Leistungshalbleiter sind für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt und finden weithin Verwendung im Schienensektor, Windturbinenbau, Bergbau und in der Petrochemie-Industrie. Press Pack-Kapseln werden unter hohem Druck zusammengefügt, um die erforderliche elektrische Leistung zu erreichen. Isolierte Leistungsmodule hingegen verwenden einen integrierten Schaltkreis, der auf der DCB (Direct Copper Bonded)- Substrattechnologie basiert. Das Röntgensystem Nikon Metrology XT V 160 erlaubt die Prüfung, ob die aufgeschmolzene Lötpaste, durch die die Bauelemente an ihren Kontakstellen befestigt werden, fortlaufend mit einem kontrollierten Lunkerniveau aufgetragen wird. Fiona Lambert, Prozesstechnikerin bei IXYS UK Westcode, ein Unternehmen des internationalen Leistungshalbleiterherstellers Ixys Corporation, erläutert: „Früher habe ich das Röntgensystem Nikon 130 kV zur Qualitätssicherung (QS) eingesetzt. Deshalb haben wir das leistungsstärkere 160 kV Modell angeschafft, um eine Beobachtung der Lunkerbildung mittels Durchdringung dickerer Materialien mit höherer Dichte sicher zu gestalten. Was mir besonders am Nikon-System gefällt, ist die einfache Zugänglichkeit des großen Objekttisches. Das Bild kann schnell am Bildschirm geneigt, gedreht, positioniert und gezoomt werden. Aufgrund der hochauflösenden Bilddarstellung ist jedes Detail klar erkennbar. Die Software ist bedienerfreundlich und ermittelt den Prozentsatz von Lunkern im Lötmaterial automatisch – eine wichtige Funktion um sicherzustellen, dass das Produkt die strengen Vorgaben erfüllt.“

Vorteile der Röntgentechnik ist auch das fokussierte Messfeld der Mikrofokus-Röntgenröhre und moderne Bildverarbeitungsfunktionen.

Vorteile der Röntgentechnik ist auch das fokussierte Messfeld der Mikrofokus-Röntgenröhre und moderne Bildverarbeitungsfunktionen. Nikon

Röntgenprüfung in zwei Schritten

Das Röntgen erfolgt in zwei Stufen des Fertigungsprozesses. Einmal, nachdem die Bauteile auf dem leeren DCB-Substrat angeordnet und gelötet werden. Der zweite Röntgendurchgang der gesamten Baugruppe erfolgt, nachdem sechs bestückte Substrate elektrisch geprüft und auf eine 5 mm dicke Grundplatte aus Aluminium- Siliziumcarbid aufgelötet wurden. Das Röntgensystem prüft die Zuverlässigkeit der Baugruppe. Hilfreiche Merkmale des Systems für die effiziente Ausführung dieser Aufgabe sind unter anderem ein Target mit 20 W Anschlussleistung, eine Brennfleckgröße, die je nach Leistungsabgabe zwischen 1 μm und 10 μm beträgt, eine bis zu 36.000-fache Systemvergrößerung und die hohe Bildqualität, die der 16-Bit Flachdetektor bietet. Aufgrund dieser sehr feinen Auflösung fällt es leicht, den Unterschied zwischen geometrischen Formen und amorphen Lunker zu erkennen.

Mehrfache Einsatzmöglichkeiten

Obwohl das Röntgensystem eigens für die DCB-Prüfung installiert wurde, lassen sich auch zugekaufte Produkte damit inspizieren. In einem Fall hatte ein Zulieferer bestritten, dass eine Charge von ihm gelieferter Kühler, die Bestandteil von Press-Pack IGBT Stacks waren, einen hohen Anteil an Lötfehlern enthielt. Eine einfache Analyse mit dem XT V 160 Röntgensystem erbrachte den unstrittigen Nachweis und führte zum unverzüglichen Ersatz dieser Charge.

Ein weiterer Vorteil der Röntgentechnik ist die stabile Leistungsabgabe, die dem fokussierten Messfeld der Mikrofokus-Röntgenröhre und modernsten Bildverarbeitungsfunktionen zu verdanken ist. Diese Eigenschaften wirken einer Verschlechterung der Bildqualität entgegen. Das PC-gesteuerte elektromagnetische Objektiv sorgt für eine dauerhafte Fokussierung des Elektronenstrahls und vermeidet die Überhitzung des Targets. Dabei bleibt die Brennfleckgröße selbst bei hohen Stromstärken im Mikrometerbereich.

Trotz der hohen Leistungsfähigkeit ist das Röntgensystem mit einer offenen Röntgenröhre ausgestattet. Zusammen mit regelmäßigen Wartungsintervallen kann der kostengünstige, mehrmalige Austausch des Elektronenstrahl erzeugenden Filaments im Jahresverlauf eingeplant werden. Der Filament-Wechsel dauert nur wenige Minuten, die Ausfallzeit ist daher kurz. Eine geschlossene Röntgenröhre dagegen dürfte zwar eine Lebensdauer von mehreren Jahren haben, könnte den Betrieb aber ohne Vorwarnung einstellen, möglicherweise zu einem Zeitpunkt, der dem Anwender nicht gerade gelegen kommt.

Das Inspektionssystem bietet eine gute Zugänglichkeit zum Objekttisch, auf dem sich verschiedene, ziemlich große Komponenten gleichzeitig anordnen lassen.

Das Inspektionssystem bietet eine gute Zugänglichkeit zum Objekttisch, auf dem sich verschiedene, ziemlich große Komponenten gleichzeitig anordnen lassen. Nikon

Kontinuierlich im Einsatz

Das Volumen der bei Ixys UK Westcode ausgeführten Leistungshalbleiterprüfungen wird in den nächsten Jahren steigen. Wenn ein oder zwei Produkte pro Serie zu QS-Zwecken geröntgt werden und der Prozess endgültig eingerichtet ist, wird das Röntgensystem kontinuierlich im Einsatz sein.