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Besonderheiten der metallographischen
Präparation von Aufbauten der Elektronik
und Mikroelektronik
Katja Reiter, Mario Reiter,
Thomas Ahrens
Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie,
Modulintegration,
D-25524 Itzehoe
Inhaltsverzeichnis
1. Problemstellung
2. Materialien und ihre
Bearbeitung
3. Präparation und Gefügeentwicklung
4. Anwendungen
4.1 Keramikverbunde
4.2 Leiterplatten
4.3 Silizium und Glasdioden
4.4 Kondensatoren und
Widerstände
4.5 Au-Drahtbondverbindungen,
Zielpräparation an einem
Transistor
5. Artefakte
6. Literaturverzeichnis
Vorwort
In Structure 32 berichteten wir
über die Gefüge- und Werkstoffanalyse
für die Aufbau- und
Verbindungstechnik in der Mikroverbindungstechnik.
Dieser Artikel
versteht sich als eine Fortsetzung.
Hier wird probenspezifisch auf die
metallographische Präparation und
die sich ergebenden Fehlermöglichkeiten
eingegangen. Es werden Beispiele
für vorteilhafte Bearbeitungsmethoden
zur Vermeidung von
Präparationsartefakten vorgestellt.
12
1. Problemstellung
Die Aufbauten der Elektronik und
Mikroelektronik sind komplexe
Werkstoffverbunde. Die Darstellung
und Analyse der verschiedenen
Werkstoffgefüge, Schichtaufbauten
und Grenzflächen ist eine Voraussetzung
zur Beurteilung der Qualität
der Produkte. Die Größen der
einzelnen Bestandteile der Aufbauten
reichen von Bruchteilen von µm
bis zu einigen cm. Infolge der engen
Packung der verschiedenen
Werkstoffgruppen in kleinen Volumina
besteht für die Gefügeanalyse
das Problem der gleichzeitigen Darstellung
unterschiedlicher Werkstoffe
mit grundverschiedenen Eigenschaften.
In der präparativen
Vorbereitung für die Gefügeuntersuchungen
müssen daher harte
Werkstoffe mit zum Teil erheblicher
Sprödigkeit gleichzeitig mit
weichen oder zähen Werkstoffen
aufbereitet werden.
Jedem einzelnen Präparationsschritt,
begonnen beim Trennen
über das Schleifen bis zur Feinpolitur,
wird eine eigene Bedeutung
zugeordnet. Fehler in den ersten
Schritten lassen sich in weiteren
Schritten nur schwierig oder auch
gar nicht korrigieren. Bei jedem
Schritt ist die Materialabtragsrate
und die Tiefe der Verformungsschicht,
die nach Beendigung verbleibt,
von Bedeutung. Die Wahl der
Polierparameter (Unterlage,
Schleifmitteltyp und Korngröße,
Schmiermittel) muß sich nach den
physikalischen Eigenschaften der
Probe richten und darf nicht willkürlich
erfolgen. Für die Präparation
von massiven Werkstoffen gilt
allgemein, daß weiche und mittelharte
Werkstoffe mit SiC-Papieren,
harte Materialien mit kunststoffoder
metallgebundenen Diamantschleifscheiben
plangeschliffen werden
sollen. Bei den hier beschriebenen
Materialverbunden trifft man
allerdings auf sehr harte Bestandteile,
z.B. Al 2
O 3
-Keramik, und sehr
weiche Materialien, z.B.: Zinn-Blei-
Lot. Hier muß bei der Präparation
ein Kompromiß gefunden werden.
Kantenabrundung und Reliefbildung
beginnen bei harten Materialien
meist bereits
in einem sehr
frühen Stadium,
wenn nur Schleif
papiere verwendet
werden. Das Planschleifen
soll mit
dem Schleifmittel
erfolgen, das für
das Probenmaterial
am effektivsten
ist. Es soll
die feinste Körnung
gewählt
werden, bei der
die Proben noch
in einer vertretbaren
Zeit plan
und glatt geschliffen
werden.
Tabelle 1:
In der AVT der
Elektronik
angewandte
Materialien
Bei Verwendung von SiC-Naßschleifpapier
ist die Abtragsrate an
weichen Materialien recht hoch, dafür
erzeugen die Schleifpapiere
starke Oberflächenverformungen.
Dabei wird oft versucht, durch eine
Verlängerung der Polierdauer und
andere Verfahren doch noch gute
Präparationsergebnisse zu erhalten.
Doch selbst wenn eine kratzerfreie
und scheinbar gut polierte
Schliffläche erreicht wird, so geschieht
dies doch auf Kosten der
Randschärfe und Planheit. Ziel ist
es, eine plane Probe mit hoher
Randschärfe zu präparieren.
2. Materialien und ihre
Bearbeitung
In Tabelle 1 sind häufig in der Aufbau-
und Verbindungstechnik (AVT)
in der Elektronik eingesetzte Materialien
aufgelistet.
Am häufigsten werden für elektronische
Baugruppen Materialkombinationen
aus Al 2
O 3
-Keramik,
glasfrittgefüllten Duromeren, Zinn-
Blei-Lot, Leiterplatten (glasfaserverstärktes
Epoxidharz) und Kupfer
verwendet.
Jedes Material zeichnet sich durch
andere Materialeigenschaften aus.
Die Keramik ist sehr hart und spröde,
Zinn-Blei-Lot und Kupfer sind
sehr weich. Das weiche Lotgefüge
Material Häufige Anwendungen Universalin
der AVT
härte [HU]
Al 2
O 3
Keramik Trägermaterial (Hybridtechnik)
Bauelementekörper 17000
Silizium Halbleiter, Transistoren, IC´s 9300
NiP Sperrschicht, Metallisierung 4000
Kovar (FeNiCo) Leadframes, Leiterplattenkern 1900
Invar (FeNi42) Leadframes, 1800
Anschlußdrähte, Gehäusedeckel
Aluminium Gehäuse, Wärmesenken, Kondensatorfolien 1300
Kupfer-Silber-Lot Lotwerkstoff (Hartlot) 1100
Gold
Veredelungsschichten
(Steck-, Löt-, Bondkontakt) 500
Zinn-Silber-Lot Lotwerkstoff (Weichlot) 300
Kupfer Metallisierung auf Leiterplatten, 300
Leadframes
Epoxidharz- Leiterplattenbasismaterial 280
Glasfasergewebe
Zinn-Blei-Lot Lotwerkstoff (Weichlot) 230

wäscht sich bei der Politur leicht
aus. Die Epoxidharzmatrix der
Leiterplatte hat eine ähnliche Härte
wie das Kupfer, beim Schleifen
brechen allerdings die härteren
Glasfasern sehr leicht aus.
Im nächsten Abschnitt werden zwei
Präparationsmethoden zur Gefügeentwicklung
vorgestellt.
Anschließend wird die Anwendung
dieser Verfahren auf unterschiedliche
Materialkombinationen erläutert.
3. Präparation und
Gefügeentwicklung
Die metallographische Präparation
unterteilt sich in folgende Arbeitsschritte:
I Optische Inspektion
II Probennahme und Einbetten
III Schleifen und Polieren
IV Lichtmikroskopische Gefügeauswertung
Präparationsmethode 1 Schleifen Polieren
I Optische Inspektion
Zunächst ist eine makroskopische
Untersuchung des Aufbaus des
Verbundwerkstoffes erforderlich.
Hier werden kritische Stellen gesichtet
und offensichtliche oder
mögliche Fehlerorte markiert, z.B.
schlechte Lötverbindungen, Risse in
Bauelementen oder Defekte am
Leiterplattenmaterial, die dann mit
anderen Methoden weiter untersucht
werden. Die Ursachen verdeckter
Fehler, z.B. elektrische Unterbrechungen
oder Kurzschlüsse,
können teilweise zerstörungsfrei
mittels Ultraschallmikroskopie oder
Röntgendurchstrahlung analysiert
werden. Die Lage der Schliffebene
wird auf die Orientierung der darzustellenden
Details abgestimmt
und z.B. im Bestückplan markiert.
Ist der Fehlerort gefunden, wird die
Schliffebene festgelegt.
Stufe 1-4 5 6 7 8
Unterlage Schleifpapier Plan-O-Grip DP-Dur DP- Dur OP-Chem
Abrasiv SiC Diamant Diamant Diamant OP-S
Korngröße # 180-1200 6 µm 6 µm 1 µm 0,25 µm
Schmiermittel Wasser „Lubrikant blau“ „Lubrikant rot“ „Lubrikant rot“
Rotation [U/min] 300 250 250 150 150
Zeit [min] bis plan 10-20 5-10 2 0,5
Präparationsmethode 2 Schleifen Polieren
Stufe 1 2 3 4 5
Unterlage Schleifpapier MD-Largo DP-Dur DP- Dur OP-Chem
Abrasiv SiC Diamant Diamant Diamant OP-S
Korngröße # 180 9 µm 6 µm 1 µm 0,25 µm
Schmiermittel Wasser „Lubrikant blau“ „Lubrikant rot“ „Lubrikant rot“
II Probennahme und Einbetten
Dieser Punkt wurde schon im ersten
Teil (Structure 32) ausführlich
behandelt. Wichtig zu erwähnen ist
auf jeden Fall, daß die Probe beim
Trennen in keinster Weise geschädigt
und beim Einbetten keine Wärme
in die Proben eingebracht werden
darf, da schon geringe thermische
Einwirkungen zu Gefügeveränderungen
führen können. Zum
Trennen eignet sich eine einfache
Laubsäge bei Leiterplattenbaugruppen
und eine Diamanttrennsäge
bei Keramikverbunden.
Bei gealterten Proben empfiehlt es
sich, die Proben vorm Trennen einzubetten.
Eingebettet werden sollte
grundsätzlich unter Vakuum, um
Hohlräume unterhalb der Bauelemente
zu vermeiden.
Epoxidharz eignet sich aufgrund
seiner niedrigen Aushärtetemperatur
und seiner geringen
Viskosität besonders zum Einbetten
von elektronischen Werkstoffverbunden.
Ein weiterer Vorteil
liegt in der Durchsichtigkeit des
Einbettmaterials, da sich so eine
gute Zielpräparation durchführen
läßt. Ein Problem des Einbett-mittels
ist seine geringe Härte (ca.
280 HU) gegenüber der Keramik
(17000 HU), die bei zu langen
Polierzeiten unweigerlich zu starker
Kantenabrundung der keramischen
Probenteile führt.
III Schleifen und Polieren
Zwei Präparationsmethoden eignen
sich besonders zum Präparieren von
Verbundwerkstoffen. Diese sind in
Tabelle 2 aufgeführt. Bei der
Präparationsmethode 1 wird die
Probe mit SiC-Papier in mehreren
Stufen bis 1200er Körnung feingeschliffen
und anschließend auf
Seidentüchern mit Diamantsuspension
poliert.
Bei der Präparationsmethode 2
wird die Probe auf 180er SiC-
Schleifpapier plangeschliffen, auf
der MD-Largo Scheibe von Struers
mit Diamantsuspension feingeschliffen
und anschließend mit
Seidentüchern und Diamantsuspension
poliert. Bei beiden Methoden
findet eine Feinpolitur mit
OP-S Suspension statt. Die Anwendbarkeit
der Methoden hängt
von der Materialkombination ab.
Verwendung finden polykristalline
Diamantsuspensionen.
Die Abtragsrate ist von folgenden
Faktoren abhängig:
Mischungsverhältnis von
Diamantkörnern und Lösungsmittel
Die Abnutzung des Schleifpapiers
und des Poliertuches
Die Sauberkeit der Tücher
Die Art des verwendeten Schmiermittels
wirkt sich ebenso auf die
Qualität der Präparation aus.
Schmiermittel auf Alkoholbasis bewirken
eine höhere Abtragsrate
aber auch eine höhere Verformungstiefe.
Bei ölhaltigen Schmiermitteln
Rotation [U/min] 300 300 250 150 150
Zeit [min] bis plan ca.5 ca.1 ca.0,5 0,5
Tabelle 2:
Präparationsmethode 1 und 2
13

sind Abtragsrate und Verformungstiefe
geringer.
Deswegen empfiehlt es sich, beim
Grobpolieren ein alkoholhaltiges
Schmiermittel und in den feinen
Polierstufen ein ölhaltiges Schmiermittel
zu verwenden.
Auch die Menge des eingesetzten
Polier- und Schmiermittels ist entscheidend
für die Schliffqualität. Die
Poliertücher sollten sehr sauber und
nicht durch zuviel Polier- und
Schmiermittel zu feucht gehalten
werden.
IV Lichtmikroskopische
Gefügeauswertung
Sind die Schritte I-III erfolgreich
abgeschlossen, so wird das Gefüge
im Licht- bzw. Rasterelektronenmikroskop
betrachtet. Folgende
Details werden bewertet:
Stoffschlüssiger Verbund an
Grenzflächen
Metallurgische Reaktionen an
Grenzflächen oder im Volumen
(Wachstum intermetallischer
Phasen)
Größe und Verteilung von Fehlstellen
wie Poren und Fremdeinschlüsse
Form und Abmessungen der
Elemnte im Verbund
(Schichtdicken, Lotmeniskus etc.)
Zu erwähnen sind hier die lichtmikroskopischen
Darstellungsarten
im Hell- und Dunkelfeld, im
Differentialinterferenz- und
Polarisationskontrast, auch als
„optische Kontrastierung“ bezeichnet.
Im Rasterelektronenmikroskop
finden Sekundär- und Rückstreuelektronenabbildung
und
Topographiekontrastdarstellung
Anwendung. Diese einzelnen
Methoden wurden ausführlich im
Teil 1 (Structure 32) behandelt.
4. Anwendungen
4.1 Keramikverbunde
Anhand der Keramikverbunde werden
die Ergebnisse der beiden
Präparationsmethoden 1 und 2 (siehe
Tabelle 2) miteinander verglichen.
Als Probe dient ein Aufbau ei
Präparationsmethode 1
2a: Plan geschliffen nacheinander mit 180er,
500er, 800er, 1200er SiC-Papier Das Bild zeigt
die Oberfläche nach der Stufe 1200er SiC-Papier
2b: ca. 5 min. Polierzeit auf Plan-O-Grip
mit 6µm Diamantsuspension
2c: nach ca. 5 min. Polierzeit auf DP-Dur
Tuch mit 6µm Diamantsuspension
Präparationsmethode 2
Bild 1:
Querschliff durch ein
Leistungsmodul
3a: Plan geschliffen mit 180er SiC-Papier
3b: ca. 5 min. Feinschleifzeit auf MD-Largo
mit 9µm Diamantsuspension
3c: nach ca. 1 min. Polierzeit auf DP-Dur
Tuch mit 6µm Diamantsuspension
14
Bilder 2a-2d, 3a-3d: Vergleich der
zwei Präparationsmethoden nach einzelnen
Schleif-bzw. Polierschritten an einem
Leistungsbauelement
2d: ca. 5 min. Polierzeit auf DP-Dur Tuch
mit 1µm Diamantsuspension
3d: ca. 0,5 min. Polierzeit auf DP-Dur
Tuch mit 1µm Diamantsuspension

nes Leistungsmoduls. Dieses Modul
besteht aus einem DCB-Substrat
(Direct Copper Bonding: Kupfer/
Al 2
O 3
-Keramik/Kupfer) auf das ein
Siliziumchip mit einem eutektischen
Zinn-Silber-Lot (Schmelzpunkt:
221°C) aufgelötet wurde. Zur
besseren Wärmeableitung und –
spreizung wird dieser Verbund
(DCB + Silizium-Chip) auf einen
massiven Kupferträger aufgelötet.
Diese zweite Lötung geschieht mit
einem konventionellen Zinn-Blei-
Lot (Schmelzpunkt 183°C). Es handelt
sich somit um eine sogenannte
Präparationsmethode 1
Stufenlötung. Die zuerst hergestellte
Lötverbindung hat einen hohen
Schmelzpunkt und schmilzt bei dem
zweiten Lötprozeß nicht mehr auf.
Im folgenden werden die Einzelschritte
der oben genannten
Präparationsmethoden beschrieben
und die Präparationsstufen mittels
lichtmikroskopischer Aufnahmen
dargestellt.
Bei der Präparationsmethode 1
wird die Probe in vier Stufen plan
geschliffen und anschließend auf
Seidentüchern mit polykristallinen
Diamantsuspensionen der Körnun-
Präparationsmethode 2
Lötverbindung (SnAg) zwischen Si-Chip und Kupfermetallisierung des DCB-Substrates
4a: Lotgefüge verschwommen, intermetallische
Phasen nur matt dargestellt
Übergang zwischen Kupfer und Al 2
O 3
- Keramik des DCB-Substrates
5a: intermetallische Phasen und Lotgefüge
in einer Ebene scharf erkennbar
gen 6µm bzw. 1µm poliert. Abschließend
findet eine OP-S Politur auf
einem OP-Chem Tuch statt. Durch
die OP-S Suspension werden die
intermetallischen Phasen im Weichlotgefüge
sichtbar gemacht und
Schmierschichten beseitigt.
Bei der Präparationsmethode 2
wird die Probe nur mit grobem
Schleifpapier plan geschliffen und
dann mit 9 µm polykristalliner
Diamantsuspension auf der neuen
Scheibe MD-Largo der Firma
Struers feingeschliffen. Das Polieren
erfolgt wie in Präparationsmethode
1, allerdings mit wesentlich
kürzeren Polierzeiten. Die Bilder
2a-d zeigen die Probe nach den
einzelnen Schleif- bzw. Polierschritten
nach Poliermethode 1, die Bilder
3a-d nach der Poliermethode 2.
Ausgehend vom endpolierten Zustand
der Probe (siehe Bilder 2d
und 3d) werden die Materialien und
Lotgefüge detailliert untersucht.
Die Detailaufnahmen (siehe Bilder
4a-c und 5a-c) zeigen die Über
gänge:
• (a) Lötverbindung (SnAg)
zwi schen Si-Chip und Kupfer
metallisierung des DCB-Substra
tes
• (b) Übergang zwischen Kupfer
und Al 2
O 3
- Keramik des DCB-
Substrates
• (c) Lötverbindung (SnPb) zwi
schen Kupfer des DCB-Substrates
und Kupfer-Trägerplatte
Die Detailaufnahmen der Schliffbilder
haben eine 500 fache Vergrößerung.
4b: Keramik und Kupfer nicht auf einer
Ebene darstellbar
5b: Klarer Übergang Keramik – Kupfermetallisierung
des DCB- Substrates
Lötverbindung (SnPb) zwischen Kupfer des DCB-Substrates und Kupfer-Trägerplatte
Im Vergleich der beiden Poliermethoden
ist deutlich zu erkennen,
daß mit der Poliermethode 2 eine
planere Schliffoberfläche erzeugt
wird. Bei gleicher Vergrößerung lassen
sich ebenso gut die Übergänge
Kupfer/Zinn-Silber-Lot/Silizium sowie
Kupfer/Zinn-Blei-Lot darstellen.
Nach der Präparation mit
Methode 1 ist dies nicht möglich.
Hier ist eine deutliche Stufenbildung
und Kantenabrundung an
der Keramik zu erkennen.
4c: Undeutliche Phasengrenzfläche und
unscharfes Lotgefüge
5c: Scharfe Darstellung des SnPb - Gefüges
und deutliche Darstellung der Phasenteilchen
Bilder 4a-4c, 5a-5c:
Detailaufnahmen der Schliffbilder
15

Bild 6:
Darstellung des
Härteprofils im
Querschliff
Weg in mm
Präparationsmethode 1 Präparationsmethode 2
Bilder 7,8:
Höhenprofile der
verschieden
präparierten
Leistungsmodule
Höhe in mm
Höhe in mm
Universalharte
Weg in mm
Weg in mm
7: Höhenprofil nach Präparationsmethode 1: max. Höhendifferenz: 30 µm 8: Höhenprofil nach Präparationsmethode 2: max. Höhendifferenz: 10 µm
Durch die Verwendung der Feinschleifscheibe
MD-Largo konnte die
Probenpräparation an Keramiken
wesentlich effektiver und mit besseren
Ergebnissen durchgeführt werden.
Um die besonderen Anforderungen
an die Präparationsmethodik durch
die gravierenden Härteunterschiede
zwischen den verschiedenen Schichten
zu verdeutlichen, werden die
Universalhärten der im Querschliff
16
nebeneinander liegenden Materialien
in Bild 6 gezeigt. Das Bild zeigt,
daß bei der Querschlifferstellung
besondere Schwierigkeiten bei der
Darstellung der Übergänge von
Kupfer zu Keramik und von Silizium
zum Sn-Ag-Lot zu erwarten
sind.
Im gemessenen Höhenprofil an der
Probe nach Präp.-Methode 1
(Bild 7) sieht man einen ähnlichen
Kurvenverlauf wie bei dem aufgezeichneten
Härteprofil in Bild 6.
Die maximale Höhendifferenz liegt
bei 30 µm. Bild 8 zeigt den deutlichen
Vorteil aus der Anwendung der
Methode 2. Hier liegt die maximale
Höhendifferenz bei nur 10 µm.
Bei der Präparationsmethode 1 werden
vier Schleifstufen auf SiC-Papier
durchgeführt. Das Anschleifen
der Keramik führt zu einer starken
Abnutzung der Papiere. Je mehr
Probenabtrag erforderlich ist, desto

9a: Elektrisch gezykeltes Peltierelement nach Präparationsmethode 1
präpariert, Darstellung im Polarisationskontrast
9b: Ausschnitt aus a) aufgeschmolzener Bereich der mittleren Säule,
Darstellung im Polarisationskontrast
Die Scheibe MD-Largo ist eine
Feinschleifscheibe, die von der Fa.
Struers für die Präparation von
Verbundwerkstoffen mit weicher
Matrix entwickelt wurde. Auf einer
Stahlblechfolie sind sechseckige
Plättchen aus Verbundmaterial verteilt.
Nach Hinzufügen von 9µm-
Diamantsuspension ist die Abtragsrate
so hoch, daß nach kurzer
Polierzeit die Schleifriefen vom
180er SiC- Papier entfernt sind.
Anschließend genügt eine verkürzte
Politur mit 6µm und 1µm Diamantsuspension
auf Seidentüchern, um
eine optimale Schliffqualität zu erzielen.
10a: Übersicht des gelöteten Bauteiles
Bilder 10a-10d: Querschliff durch einen J-Lead-
Anschluß eines Speichers mit Keramikgehäuse
nach Präparationsmethode 2
schwieriger gestaltet sich die Erstellung
einer planen Schliffoberfläche
beim Schleifen. Der
gleichmäßige Abtrag auf der Probe
ist aufgrund der extremen Härteunterschiede
schwierig. So geschieht
es leicht, daß sich ein ungeübter
Metallograph beim Anschleifen
von diesen Werkstoffverbunden
im „Pyramidenschleifen“ übt. Aber
auch mit genügender Handfertigkeit
gelingt es nicht, eine so plane
Schliffoberfläche wie mit
Präparationsmethode 2 zu erzielen.
Bereits nach der feinsten Schleifstufe
mit 1200er SiC- Papier ist eine
leichte Reliefbildung erkennbar.
Die Polierzeiten mit 6µm und 1µm-
Diamantsuspension verlängern sich
je nach Reliefstärke. Je länger die
Polierzeiten gehalten werden, desto
stärker werden die Kanten abgerundet
und es kommt zu Auswaschungen
im Weichlot, da die wei-
10b: Lötverbindung zwischen dem Bauteilkörper
und dem Gehäusedeckel
(hermetischer Verschluß - Ausschnitt A)
10c: Hartlötverbindung zwischen dem
Bauteilkörper und dem Bauteilanschluß
(Ausschnitt B)
10d: Weichlötverbindung zwischen dem
Bauteilanschluß und der Trägerleiterplatte
(Ausschnitt C)
chen Materialien schneller abgetragen
werden als die harten.
Zwei weitere Beispiele für Keramikverbundpräparationen
sind in den
Bildern 9a und 9b dargestellt.
Hierbei handelt es sich um ein elektrisch
gezykeltes Peltierelement,
bei dem durch die thermische Belastung
eine Säule aufgeschmolzen
ist. Das Peltierelememt besteht aus
zwei Al 2
O 3
-Keramikplatten mit
Kupferbeschichtung (DCB-Substrat),
aus P- und N-dotierten Wismut-Tellurid-Säulen,
welche mit
Wismutlot auf das DCB-Kupfer gelötet
wurden.
Ein weiteres Beispiel ist in den Bildern
10a-d zu sehen. Es handelt
sich um die metallographische Präparation
eines Speicherbauelementes
mit Keramikkörper.
Bild 10a zeigt die Lötverbindung eines
sogenannten J – Leads (J-förmiger
Bauteilanschluß) mit einer
FR4 – Leiterplatte.
4.2 Polymerverbunde
(Leiterplatten)
Die Probenpräparation von Leiterplattenmaterialien
dient der Auffindung
von Fehlern im Basismaterial
eines Elektronikverbundes. Bei einer
Leiterplatte handelt es sich um
einen Verbundwerkstoff, der aus einem
Epoxidharz-Glasfasergewebe
besteht. Die Glasfasern sind im Gegensatz
zu Epoxidharz-Matrix sehr
spröde. Beim Schleifen brechen diese
Fasern aus. Ziel der Probenpräparation
ist es, während des
Schleifens möglichst wenig Glasfasern
auszubrechen und die Ausbrüche
mit den Polierschritten zu entfernen.
Verwenden kann man hierzu
beide Präparationsmethoden.
17

11: Fehler im Aufbau
eines Multilayers
Bilder 11, 12:
Beispiele der
metallographischen
Präparation von
Mehrlagenleiterplatten
12: Leiterplatte mit Kupferlackdraht
Bei der Präparationsmethode 2 ist
es sinnvoll, die Probe auf SiC- Papier
mit 500er Körnung zu Schleifen.
Nach dem Feinschleifen auf der
Largoscheibe sollten alle Glasfaserausbrüche
beseitigt sein. Anschließend
genügen eine kurze Politur
mit 6 µm und 1 µm Diamantsuspension.
Werden die Ausbrüche
nicht ausreichend beseitigt, so lassen
sich Leiterplattenfehler, wie
13: Glasdiode auf mehrlagiger Leiterplatte
aufgelötet, mit Riß im Glaskörper
Delaminationen, Harzrückzüge etc.
nicht eindeutig nachweisen.
Die Kupferschichten auf den Leiterplatten
bestehen aus Basiskupfer
(Kupferkaschierung des Basismaterials)
und Aufbaukupfer (ggf. mehrere
Lagen). Die Kupferhülse in
Durchkontaktierungen besteht aus
der Bekeimungsschicht und dem
Aufbaukupfer. Um den Kupferlagenaufbau
untersuchen zu können,
muß das Kupfer angeätzt werden.
Hierfür eignet sich eine
Ätzlösung aus destilliertem Wasser,
25%-igen Ammoniak und einem
Tropfen Wasserstoffperoxid im Verhältnis
6:6:0,1. Die Proben sollten
direkt nach der OP-S- Politur geätzt
werden. Wichtig ist hierbei, daß das
Ätzmittel frisch angesetzt wird. In
den Bildern 11 und 12 sind geätzte
Querschliffe von Leiterplatten dargestellt.
Im Bild 11 erkennt man einen fehlerhaften
Innenaufbau einer Mehrlagenleiterplatte.
Dabei sind verschiedene
Sachverhalte sichtbar:
Knospenbildung in der Kupfer
metallisierung (1)
14: Siliziumchip mit Aluminiumdrahtbond
Zwei-Punkt-Anbindung eines
Restrings einer Innenlage an die
Hülsenmetallisierung (2)
Harzrückzug an der
Kupferhülse (3)
Bild 12 zeigt eine alternative
Innenlagenverdrahtung. Anstelle
von mehreren strukturierten laminierten
Innenlagen werden Kupferlackdrähte
verwendet.
Bilder 15a-b, 16a-b, 17a-b: Makroaufnahmen elektronischer Bauelemente mit Schliffbildern
15a: Makrobild eines Kondensators
16a: Makrobild eines Widerstandes
17a: Makrobild eines Melfwiderstandes
15b: SnPb- Lotgefüge eines Kondensators,
dargestellt im Polarisationskontrast
18
16b: SnPb- Lotgefüge eines Widerstandes
Gefüge dargestellt im Polarisations-kontrast
17b: Melfwiderstand lasergelötet mit
Hochtemperaturweichlot, Gefüge
dargestellt im Polarisationskontrast

18c: Querschliff durch Au-Drahtbond,
lichtmikroskopische Aufnahme
18a: Übersicht
Transistor
18: Röntgendurchstrahlung
des Transistors
Bilder 18a-d:
Zielpräparation an einem Transistor
4.3 Silizium und Glasdioden
Silizium und Glas sind spröde Materialien.
Um „echte“ (d. h. in der
angelieferten Probe vorhandene)
Risse von Präparationsartefakten
unterscheiden zu können, ist eine
sehr vorsichtige Präparation notwendig.
Diese Materialien sollten
nur mit feinem Schleifpapier geschliffen
werden. Anschließend wird
solange poliert bis eventuelle Ausbrüche
an den Kanten oder Risse
entfernt sind. Die Präparation geschieht
mit den Poliermitteln der
Methode 1.
Bild 13 zeigt eine artefaktfrei präparierte
SMD Glasdiode und Bild
14 einen gut auspolierten Hableiterkristall
aus Silizium mit
Aluminiumdrahtbond.
4.4 Kondensatoren und
Widerstände
Kondensatoren bestehen in der Regel
aus einer Bariumtitanat-Keramik.
Während des Lötprozesses oder
durch mechanische Einwirkungen
können Risse entstehen. Deswegen
muß der Metallograph diese Kondensatoren
vorsichtig präparieren.
Die Kondensatoren selbst sollten
nicht mit gröberen Schleifpapier als
mit 800er Körnung geschliffen werden.
Der weitere Polierprozeß ist
mit beiden Methoden durchführbar.
Widerstände bestehen im allgemeinen
aus einer Al 2
O 3
-Keramik. Die
Probenpräparation geschieht nach
Methode 2.
4.5 Au- Drahtbondverbindungen,
Zielpräparation an einem
Transistor
Die metallographische Präparation
von Golddrahtbondverbindungen
wird anhand einer Zielpräparation
an einem achtpoligen Transistor erläutert.
Ein solcher Transistor (18a)
zeigte einen elektrischen Defekt.
Mit Hilfe der Querschliffpräparation
sollte die Ausfallursache geklärt
werden.
Der Anschluss zwischen der
Kontaktfläche auf dem Silizium und
dem Leiterrahmen („Leadframe“)
wird mittels Au-Drahtbondverbindungen
hergestellt. Die
Drahtbonds sind nur 25µm stark
und ihre Lage ist nicht eindeutig.
Der Transistor wird im Spritzgußverfahren
massiv mit einem
glassfrittgefüllten Duromer umspritzt
(sog. „Molding“). Fehler im
Drahtbondbereich lassen sich zunächst
nur durch elektrische Messungen
nachweisen und lokalisieren.
Ist der Fehler gefunden, so ist
die Position des Bonddrahts bzw.
der Anschlüsse noch nicht geklärt.
Hierfür ist eine Röntgendurchstrahlung
sehr hilfreich (Bild 18b).
Sind Fehlerort und Lage des
Bondes gefunden, kann die in
Epoxidharz eingebettete Probe präpariert
werden. Da der Bonddraht
sehr dünn ist, muß man sich vorsichtig
mit 1200er SiC-Papier an
den Bond heranschleifen. Anschließend
wird mit 6 µm und 1 µm Diamantsuspension
weiterpoliert. Der
Druck beim Polieren darf nicht zu
hoch sein, damit das Gold nicht ver-
Bilder 19a,b:
Darstellung zweier präparierter SnPb-Lote
19a: sauber auspoliertes Blei und Zinn-
Blei-Lot eines Flip-Chips
18d: Querschliff durch Au-
Drahtbond, Aufnahme mit
Rasterelektronen-mikroskop
schmiert. Nach der 1 µm-Politur
empfiehlt sich eine Feinpolitur auf
OP-Chem Tuch mit OP-A Supension.
Im Lichtmikroskop sind Risse im
Golddraht auch bei 800facher Vergrößerung
nur zu erahnen. Da sich
chemisches Ätzen nur schwierig
durchführen läßt, weil der
Drahtbond auf einen Kupferträger
gebondet wurde, eignet sich eine
Betrachtung im Rasterelektronenmikroskop.
Hier ist deutlich ein Riß
im Fußbereich des Bondes erkennbar
(18d).
Bilder 19-24:
Darstellung verschiedener Artefakte
20: Leiterplatte geschliffen mit 500er SiC-
Papier, der Probenabtrag ist
ungleichmäßig. Durch die Keramik
nutzt sich das SiC- Papier schnell ab.
Die Schliffoberfläche wird uneben,dies
führt zu Problemen beim Polieren
19b: schlecht auspoliertes Blei und
Zinn-Blei-Lot, schwarze Flecken sind
eingedrückte Polierkörner
21: Schlecht auspolierte
Leiterplatte mit
Glasfaserausbrüchen
19

5. Präparations-Artefakte
Im folgenden werden einige Bilder
von Artefakten gezeigt, die bei der
Probenpräparation entstehen können.
Artefakte treten durch ungleichmäßigen
Abtrag beim Schleifen
einer Probe auf, durch zu hohen
Druck beim Polieren, durch die falsche
Dosierung von Polier- und
Schmiermitteln. In bereits fertig
präparierten Lötverbindungen entstehen
Scheinrisse entlang der
Korngrenzen im Weichlot, wenn eine
Probe lange Zeit liegt, insbesondere
dann, wenn die Lötverbindung
z. B. durch Temperaturzyklen beansprucht
wurde. Deswegen ist es notwendig,
fertig polierte Proben sofort
zu dokumentieren.
6. Literaturverzeichnis
1. „Erfahrungen mit einer neuen
Präparationsmethode bei Werkstoffverbunden.“
Vortrag auf der 10. Internationalen
Metallographietagung in Leoben
und wird veröffentlicht im Sonderband
30 der Praktischen Metallographie.,
K. Reiter, T. Ahrens, FHG
ISiT, Itzehoe
22a: gute Präparation, Nachweis Riß in Diode 22b: Riß und Ausbruch in Glasdiode, enstanden
durch Schleifen mit groben Schleifpapier
23: einpräpariertes Diamantkorn aus
Diamantpolitur und Kupferspan,
Bruchstück vom Schleifen
2. „Ein neues Konzept für
metallographische Probenpräparation“,
James A. Nelson,
Buehler Ltd. Lake Bluff, Il, USA,
Praktische Metallographie
3. „MD-Piano und MD-Largo, neue
Präparationsscheiben für das MD-
System,“ H-H.Cloeren, Struers
24: Scheinrisse entlang der Korngrenze nach
langem Liegenlassen der polierten Probe, Darstellung
im Differential-Interferenz-Kontrast
GmbH, Willich, Michael Rückert,
Struers A/S, Kopenhagen, Structure 32
4. „Gefüge- und Werkstoffanalyse
für die Aufbau- und Verbindungstechnik
in der Elektronik“ F. W. Wulff,
American Fine Wire Ltd, Singapore,
T. Ahrens, Fraunhofer ISIT, Itzehoe,
Structure32
Artikelwettbewerb zur materialographischen
Präparation von Keramik
Die Schriftleitung von Structure hat die gewinnenden Beiträge von dem Wettbewerb, der in Structure 31
ausgeschrieben war, ausgewählt. Schriftliche Beiträge, die von der Schriftleitung geeignet gefunden
wurden, sind in Structure 32, 33 und 34 veröffentlicht worden, oder werden in Structure 35 veröffentlicht.
Wir danken allen Teilnehmer für ihre interessanten Beiträge.
Der 1. Preis wurde vergeben an:
Ulrike Täffner und
Veronika Carle
Max Planck Institut für Metallforschung,
Stuttgart, Deutschland
für ihre Artikel:
Keramographie - ein spannendes
materialographisches Thema
mit den Untertiteln:
-Einblick in die keramographische
Präparation
-Gefügeinterpretation an keramischen
Bauteilen
20
Der 2. Preis geht an
Richard E. Chinn
2535 Del Rio CtSE, Albany,
Oregon, USA
für seinen Artikel:
Präparation der Mikrogefüge von
Aluminiumoxidkeramiken
und der 3. Preis geht an
F. Jorge Lino
DEMEGI/SMPT, Faculdade de
Engenharia da Universidade do
Porto, Porto, Portugal
für den Artikel:
Ausbrüche beim Schleifen von
Keramikprodukten mit einer amorphen
Phase
Herzliche Glückwünsche
an die Preisträger!