Computer mit genügend Rechenleistung für die Mondmission – von einst raumfüllender Größe sind sie auf das Hosentaschenformat geschrumpft, das wir heute Smartphone nennen. Die Geschichte der Miniaturisierung ist fast so alt, wie die Elektronik selbst. Dieser Fortschritt basiert nicht zuletzt auch auf immer kompakteren Leiterplatten.
Einer der ältesten heute noch aktiven Leiterplattenhersteller der Welt ist die Graphic Gruppe. Gegründet wurde das Unternehmen von Rex Rozario, einem Protegé von Paul Eisler, dem Erfinder der Leiterplatte. In den letzten 50 Jahren hat Graphic deswegen die gesamte Entwicklung der Branche miterlebt und mitgestaltet – von frühen einseitigen Leiterplatten bis zu der modernen High-Density-Interconnect- Technologie, den besonders kompakten PCBs.
Die Multilayer-PCBs aus Devon im Süden Englands, kontrollieren heute Kraftwerke, retten Leben in medizinischen Geräten und verbinden in Satelliten Millionen Menschen auf der ganzen Welt miteinander. Graphic hat sich einen Namen mit erfolgskritischen PCBs gemacht – überwiegend High-End-Nutzer zählen zu den Kunden. Eine Branche, die besonders auf sehr zuverlässige Elektronik angewiesen ist, ist die Luftfahrt. Deswegen beliefert Graphic auch einige große Flugzeughersteller.
Hoch in der Luft könnte ein Fehler in der Elektronik viele Menschenleben kosten. Deswegen benötigen die High-End-Leiterplatten auch eine High-End-Beschichtung. Graphic setzt dabei auf das ENIG-Verfahren (Electroless Nickel Immersion Gold). Dabei wird die Leiterbahn aus Kupfer mit einer 3 – 6 μm dicken Schicht chemisch Nickel überzogen. Darüber wird im Immersionsverfahren 50 – 100 nm Gold abgeschieden. So beschichtete PCBs haben exzellente leitende Eigenschaften und lassen sich bis zur Bestückung gut lagern.
Die besten Ergebnisse erreicht man aber mit einer zusätzlichen Palladium-Beschichtung. Mit dem reduktiv abgeschiedenen Palladium als Zwischenschicht ist ENEPIG hervorragend geeignet für Gold- und Aluminiumdrahtbonden.
Qualitätssicherung im Wandel
Um zuverlässige Lötverbindungen und die besten Eigenschaften beim Lagern zu erreichen, müssen die Schichtdicken der verschiedenen Materialien gut aufeinander abgestimmt sein. Graphic ist ein bekannter Hersteller von erfolgskritischen Leiterplatten. Da sind die Erwartungen an die Qualität entsprechend hoch. „Fischer liefert uns die Messtechnik mit der nötigen Präzision, um die höchste Qualität unserer Produkte garantieren zu können“, sagt Paul Comer, Technical Director von Graphic.
Graphic schätzt auch die Zuverlässigkeit von Fischer Instrumenten. Bereits seit 20 Jahren ist ein XDL® System im Hauptquartier in Devon im Einsatz. Dank der guten Wartung hätte das Gerät auch weiterhin der Qualitätssicherung gute Dienste geleistet. Doch nun haben sich die Normbestimmungen verändert.
Die anspruchsvollen Kunden aus Luft- und Raumfahrt verlangen nicht nur sehr zuverlässige PCBs. Die Leiterplatten müssen auch sehr homogen sein. Damit alle nachfolgenden Verarbeitungsschritte reibungslos ablaufen können, müssen die Bauteile möglichst einheitlich sein. Deswegen reglementiert die neue IPC-Norm 4552 seit 2017 das ENIG-Verfahren sehr streng: Die Goldschicht darf nur eine Dicke zwischen 40 und 100 nm haben.
Erst unter solchen strengen Auflagen wird klar, wie wichtig leistungsfähige Messtechnik ist.
Um sicherzustellen, dass die festgelegten Norm-Grenzen von 40 und 100 nm auf jeden Fall eingehalten werden, werden beim Beschichtungsprozess noch engere Grenzen, z.B. 55 und 85 nm, angestrebt. Wie groß dieser eingeräumte „Sicherheitsabstand“ ist, hängt davon ab, wie konsistent der Beschichtungsprozess ist. Je unterschiedlicher die Beschichtungsdicke ausfällt, desto größer muss er sein, um die Norm- Vorgaben auf jeden Fall noch erfüllen zu können. In der Regel wird ein Abstand von 3 Standardabweichungen gewählt.
Die gemessene Standardabweichung hängt aber nicht nur vom Beschichtungsprozess selbst ab, auch die Messtechnik spielt eine Rolle. Wenn ein Gerät nicht ausreichend wiederholgenau ist, wird auch bei sehr konsistenter Beschichtung die Standardabweichung hoch ausfallen.
Aus diesem Grund macht es die neue Norm notwendig, die Qualität der Leiterplatten mit Röntgenfluoreszenz-Geräten mit Halbleiterdetektoren wie dem Silizium-Drift-Detektor (SDD) zu überwachen. Die Genauigkeit der früher gängigen Proportionalzählrohre reicht nicht mehr aus, um den Beschichtungsprozess zu kontrollieren.
Auf die Branche zugeschnitten
Mit der Aktualisierung der Norm im Blick hat Fischer das neue Röntgenfluoreszenz-Gerät XDAL® 237 SDD entwickelt und Ende 2016 veröffentlicht. Die SDD-Version des altbewährten Instrumentes macht die Handhabung von großen und flexiblen Leiterplatten bequem und einfach und erlaubt es, Schichten mit nur 100 nm Dicke zu analysieren.
Eines der ersten Geräte der neuen Serie nahm Graphic im Dezember 2016 in Betrieb. Vor der Auslieferung wurde das Gerät voreingestellt und individualisiert. Da Fischer die Anwendungen und Produkte von Graphic schon lange kannte, passte es auf Anhieb. „Das maßgeschneiderte Instrument passt perfekt in unseren Qualitätssicherungsprozess und hilft uns, unsere Produktion zu optimieren“, erklärt Paul Comer.
Auch nach der Installation setzen Graphic und Fischer weiterhin auf eine enge Zusammenarbeit. Paul Cave, Senior Application Manager bei Fischer, unterstützt Graphic bei ihren Messaufgaben. Das gemeinsame Ziel ist es, auch zukünftig mit den sich ändernden Anforderungen Schritt zu halten.
Außer den X-RAY-Geräten bietet Fischer auch weitere Spezial-Instrumente für die Leiterplatten-Industrie. Die verschiedenen Lagen von Multilayer-PCBs sind mit Durchkontaktierungsbohrungen verbunden. Um hier die Beschichtung zu prüfen, verwendet Graphic das PHASCOPE®.