Microsensoren zur Betauungserkennung - CiS

Mikrosensoren zur Betauungserkennung
Beitrag im Rahmen des Tutorials 8 "Klimasicherheit elektronischer Baugruppen" der SMT/ES&S/Hybrid 2000
in Nürnberg
CiS Institut für Mikrosensorik gGmbH
Dipl.-Chem. Barbara March
Tel.: (0361) 42 05 127
E-Mail: bmarch@cismst.de
Juni 2000
1. Einleitung
Mit zunehmendem Einsatz elektronischer und mikroelektronischer Baugruppen steigen die Forderungen an die
Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit dieser Baugruppen.
Die Langzeitzuverlässigkeit von elektronischen Bauelementen bzw. Baugruppen wird vor allem bei hohen Umgebungstemperaturen
und -feuchten erheblich beeinflusst.
Untersuchungen der Funktionsfähigkeit von Bauelementen bzw. Baugruppen unter Betauung spielen im Rahmen
von Qualitäts- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen eine wesentliche Rolle.
Dieser Beitrag hat das Ziel, Messmöglichkeiten mit miniaturisierten Feuchtesensoren aufzuzeigen und Anregungen
für die Untersuchung von Betauungsvorgängen an elektronischen Bauelementen/Baugruppen zu geben.
Es wird ein kurzer Überblick zum Aufbau, Funktion und Ausführungsformen der CiS-Feuchtesensoren gegeben.
2. Klima- und Betauungstests
Klima- und Betauungstests zählen zu den erforderlichen Tests hinsichtlich Feuchte- und Betauungsbeständigkeit
elektronischer Baugruppen und zur Aufdeckung von Schwachstellen hinsichtlich Zuverlässigkeit. Für die Testverfahren
können anhand der Prüfbedingungen und der Feldversuche quantifizierbare Beschleunigungsfaktoren
spezifiziert werden. Zweck von Feuchte-Stress-Tests ist es, den überwiegenden Teil von Ausfällen, wie sie unter
Betriebsbedingungen eines Produktes auftreten können, bereits während des Fertigungsprozesses herauszufinden
und Schwachstellen zu erkennen.
Beschleunigende Feuchtetests, bekannt unter THB (85°C, 85% rF) oder HAST, werden eingesetzt, um die Empfindlichkeit
elektronischer Bauelemente bzw. Baugruppen gegenüber Feuchte zu überprüfen und zu bestimmen.
Bei diesen Tests tritt jedoch keine Betauung des Prüflings auf. Tests mit gezielter Betauung des Prüflings liefern
eine schnelle Antwort bezüglich der Qualität und Funktionssicherheit der Baugruppe im Betrieb bzw. der Ausfallwahrscheinlichkeit
dieser Baugruppe.
Bisher ist kein Verfahren bekannt, welches quantitative Aussagen über den Grad der Betauung gibt.
Die Erzeugung einer Betauung soll durch eine entsprechende Steuerung des Klimaschrankes (sogenannte
"Rampenfahrweise") oder durch "Umpacken" der gekühlten Baugruppe entsprechend JASO-Standard (Japanese
Automotiv Standard) erreicht werden.
Als eine der Fehlermechanismen für Ausfälle von elektronischen Bauelementen bzw. Baugruppen spielt die
Korrosion von Oberflächen, Leitbahnen und Chip-metallisierungen eine entscheidende Rolle. Von außen einwirkender
Wasserdampf bzw. Wasser und ionische Verunreinigungen zählen u.a. zu den auslösenden Faktoren
von Korrosionsvorgängen. Unter Mitwirkung von Feuchte können auch mobile Ionen in untere Schichten eindringen
und zu Ausfällen führen, die nicht auf Korrosion zurückzuführen sind.
Bei Feuchtigkeitsstresstests stehen zwei Effekte im Vordergrund: die Betauung und/oder das Eindringen von
Feuchtigkeit in den Prüfling. Das setzt voraus, dass eine genügende Menge Wasser in der Luft vorhanden ist.
Die Wasserdampfmenge in der feuchten Luft lässt sich durch Befeuchten von trockener Luft nur bis zu einem
von der herrschenden Wasserdampf- bzw. Lufttemperatur abhängigen Maximalwert erhöhen. Wird darüber hinaus
Wasserdampf zugeführt, scheidet sich in diesem gesättigten Zustand Wasser als Nebel oder Kondensat
aus. Dabei erreicht der Wasserdampfdruck seinen temperaturabhängigen Maximalwert ew. Das heißt, zu einer
Betauung auf einer Oberfläche kommt es also erst, wenn die Temperatur der Luft oder eines Gasgemisches so
weit abgesenkt wird, bis der maximale Sättigungswert des Gases überschritten, also der Taupunkt erreicht wird.
Für einen Test, der Betauung eines Prüflings während der Klimaprüfung zum Ziel hat, heißt das, dass die Temperatur
des Prüflings unter der Taupunkttemperatur der angrenzenden Luft liegen muss.
Die Taupunkttemperatur ist eine Absolutfeuchtemessgröße. Sie ist weder temperatur- noch druckabhängig. Eine
weitere Feuchtemessgröße ist die relative Feuchte in %. Sie beschreibt das Verhältnis des tatsächlichen Dampfdruckes
zum Sättigungsdampfdruck bei einer bestimmten Gastemperatur.
Um Aussagen zur Wirkung (Einfluss) von Feuchte auf elektronische Bauelemente /Baugruppen zu treffen, sind
Kenntnisse zum Mechanismus der Wasseranlagerung an diesen Bauelementen/Baugruppen erforderlich.
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Die Anlagerung von Wassermolekülen an eine feste Oberfläche beruht auf der Adsorption. Die Adsorptionsvorgänge
können auf Chemisorption und Physisorption zurückgeführt werden.
Der stärkere Prozess der Chemisorption führt zur Dissoziation der Wassermoleküle und Hydroxylgruppen, die in
der Oberfläche vorkommen. Die Chemisorption führt dazu, dass bei Raumtemperatur ein Festkörper stets mit
einer mindestens einlagigen Wasserschicht bedeckt ist. Weitere Wassermoleküle werden durch Ausbildung von
Wasserstoff-Brückenbildungen physikalisch adsorbiert. Dieser Prozess ist schnell und reversibel, d.h. diese
Wassermoleküle können bei geringeren Drücken oder steigender Temperatur leicht wieder entfernt werden.
Die Oberfläche wird durch Anlagerung von Fremdatomen, sogenannten Adsorbaten, modifiziert, es verändert
sich das Potential an der Oberfläche und somit auch die Energie der Oberflächenzustände.
Hydrophile Eigenschaften von Oberflächen werden durch polare Bindungen hervorgerufen, die eine gute Benetzbarkeit
mit Wasser und die Ausbildung einer Wasserhaut bewirken. Hydrophobe Eigenschaften von Oberflächen
werden durch unpolare Substituenten nach außen charakterisiert.
Befinden sich auf der Baugruppe hygroskopische bzw. sorptive Schichten, welche aufgrund einer Dampfdruckerniedrigung
zu einer Taupunkttemperaturerhöhung an der Oberfläche führen, kommt es eher zu einer Betauung,
als es das Umgebungsklima (Taupunkttemperatur und relative Feuchte) ausweist. Als dampfdrucksenkende
Stoffe, Kondensationskeime, wirken z.B. Verunreinigungen und Salze.
3. Verfahren zur Kondensationsmessung
Für Kondensationsmessungen werden gem. Stand der Technik optische als auch elektrische Meßmethoden
angeboten.
Optische Meßmethoden sind durch die Verwendung von Strahler- und Empfänger-Baugruppen für eine Plazierung
in elektronischen Baugruppen zu groß. Auch kann es durch die Betauung der Strahlerbauelemente zu einer
Messsignalverfälschung kommen. Nachteilig wirkt sich auch aus, dass die Reflexionsänderung mehr mit der
Flächenbedeckung als mit der Höhe der Wasserbedeckung einher geht.
Die Verwendung von Glasfasersystemen ist systemseitig sehr kostenaufwendig.
Polymerbeschichtete relative Feuchtesensoren, die auf kapazitiven Meßmethoden beruhen, zeigen nach einer
vollständigen Betauung starke Driften und zunehmende Hystereseerscheinungen. Verwendbare Messwerte
werden erst nach dem Abtrocknen wieder angezeigt.
4. CiS-Feuchte-Mikrosensoren
Für die messtechnische Beurteilung von Klima- und Betauungstests ist die Wahl der Messtechnik, d.h. die zum
Einsatz kommenden Mess- und Prüfverfahren entscheidend.
Die im CiS Institut für Mikrosensorik entwickelten und gefertigten Mikrosensoren zur Feuchtemessung basieren
auf einem Grundmodul. Dieses Grundmodul besteht aus einem in Silizium integrierten Streufeldkondensator,
einem Temperatursensor und einem integrierten Kapazitäts-Frequenz-Wandler. Kondensierter Wasserdampf
bewirkt aufgrund seiner Dielektrizitätskonstante eine Kapazitätserhöhung, die zu einer deutlichen Frequenzänderung
führt.
Basierend auf diesem Grundmodul werden Taupunktmeßgeräte, Taupunkt-Transmitter und Beschlagssensoren
angeboten.
Taupunktmessgeräte und Taupunkt-Transmitter (4...20 mA Ausgang, 12...30 V) auf der Basis des CCC*-Prinzips
(Condensate Controlled Capacitance nach Heinze) messen die Taupunkttemperatur im Bereich von –10°C bis
100°C.
Die absolut messenden Systeme haben den Vorteil, dass die absolute Menge des im Gas enthaltenen Wasserdampfes
(Taupunkttemperatur) die Messgröße darstellt, welche unabhängig von der Temperatur ist.
Mit Hilfe der gemessenen Taupunkttemperatur und der Umgebungstemperatur lassen sich über die Dampfdruckkurve
weitere thermodynamische Größen wie z.B. relative und absolute Feuchte, Enthalpie, Dampfdruck
und Mischungsverhältnis errechnen.
Neben bewährten Anwendungen von Feuchtemessgeräten sind die angebotenen Taupunktsensoren bestens
geeignet, die thermodynamischen Bedingungen in einem Klimaschrank bzw. einer Testkammer genau und reproduzierbar
zu erfassen.
Damit stehen zwei Prüfmethoden für Klima- bzw. Betauungstests zur Verfügung. Zum einen über die Messung
der Temperatur des Prüflings und der Taupunkttemperatur der angrenzenden Luft und zum anderen direkt mit
einem Betauungsfühler über geeignete Kondensatorstrukturen.
5. Mikrosensoren zur Betauungsserkennung
Der Betauungsfühler BTF CiS 11340 kann in modifizierter Ausführung zur Beschlags- bzw. Kondensationshöhendetektion
eingesetzt werden. Dieser Mikrosensor mit Abmessungen von 6,5 x 20 x 0,5 (in mm) stellt einen
monolithisch integrierten Streufeldkondensator dar, der ein Frequenzausgangssignal proportional zum Grad der
Betauung liefert. Optional kann eine Temperaturmessdiode integriert werden. Der Sensor arbeitet mit einer Betriebsspannung
von 5 V/DC in einem Temperaturbereich von –20 bis +85°C. Er weist eine hohe chemische Beständigkeit
gegen Säuren, Laugen und Lösungsmittel auf und lässt sich einfach reinigen.
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Das in Tafel 1 dargestellte Ersatzschaltbild erklärt das Frequenzverhalten der Impedanz der Sensorstruktur.
R_b
C_par_w
R_par_w
C_ox
C_par
R_Si
R_w
C_w
C_dir
C_a
C_par
R_Si
C_ox
Tafel 1: Ersatzschaltbild der Sensorstruktur
R_b
C_par_w
R_par_w
Luft / Wasser
Siliziumnitrid oben
Kammstruktur
Siliziumnitrid/
Siliziumoxid unten
Silizium-Substrat
Die Charakterisierung von Kondensatorstrukturen mit Mitteln der Device-Simulation wurde zur Untersuchung der
Streufeldkapazitäten eingesetzt. Computersimulationen liefern die Größe der Teilkapazitäten und Widerstände
zwischen den einzelnen Kontakten, woraus die Gesamtkapazität berechnet werden kann.
Anhand der Simulationskennlinien und dem Vergleich mit den gemessenen Kennlinien erfolgte die Optimierung
der Streufeldanordnung. Gemessen wurden die Beträge und Phasen des komplexen Widerstandes der Streufeldanordnung
in Abhängigkeit von der Wassermasse auf dem Sensor bei unterschiedlichen Messfrequenzen.
Zur Messung der Wasserschicht-/Wassertropfendicke wurden Betauungssensoren mit unterschiedlichen Rasterkonstanten
(Kondensatorstrukturen) aufgebaut.
Durch Versuche in einer klimatisierten Messkammer konnten die Funktionsfähigkeit der aufgebauten Sensoren
sowie die Reproduzierbarkeit der Betauung auf Sensoren mit unterschiedlichen Rasterkonstanten nachgewiesen
werden. Es konnte der Nachweis der Korrelation des Sensorausgangssignals mit der Betauungsdicke erbracht
werden.
Die Betauungssensoren reagieren entsprechend ihrer Kondensatorstruktur mit unterschiedlicher Empfindlichkeit
auf zunehmende Wassermasse. Sensoren mit größer dimensioniertem Raster zeigen noch eine Frequenzänderung
bei zunehmender Wassermasse, wenn die mit kleineren Rasterkonstanten bereits die Sättigung erreicht
haben.
Ausgangsfrequenz [Hz]
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Wassermasse auf Betauungsfühlern der Baugruppe
in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz der Sensorbaugruppe
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Wassermasse (gemittelt) [µg/mm^2]
Tafel 2: Sensorausgangssignal in Abhängigkeit von der Wassermasse
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