messergebnis erhalten wird, egal, mit welchem Gerät oder in welchem Labor oder durch welchen Bediener die Messung erfolgt. Die Sicherung von Richtigkeit und Reproduzierbarkeit sind die wichtigsten Aufgaben der Referenznormale. Im vorliegenden Fall wird die Flächenmasse bestimmt, also müssen die Referenznormale rückführbar auf die Basismaßeinheiten Masse (kg) und Länge (m) sein, hier also eine entsprechend definierte Goldschicht. Die Herstellung dieser rückführbaren Normale ist die Aufgabe des Standardlabors von Helmut Fischer in Sindelfingen, das sein Leistungsangebot bei der Akkreditierung durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) deutlich erweitern konnte. Diese Akkreditierung D-K-15076-01-00 /1/ erlaubt Kalibrierungen nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005 für die folgenden Messgrößen:

• Flächenmassen von Einfach- und Mehrfach-Reinelementschichten (als Folien oder als Schichten auf einem Grundwerkstoff)
• Flächenmassen von Legierungsschichten (als Folien oder als Schichten auf einem Grundwerkstoff)
• Masseanteile (Zusammensetzung) von Legierungen als Bulkproben.

Für die entsprechenden Referenznormale werden Kalibrierscheine ausgestellt, die explizit auf diese Akkreditierung hinweisen.

(mrc)