CT-Inspektion von elektronischen Bauelementen und -gruppen

Quelle: © Mittelstand-Digital Zentrum Ilmenau

Elektronische Baugruppen und -elemente, die in einer durch Medien (z.B. Wasser, Kühlschmierstoffen, …) belasteten Umgebung eingesetzt werden müssen, bedürfen zumeist eines zusätzlichen Schutzes. Maßnahmen hierfür sind u.a. das Einbetten der einzelnen Komponenten oder des Gesamtsystems mit Harz oder Kunststoff. Das bedeutet jedoch, dass der innere Bereich im sichtbaren Wellenlängenbereich nach dem Einbetten nicht mehr visuell erfassbar ist. Um jedoch eine Qualitätskontrolle von den eingebetteten Baugruppen und -elementen stichprobenartig durchführen zu können, müssen Methoden eingesetzt werden, die es ermöglichen auch Fehler, wie beispielsweise Kontaktunterbrechungen von Löt- und Bondverbindungen, sicher detektieren zu können. Hierbei bietet sich die Computertomografie an, wie sie aus dem Bereich der Medizin schon lange bekannt ist.

Problemstellung

Die Herausforderungen bei dem Einsatz der Computertomografie bestehen für die Inspektion von elektronischen Bauelementen- und Baugruppen einerseits darin, dass diese möglichst optimal mechanisch für die Aufnahmen mit den Röntgenstrahlen aus den verschiedensten Richtungen auf einen Träger befestigt werden, um aus den Absorptionswerten der Röntgensignale, die durch das Prüfobjekt treten, digital die Schnittbilder berechnen zu können. Andererseits besteht die Herausforderung in der Ermittlung der geeigneten Parameter (Energie, Zeit, …), um aufgrund der Materialeigenschaften bzw. -kennwerte der einzelnen Komponenten der elektronischen Baugruppen, die Informationen aus dessen Innenbereich mit der notwendigen Messunsicherheit auch ermitteln zu können.

Zielsetzung

In Abstimmung mit den beteiligten Industriepartnern des Umsetzungsprojektes, einem Leiterplattenhersteller und -bestücker sowie einem Dienstleister für die Computertomografie, wurden Platinen mit elektronischen Bauelementen bestückt. Für die Realisierung der notwendigen Kontaktverbindungen für die Bauelemente wie auch der Stecker wurden sowohl Löt- als auch Bondverbindungen verwendet. Die Einbettung der Baugruppen erfolgte ebenfalls durch den Leiterplattenhersteller. Danach schlossen sich die Vorbereitungen für die Bildaufnahmen mit dem Computertomografen durch den Dienstleister an. Das betraf die mechanische Befestigung der Baugruppe auf einem Träger und die Ermittlung der einzustellenden Parameter für die Röntgenaufnahmen aus den verschiedensten Richtungen unter Berücksichtigung der Materialkennwerte der einzelnen Komponenten der elektronischen Baugruppe.

Lösung

Zur Inspektion des visuell nicht sichtbaren Bereiches der eingebetteten elektronischen Bauelemente und -gruppen wurde die computertomografische Volumenmesstechnik durch den Industriepartner eingesetzt. Damit können sowohl die inneren als auch die äußeren Strukturen der Prüfobjekte erfasst werden. Das Prüfobjekt wird zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor platziert. Für den Computertomografie-Scan wird das Objekt um 360° gedreht. Während der Drehung werden mittels der Röntgenstrahlen zweidimensionale Durchstrahlungsbilder vom Detektor aufgezeichnet. Anschließend wird mittels Computer aus den erfassten Durchstrahlungsbildern das Bauteil als 3D-Volumenmodell berechnet. Aus diesem Volumenmodell werden dann die Oberflächendaten erzeugt, welche die Basis für die nachfolgenden Auswertungen zur Ermittlung der Qualitätsmerkmale der elektronischen Baugruppe hinsichtlich der elektrischen Löt- und Bondverbindungen darstellt.

Vorteile dieser Lösung

Alle Messpunkte der elektronischen Baugruppe werden berührungslos erfasst und damit können die innenliegenden Strukturen und interessierenden Qualitätsmerkmale bestimmt werden. In Abhängigkeit der geometrischen Größe der zu inspizierenden elektronischen Baugruppen können diese nahe der Röntgenquelle oder in der Nähe des Detektors platziert werden. Durch die jeweils genutzte Vergrößerung können kleinste Details (im µm-Bereich) aufgelöst werden.