Qualitätsprüfungen für komplexe elektronische Baugruppen und Systeme

Defekte in der Mikroelektronik sicher und rasch entdecken

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Gerade in den stets anspruchsvoller werdenden Fertigungsprozessen für Leiterplatten kommt es auf eine nahtlose und gleichbleibende Qualität aller Komponenten an. Schließlich können in der Hochleistungselektronik Ausfälle, die durch ein defektes elektronisches Bauteil verursacht werden, zu gravierenden Schäden mit dramatischen Konsequenzen führen, gerade in Anwendungsfeldern wie der zivilen Luftfahrt.

Auch die Elektronikfertigung und -entwicklung profitiert von solider Qualitätskontrolle durch kompetente, verlässliche Dienstleister im Test- und Prüfbereich, die ihre Laboreinrichtungen und Instrumentarien immer wieder anpassen und flexibel auf Veränderungen in Markt und Industrie reagieren. Für Anwender besteht die Möglichkeit, im Schadensfall schneller die Verantwortlichkeit für einen Defekt in seinem Produkt zu klären, wenn Experten mit gutem Rat und schneller Tat zur Hand sind. In vielen Unternehmen wurden aus Kostengründen hauseigene Schadensanalyse- und qualitätssichernde Kapazitäten zurückgefahren, was es umso wichtiger macht, sich der Kompetenz externer Dienstleister zu versichern, die im Bedarfsfall detaillierter prüfen, als die üblichen Normen vorgeben. Schließlich kann es teuer und sehr ärgerlich werden, wenn innerhalb der Prozesskette auch nur ein kleines Bauteil nicht den Bedingungen entspricht, denen es im tatsächlichen Gebrauch ausgesetzt wird. Je anspruchsvoller das Einsatzfeld, desto dramatischer die möglichen Schadensfolgen – man denke nur an Beispielfälle aus der Luft- und Raumfahrt oder der Ölindustrie.

Professionelle Dienstleister bieten auch gutachterliche Unterstützung, sollte es darum gehen, die Verantwortlichkeiten im Regressfall zu klären. Wichtig ist eine Absicherung jedes einzelnen Glieds innerhalb der Prozesskette im Vorfeld, um Qualitätsmängel schon zu Beginn der Prozesskette auszuschließen und so größere Schäden erst nicht entstehen zu lassen. Die Elektronikindustrie und speziell die Baugruppenentwicklung und -fertigung sind davon besonders stark betroffen, denn sie liefern das Herzstück fast aller modernen Investitionsgüter. Die Branche muss sich mit immer neuen Materialien und deren Kombinationen (Stichwort Composites) in elektronischen Sandwichsystemen auseinandersetzen und diese ausreichend zertifizieren. Von Vorteil ist es, bereits Prototypen oder Null-Serien-Produkte zu testen, indem die Zeichnungsteile rechtzeitig angepasst werden, bevor sie in Serienproduktion gehen und erneut optimiert werden müssen. Der Bedarf an Testlabors, die anpassungsfähig auf Anforderungen des Marktes reagieren und Entwicklern wie Lieferanten im Schadensfall die nötige Unterstützung liefern, ist entsprechend gestiegen.

Besonders wichtig hierbei sind Testhäuser wie die Berliner TechnoLab GmbH, die nicht nur nach Standardnorm und -maß prüfen, sondern stets einen Schritt voraus sind und mit individuellen Lösungen aufwarten können. Die Mitarbeiter des Unternehmens vereinen mehr als 22 Jahre Erfahrung vor allem im Bereich der SMT, punkten aber auch durch besondere Expertise in Bereichen der Umweltsimulation (Stichworte Schadgastest, Resistive Fungus Test) oder mechanisch-physikalischen Belastungen (z. B. Sand- und Staub-Test), wo sie teils sogar eigene Normen entwickelten.

Komplexe Testszenarien

Für elektronische Baugruppen kann eine Vielzahl dieser Tests relevant sein, da die Baugruppen üblicherweise aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen. Der Einsatz von Composites und die stete Entwicklung neuer Strukturen erfordern eine Anpassung der Inspektionsverfahren. Beispielsweise werden durch optische Inspektion, metallographische Präparation sowie Materialanalytik Schwachstellen erkannt und dokumentiert. Das Unternehmen folgt den Vorgaben der Richtlinie VDI/VDE 3822 Blatt1 Schadensanalyse und bietet Tests nach allen gängigen Normen (DIN/EN/ISO/IEC/u. v. m.). Doch die Berliner gehen noch einen Schritt weiter: Die erforderlichen Verbesserungen werden gemeinsam mit dem Kunden durch konvergentes und einsatzgerechtes Engineering angepasst – ein Vorteil gegenüber vielen Testhäusern, die zwar die Ergebnisse der Prüfverfahren liefern, den Kunden damit jedoch alleine lassen.

Darüber hinaus profitiert der TechnoLab-Kunde von der Synergie, die aus den unterschiedlichen Kompetenzen in Schadenanalytik und Umweltsimulation entstehen können. Beispielsweise führt man zunächst eine thermische Belastung der Platine durch, bei der die Leiterplatte z. B. in einem Temperaturschockschrank einer Wechsellast ausgesetzt wird. Auf diese Weise erzielt man über einen bestimmten, im Vorfeld mit dem Kunden definierten Zeitraum hinweg eine künstliche Alterung. Im Anschluss erfolgt eine metallografische Auswertung mittels eines Schliffbilds. Um einen Querschnitt durch die verschiedenen Materialien einer elektronischen Baugruppe anzufertigen, wird eine Probe in Kunstharz gegossen und so lange geschliffen und poliert, bis die Zielebene erreicht ist und keine störenden Unebenheiten mehr vorhanden sind, die die mikroskopische Untersuchung verfälschen könnten. Nun lassen sich mit mehrstufigen, bis zu 1000-fachen Vergrößerungen mittels eines hochauflösenden Mikroskops alle Schichten bequem an einem hochauflösenden Bildschirm beurteilen. So werden Fehlerursachen erkennbar, die mit anderen Mitteln kaum zu finden sind. Ein Beispiel für typische Fehler sind sogenannte Corner Cracks, bei denen sich durch thermomechanische Überlast ein Riss in der Kupferschicht der PTH bildet. Die Überlast kann im Lötprozess oder während der thermomechanischen Wechsellast entstehen, die eine Expansion des Basismaterials zur Folge hat.

Die Parameter werden dabei zusammen mit dem Kunden abgestimmt, um die Belastung während des erwarteten Lebenszyklus der Baugruppe nachzustellen. Ursachen für Mängel sind vielschichtig und können z. B. durch Verunreinigungen während oder nach dem Herstellungsprozess der Platine, zum Beispiel durch fehlerhaftes Galvanisieren, entstehen.

Außerdem werden auch chemisch-biologische und chemisch-physikalische Untersuchungen in der Elektronikindustrie immer bedeutsamer. Neuere Analysemethoden und Geräte wie beispielsweise die Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR), bei der eine Spektralanalyse erstellt wird, um z. B. organische Reste von Stoffen wie Flussmitteln auf der Leiterplatte zu identifizieren, passen sich den steigenden Anforderungen an.

In den sicherheitsrelevanten Bereichen der Luftfahrtindustrie herrschen hohe Zertifizierungsstandards, die sicherstellen sollen, dass alle Komponenten eine gleichbleibende und allen Belastungen standhaltende Qualität besitzen. Beispielsweise kann schon die Lagerung ein Problem darstellen. Werden Leiterplatten der Kombination Nickel-Gold etwa über einen längeren Zeitraum hinweg unter Schadgas haltiger oder feuchter Atmosphäre gelagert, kommt es zu Alterungsprozessen, die in Folge zu Benetzungsstörungen führen können.

Schadeinflüsse im Flugzeug

Aber auch im in der finalen Anwendungsumgebung – in einem Flugzeug kann das die Klimaanlage, das Beleuchtungssystem oder auch die hochkomplexe Toilettenspülung sein – sind die elektronischen Produkte einer ganzen Reihe von Umweltbelastungen ausgesetzt. Da sind die extremen Temperatur- und Druckunterschiede und gleichzeitig die Feuchtigkeit, die kondensieren kann und damit die Korrosion elektronischer Bauteile fördert. So sind die gut ausgebildeten Mitarbeiter des Berliner Unternehmens in der Lage, dank ihrer Altitude-Kammer den Sink- bzw. Steigflug eines Fluggeräts zu simulieren. Dabei werden auch die Parameter Temperatur und Druck beachtet.

Aus allen genannten Gründen gehört der Temperaturwechsel-/Temperaturschock-Test sowohl im Bereich der Analytik als auch im Bereich der Umweltsimulation zum Standard-Portfolio in den Testszenarien für die Luftfahrttechnik.

Ein weiteres Beispiel im Flugzeug ist die Belastung durch Desinfektionsmittel, die im Passagierraum sowie im Frachtraum eingesetzt werden – etwa vor der Landung in Gebieten wie Australien, wo die Fauna und Flora vor dem Einschleppen von fremden Mikroorganismen geschützt werden soll. Daher müssen alle Gehäuse, Oberflächen sowie Elektronikbauteile resistent gegen die eingesetzten Chemikalien sein. Die Zahl der dazu verwendeten Mittel wächst ständig. Das Unternehmen aktualisiert daher ständig eine Aufstellung entsprechender Mittel, die neben Verwendungszweck und Herstellern auch Normverweise enthält. (Liste einsehbar unter https://www.technolab.de/de/umweltsimulationen/chemikalienliste.php)

Das Unternehmen passt die üblichen Standard-Prüfsysteme auf Kundenwunsch individuell an: So erstellen die Berliner in Eigenregie Spezialprüfstände zu Forschungszwecken, damit möglichst realitätsnahe Szenarien simuliert werden. Dazu gehören neben den bereits erwähnten Möglichkeiten zum Beispiel auch Kombinationen von Vibrationsprüfungen mit Klima oder Schadgastests, die weit über den Standard hinausgehen. Ziel dabei ist es, eine Vielzahl möglicher Schadeinflüsse zu testen. Die Erfahrungswerte mit Technologien in risikoreichen Einsatzbereichen wie der Luft- und Raumfahrt bilden im Übrigen nicht selten die Ausgangsbasis für Weiterentwicklungen in anderen Branchen wie der Automobilindustrie – und auch da profitiert die Elektronikfertigung von Erkenntnissen, die Unternehmen wie TechnoLab liefern. So können schon Entwickler den Produktentstehungsprozess (PEP) optimieren.

www.technolab.de

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