Lötfehler-Ursachen erkennen: XPS-Sputter-Tiefenprofile zur Grenzflächen-Analyse
Die Photoelektronenspektroskopie bietet die Möglichkeit, die Zusammensetzung einer Probenoberfläche quantitativ zu analysieren. Werden solche Messungen mit dem kontrollierten Abtragen der Oberfläche durch Ionen kombiniert, entsteht ein Bild der quantitativen Zusammensetzung der oberflächennahen Schichten der Probenoberfläche, ein sogenanntes Tiefenprofil. Auf diese Weise lassen sich auch oberflächennahe Grenzflächen chemisch untersuchen.
Einleitung
Bei einer bestimmten Charge von Elektronikbauteilen traten hohe Ausschussraten durch Lötfehler auf. In dieser Fallstudie zeigen wir, wie mit XPS-Sputter-Tiefenprofilen die Ursache - Nickeloxid an der Ag/Ni-Grenzfläche - zweifelsfrei nachweisen konnten.
Die Lötkontakte der Bauteile bestanden aus einem Kupfersubstrat, einer etwa 2-3 µm dicken Nickelschicht und direkt an der Oberfläche einer etwa 200 nm dicken Schutzschicht aus Silber. Ein ähnlicher Aufbau liegt sowohl bei den zu verlötenden Elektronikbauteilen, wie auch bei der Platine, auf die die Bauteile aufgelötet werden sollen vor. Statt Silber könnten beispielsweise auch Zinn oder Gold-Kontakte zum Einsatz kommen.
Aufgabe der Silberschutzschicht ist es, eine Oxidation des Nickels zu verhindern. Während des Lötprozesses löst sich die Silberschicht dann im Lot und zwischen der Nickeloberfläche und dem zu verlötenden Partner kann eine Lötverbindung zustande kommen. Die Silberabdeckung dient dazu die Oxidation der Oberfläche des Nickels bis zu dem Lötprozess zu verhindern, da Nickeloxide schlecht lötbar sind.
Vergleichende Analyse von Bauteilen mit und ohne Lötprobleme
Aufgabe war es in diesem Fall die chemische Zusammensetzung des Nickels an der Silber/Nickel-Grenzfläche zu untersuchen. Dies wurde anhand eines Sputtertiefenprofils mit der Photoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Auf diese Weise kann die Silberschicht im Ultrahochvakuum des XPS-Messgerätes entfernt werden und der Oxidationszustand des Nickel unter der Silberschicht bestimmt werden.
Die folgende Abbildung zeigt das Ergebnis einer solchen Messung ein einem unauffälligen, gut lötbaren Referenzbauteil.
Die gleiche Messung wurde an Bauteilen aus der fehlerhaften Charge durchgeführt. Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Man erkennt deutlich, dass an der Grenzfläche zwischen Nickel und Silber Sauerstoff nachweisbar ist.
Analyse der Bindungszustände des Nickels an der Silber-Nickel-Grenzfläche
Dies deutet bereits darauf hin, das es hier zu einer Oxidbildung gekommen ist. Durch eine Detailanalyse des Nickelsignals konnte dies bestätigt werden. Die Detailanalyse erlaubt es zwischen metallischem Nickel und Nickeloxid eindeutig zu unterscheiden.
An der Nickel/Silber-Grenzfläche konnte so eindeutig Nickeloxid nachgewiesen werden. Das Nickeloxid führte dann zu einer deutlich schlechteren Lötbarkeit der Bauteile. Die Ursache war sehr wahrscheinlich eine zu lange Lagerdauer. Die Silberschicht stellt für Sauerstoff keine absolute Barriereschicht dar, sondern bremst nur die Oxidation des Nickels unter dem Silber. je nach Dicke und Aufbau der Silberschicht sowie der Lagerdauer der Bauteile kommt es so über längere Zeiträume trotzdem zur Oxidation des Nickels. Mit der XPS kann diese Oxidation nachgewiesen und quantitativ bewertet werden.
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