Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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  • Publication
    Qualifizierung eines inline Qualitätskontroll-Verfahrens zum Leitkleben von SMD-Baugruppen
    ( 2009)
    Gesang, T.
    ;
    Markus, S.
    ;
    Halberland, J.
    Bei vielen Verbindungstechniken spielt die Reinheit der Oberflächen eine entscheidende Rolle für die Qualität und die Zuverlässigkeit der resultierenden Verbindungen. Deshalb wurden am Beispiel des elektrisch isotrop leitfähigen SMD-Klebens (surface mounted devices) zwei derzeit bestehende Hemmnisse für eine qualitätsgesicherte Klebtechnik durch die folgenden Maßnahmen überwunden: Qualifizierung einer neuartigen inline-fähigen Oberflächenanalytik, die die Reinheit der Klebflächen direkt vor dem Kleben prüft. Technologische Bestimmung von Kontaminationsniveaus, die aussagen, welche Kontaminationen (Art, Menge) kritisch sind und welche unkritisch. Hierzu erfolgte zuerst die klassische oberflächenanalytische Charakterisierung der Leiterplatten. Dann folgte die Herstellung definiert kontaminierter Leiterplatten mit folgenden Chemikalien und Kontaminationsgraden von klein bis sehr hoch: Reiniger gegen Flussmittel und Trennmittel; Flussmittel; künstlicher Schweiß; Silikonöl. Als neuartige, inline-fähige Oberflächenanalytik wurde die Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ausgewählt. Das Gerät erfordert in der Nähe der zu untersuchenden Oberflächen nur einen geringen Platzbedarf. Zur Optimierung der Messbedingung sind die Anregungs- und Messparameter an die ausgewählten Leiterplattenwerkstoffe angepasst worden. Die Messzeit einer Einzelmessung lag im Bereich von einer Sekunde. Für die definiert kontaminierten Leiterplatten wurde ein Verfahren erarbeitet, mit dem ein im industriellen Betrieb zuverlässiger Einsatz möglich ist. In einem Sonderversuch wurden Fingerabdrücke auf den Leiterbahnmetallisierungen klar von sauberen Metallisierungen unterschieden. Zur technologischen Bestimmung von kritischen Kontaminationsgrenzen wurden SMD-Klebungen hergestellt. Dies waren 0603- und 1206-Bauelemente (0-Ohm-Widerstände) auf FR4- Leiterplatten. Dabei fanden drei unterschiedliche elektrisch isotrop leitfähige Klebstoffe Verwendung, die alle auf Epoxidharzen basierten. Auf den definiert kontaminierten Leiterplatten wurden insgesamt ca. 22700 Bauelemente verklebt. Vor und nach Alterungen wurden mittels 4-Punkt-Messung die elektrischen Kontaktwiderstände bestimmt, weiterhin die Abscherkräfte und -modi. Die Alterungen waren 200 h, 500 h und 1000 h Feuchteauslagerung (80 °C/85 % RH) bzw. 200, 500 und 1000 thermische Zyklen. Für 96 Einzelfälle wurden die kritischen Kontaminationsgrenzen bestimmt, die zu 12 Kontaminationsgrenzen für jede der 12 Kombinationen Klebstoff plus Kontaminationsart verallgemeinert wurden. Ein Vergleich dieser Kontaminationsgrenzen mit den Empfindlichkeiten bzw. Auflösungen der UBS bei den verwendeten Leiterbahnmetallisierungen und Kontaminationsarten erbrachte folgenden Schluß: Die LIBS lässt sich für die hier untersuchten Systeme sinnvoll zur Qualitätssicherung einsetzen, indem diese kritischen Kontaminationsgrenzen bei den Leiterplatten vor dem Verkleben Inline überwacht werden. Zum Einsatz der UBS als Qualitätskontrollverfahren sind im Bericht außerdem Aspekte zur Wartung und Reparatur von LIBS-Systemen, Sicherheitsaspekte sowie eine Verfahrenesvorschrift LIBS-Analyse als inline Qualitätskontroll-Verfahren zum Leitkleben von SMD-Baugruppen aufgeführt. LIBS wird häufig als quasi zerstörungsfrei bezeichnet. Technologische Untersuchungen (Abscherkräfte und Kontaktwiderstände nach Thermozyklen und warmer Feuchte) bestätigten, dass die LIBS-Analyse mit anschließendem Verkleben keine Unterschiede im Vergleich zu nicht mit LIBS analysierten Leiterplatten bewirkt.
  • Publication
    AFM investigations of the initial stages of prepolymer film growth on aluminium
    ( 1995)
    Gesang, T.
    ;
    Höper, R.
    ;
    Dieckhoff, S.
    ;
    Fanter, D.
    ;
    Hartwig, A.
    ;
    Possart, W.
    ;
    Hennemann, O.-D.
    A cyanurate prepolymer was applied to aluminium coated silicon wafers by adsorption out of solution. Film growth from the initial stages to closed films was studied by Atomic Force Microscopy (AFM). Sample preparation in the presence of external forces (spin coating) leads to film morphologies very different from adsorption near equilibrium (dip coating). The edge of the non closed films can be characterized by means of a borderline angle. The influence of specific prepolymer - substrate interactions, external forces and substrate topography is discussed. The formation of ultrathin, amorphous organic films on solids is studied for an application oriented model system. A prepolymer or a copolymer of a cyanate based high temperature adhesive is spin cast or dip coated onto silicon wafers or aluminium coatings to produce films as thin as possible. The mean thickness ranges from 1 - 4 nm. After a thorough substrate characterization by imaging and spectroscopic methods, the various films we re investigated by atomic force microscopy. Besides imaging, for discontinuous films atomic force microscopy was also utilized to measure the 'borderline angle' introduced in this paper. The borderline angle characterizes the slope of the surface of an isolated adsorbed organic object near the substrate. Thus, it is the geometric equivalent to the classical contact angle of a lying liquid drop. However, the phenomena leading to these angles are different. Nevertheless, the borderline angle is related to the affinity of the organic phase to the substrate an d thus will play an important role in future investigations of film formation and adhesion on the nanometer scale.
  • Publication
    Organic film formation investigated by atomic force microscopy on the nanometer scale
    ( 1995)
    Gesang, T.
    ;
    Höper, R.
    ;
    Dieckhoff, S.
    ;
    Schlett, V.
    ;
    Possart, W.
    ;
    Hennemann, O.-D.
  • Publication
    Imaging elastic sample properties with an atomic force microscope operating in the Tapping Mode
    ( 1995)
    Höper, R.
    ;
    Gesang, T.
    ;
    Possart, W.
    ;
    Hennemann, O.-D.
    ;
    Boseck, S.
    Many delicate samples cannot be imaged without artefacts by contact-mode AFM. However, tapping-mode AFM is well suited for topographic imaging of this kind of sample. When the delicate samples laterally consist of different ,material phases, ambiguities in the interpretation of the topographic image can occur. Unfortunately, at present for tapping-mode imaging there is no technique available for the acquisition of material-contrast images. In this paper we present a way for tapping-mode material-contrast imaging. The material property utilized is the differing deformability of distinct material phases. Therefore, the controlled elastic deformation of the sample in the tapping mode is the first investigation carried out in this study. The novel method of tapping-mode material-contrast imaging has been validated for two different kinds of samples, both consisting of hard substrates partially covered by deformable organic adsorbates. In both cases deformabilities could be measured and mat erial-contrast images have been acquired. The smallest visible adsorbed objects in the material-contrast images had a width of about 5 nm.
  • Publication
    Quantitative Erfassung von Oberflächentopographien
    ( 1995)
    Gesang, T.
    ;
    Höper, R.
    ;
    Possart, W.
    ;
    Hennemann, O.-D.
    Some applications of Atomic Force Microscopy in adhesion science and technology are presented. The essential advantage of AFM over mere imaging methods is the capability of quantitatively acquiring the topography of the sample surface. This in turn allows a number of useful quantitative evaluations of the surface. The examples described are fluorination and oxygen plasma treatment of a polypropylene foil for improvement of adhesion. Moreover it is evidenced that AFM can provide nanoscopic insight into adhesion phenomena by imaging the islands of adsorbed adhesive molecules. They show specific characteristics of their geometric shape depending on the kind of adhesive molecule and on the type of substrate.
  • Publication
    Prepolymer film growth by adsorption out of solution on silicon and aluminium. An atomic force microscope study
    ( 1995)
    Gesang, T.
    ;
    Höper, R.
    ;
    Dieckhoff, S.
    ;
    Hartwig, A.
    ;
    Possart, W.
    ;
    Hennemann, O.-D.
    A cyanurate prepolymer was applied to smooth silicon wafers or to distinctly structured aluminum coatings. The surface composition of the substrates was investigated by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Auger Electron Spectroscopy (AES) and Ellipsometry. The application methods, spin coating and dip coating represent adsorption by a technical process exerting significant shear stresses or nearly equilibrated conditions, respectively. The mean thickness of the prepolymer film was adjusted by variation of the concentration of the solution and checked by ellipsometry. Atomic Force Microscopy (AFM) monitored the development of the respective film morphologies of all 4 systems (silicon / aluminum, spin / dip coating) in the mean film thickness range from 1 to 50 nm.
  • Publication
    Comparative film thickness determination by atomic force microscopy and ellipsometry for ultrathin prepolymer films
    ( 1995)
    Gesang, T.
    ;
    Fanter, D.
    ;
    Höper, R.
    ;
    Possart, W.
    ;
    Hennemann, O.-D.
    Ellipsometry and Atomic Force Microscopy (AFM) were utilized to study the film thickness of continuous and discontinuous polymer films in the 1 to 20 nm thickness range on smooth silicon wafers and on structured aluminum substrates. The methods of exploiting AFM for thickness measurements with a high spatial resolution are described. For continuous films, the AFM method is a direct one, i.e. it does not rely on any model. There is excellent agreement between AFM and ellipsometry in the 1 to 10 nm thickness range. Very small systematic deviations in this range, but big deviations above 10 nm occur and are discussed. The film preparation method, spin coating, was characterized to result in prepolymer films with a very homogeneous thickness. Discontinuous films with 2 to 9 nm thickness were also evaluated by both methods of thickness determination. In this case, for one of the AFM approaches a model has to be utilised, too. The agreement between both methods ranged from very good to poor depending on the kind of sample and on the kind of AFM determination method
  • Publication
    AFM - Abbildung feinster Strukturen
    ( 1995)
    Gesang, T.
    ;
    Höper, R.
    ;
    Possart, W.
    ;
    Hennemann, O.-D.
    Atomic Force Microscopy allows novel investigations into birth and growth of ultrathin polymeric films. This bears relevance both for coatings and for adhesive bonding technology. The article describes the initial stages of prepolymeric film growth on silicon wafers and aluminum evaporation layers which have been selected for their application orientation. The prepolymer chosen is based on the dicyanate of bisphenole A and is a potential ingredient for high temperature adhesives. The initial stages of film growth have been accomplished by adsorption out of solution. The application techniques either realize adsorption with significant centrifugal forces ("Spin Coating`) or in nearly equilibrated condition ("Dip-Coating"). The investigations reveal the respective kind of growth which highly depends on the type of substrate and on the application technique.