DE102017203765B4 - Method for determining mechanical stresses in substrates or circuit carriers that are formed with a ceramic material - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung von mechanischen Spannungen in Substraten oder Schaltungsträgern (3), die mit einem keramischen Werkstoff gebildet sind, bei dem
ein von einer Laserquelle (2) emittierter Laserstrahl auf einen Oberflächenbereich eines zu untersuchenden Substrats gerichtet und mit einem zur ortsaufgelösten Erfassung ausgebildeten Detektor(1a) von der bestrahlten Oberfläche reflektierte und gestreute elektromagnetische Strahlung in Form eines Speckle-Musters erfasst wird; wobei die Erfassung von Speckle-Mustern zu einer ersten und mindestens einer zweiten nachfolgenden Zeit erfasst werden oder
eine statische Erfassung einer Abbildung eines erfassten Speckle-Musters zumindest eines Bereiches, der mit elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, auf seine Eigenschaften überprüft und dabei charakterisiert sowie parametrisiert wird, wenn die Auswertung mit einer Korrelationsfunktion mit einer Grauwertübertragungsmatrix durchgeführt wird, und
die mit dem optischen Detektor (1) erfassten Daten einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt werden und
in der elektronischen Auswerteeinheit ein Vergleich mit in einem elektronischen Speicher gespeicherten durch eine Kalibrierung erhaltenen Speckle-Mustern durchgeführt und mit dem Vergleich die jeweilige mechanische Spannung des keramischen Werkstoffs zumindest im Bereich der bestrahlten Oberfläche des Substrats bestimmt wird und
ein Substrat (3), das an seiner Oberfläche metallische Schichten aufweist, mit denen elektrische Leiterbahnen oder elektrische Anschlusskontaktstellen gebildet sind, in einem Bereich der Oberfläche des Substrats untersucht werden, wobei die Untersuchung in einem Bereich, in dem eine metallische Schicht ausgebildet ist und/oder in einem Bereich, der unmittelbar neben einer metallischen Schicht angeordnet ist, durchgeführt wird.
Method for determining mechanical stresses in substrates or circuit carriers (3), which are formed with a ceramic material, in which
a laser beam emitted by a laser source (2) is directed onto a surface area of a substrate to be examined and electromagnetic radiation reflected and scattered by the irradiated surface is detected in the form of a speckle pattern using a detector (1a) designed for spatially resolved detection; wherein the detection of speckle patterns is detected at a first and at least a second subsequent time, or
a static detection of an image of a detected speckle pattern of at least one area that is illuminated with electromagnetic radiation is checked for its properties and thereby characterized and parameterized if the evaluation is carried out with a correlation function with a gray value transfer matrix, and
the data recorded by the optical detector (1) are fed to an electronic evaluation unit and
in the electronic evaluation unit, a comparison is made with speckle patterns stored in an electronic memory and obtained through a calibration, and the respective mechanical stress of the ceramic material is determined at least in the area of the irradiated surface of the substrate with the comparison and
a substrate (3) which has metallic layers on its surface with which electrical conductor tracks or electrical connection contact points are inspected in an area of the surface of the substrate, the inspection being performed in an area where a metallic layer is formed and/or in an area located immediately next to a metallic layer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von mechanischen Spannungen in Substraten oder Schaltungsträgern, die mit einem keramischen Werkstoff gebildet sind.The invention relates to a method for determining mechanical stresses in substrates or circuit carriers that are formed with a ceramic material.
Leistungselektronische Baugruppen werden üblicherweise auf Basis keramischer Schaltungsträger umgesetzt. Die in der Regel flächig ausgebildeten Schaltungsträger sind mit strukturierten metallischen Leiterbahnen und Kontaktanschlussflächen versehen, um die elektronischen Bauelemente miteinander elektrisch oder thermisch und mechanisch zu verbinden. Aufgrund der Verbindungen, die mit unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, entstehen mechanische Spannungen in den aus keramischen Werkstoffen gebildeten Substraten oder Trägern, die bei Überbeanspruchung zu Rissen führen. Überbeanspruchungen treten infolge des Herstellungsprozesses in den Keramik-Metallverbünden, bei der Herstellung der Leistungsmodule oder durch Betriebslasten bei der Nutzung auf. Die Risse verlaufen i.d.R. in der Keramik und trennen im Wesentlichen die Metallisierungen von der Keramik. Dadurch entstehen entweder unmittelbar oder zu einem späteren Zeitpunkt Defekte, die den Funktionsausfall der Baugruppe zur Folge haben können. Im Rahmen einer Prüfung von mechanischen Eigenspannungen ist einerseits der Funktionsausfall im Betrieb der Baugruppe zu vermeiden und andererseits sind Kosten einzusparen, wenn frühzeitig im Wertschöpfungsprozess der Produktion die kritischen keramischen Substrate oder Schaltungsträger identifiziert und aussortiert werden können.Power electronic assemblies are usually implemented on the basis of ceramic circuit carriers. The circuit carriers, which are generally flat, are provided with structured metallic conductor tracks and contact pads in order to connect the electronic components to one another electrically or thermally and mechanically. Due to the connections that are formed with different materials, mechanical stresses arise in the substrates or carriers formed from ceramic materials, which lead to cracks when overstressed. Overstressing occurs as a result of the manufacturing process in the ceramic-metal composites, during the manufacture of the power modules or as a result of operating loads during use. The cracks usually run in the ceramic and essentially separate the metallization from the ceramic. As a result, defects arise either immediately or at a later point in time, which can result in the functional failure of the assembly. When testing internal mechanical stresses, functional failures during operation of the assembly must be avoided on the one hand and costs saved on the other if the critical ceramic substrates or circuit carriers can be identified and sorted out early in the production value-added process.
Die Schaltungsträger sind üblicherweise Verbundwerkstoffe aus mindestens einem keramischem Substrat bzw. Schaltungsträger (z.B. Al2O3, AIN, Si3N4 u.a.) und auf Oberflächen ausgebildeten metallischen Schichten (z.B. Cu, AI, Ni, u.a.), die elektrische Leiterbahnen und elektrische Anschlusskontakte bilden. Der Schichtaufbau wird unter Druck und sehr hohen Temperaturen gesintert und anschließend abgekühlt. Die unterschiedlichen physikalischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Partner Keramik und des Metalls führen zu mechanischen Schichtspannungen, die insbesondere im Füge- bzw. Grenzflächenbereich auftreten. Weitere Aufbauten, z.B. elektronische Bauelemente, Kühlkörperanschlüsse oder Gehäuse, die montiert werden, führen zur Veränderung der Eigenspannungszustände in den Fügebereichen.The circuit carriers are usually composite materials made of at least one ceramic substrate or circuit carrier (e.g. Al2O3, AlN, Si3N4, etc.) and metallic layers (e.g. Cu, Al, Ni, etc.) formed on surfaces, which form electrical conductor tracks and electrical connection contacts. The layer structure is sintered under pressure and very high temperatures and then cooled. The different physical thermal expansion coefficients of the partner ceramics and the metal lead to mechanical layer stresses, which occur in particular in the joint or interface area. Other structures, e.g. electronic components, heat sink connections or housings, which are assembled, lead to changes in the residual stress states in the joining areas.
Typische Schaltungsträgertypen sind: DCB - Direct Copper Bondings, AMB - Aluminium Metall Brazing, DAB - Direct Aluminium Bondings.Typical circuit carrier types are: DCB - Direct Copper Bondings, AMB - Aluminum Metal Brazing, DAB - Direct Aluminum Bondings.
Um Aussagen zur Zuverlässigkeit des Schichtverbunds zwischen Metall und Keramik zu erhalten, werden gegenwärtig sehr zeit- und kostenaufwändige Tests durchgeführt. Mit passiven Zyklen und Ultraschallmessungen ist man in der Lage, bereits ausgebildete Risse zu detektieren und die weitere Rissentwicklung zu verfolgen. Dabei werden Schaltungsträger in Temperaturwechselöfen für mehrere Tage bis Wochen zyklischen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Nach bestimmten Zeitabständen erfolgen Entnahmen der Schaltungsträger und eine Ultraschallprüfung. Mittels eines sequentiell rasternden Ultraschallmesskopfs werden die im Wasserbad befindlichen Schaltungsträger geprüft. Dabei werden Ultraschallwellen in das Objekt eingekoppelt und die an Grenzflächen des Schichtaufbaus reflektierten Ultraschallwellen detektiert und ausgewertet. Zusätzliche Echos der reflektierten Ultraschallwellen treten in Erscheinung, wenn Risse oder Delaminationen aufgetreten sind. Es handelt sich also um ein zerstörendes Verfahren, da man die Risse erzeugen muss, um erhöhte mechanische Eigenspannungen nachweisen zu können.Very time-consuming and costly tests are currently being carried out in order to obtain information on the reliability of the layer bond between metal and ceramic. With passive cycles and ultrasonic measurements, it is possible to detect cracks that have already formed and to monitor further crack development. In this case, circuit carriers are exposed to cyclic temperature fluctuations in temperature change ovens for several days or weeks. After certain time intervals, the circuit carriers are removed and an ultrasonic test is carried out. The circuit carriers in the water bath are tested using a sequential scanning ultrasonic measuring head. Ultrasonic waves are coupled into the object and the ultrasonic waves reflected at the boundary surfaces of the layered structure are detected and evaluated. Additional echoes of the reflected ultrasonic waves appear when cracks or delaminations have occurred. It is therefore a destructive process, since the cracks have to be created in order to be able to demonstrate increased internal mechanical stresses.
Ein bekanntes Messverfahren zur optischen Bestimmung von Verzerrungen ist die Grauwertanalyse mittels Digitaler Abbildungskorrelation (Digitale Image Correlation). Dabei werden die Verformungen anhand von Mustern, die das Prüfobjekt bieten muss, bildlich erfasst. Eine Auswertung einer aufgetretenen Verzerrung des jeweiligen Musters führt zu einem Verformungsfeld, mit dessen Hilfe sich mechanisch Dehnungen erkennen lassen. Der wesentliche Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass grundlegend ein Muster vorhanden sein muss und es sich innerhalb der Verzerrung des Objekts nur geringfügig verändern darf. Es besteht das Risiko, dass die Musterwiedererkennung versagt und keine Verformungsfeldbestimmung erfolgen kann. Vertreter sind hier MicroDac oder das ARAMIS-System. Wobei das ARAMIS auf eine zusätzliche Oberflächenfärbung des Prüfobjekts angewiesen ist.A well-known measuring method for the optical determination of distortions is gray value analysis using digital image correlation. The deformations are recorded using samples that the test object must provide. An evaluation of a distortion that has occurred in the respective pattern leads to a deformation field that can be used to identify mechanical strains. The main disadvantage of the method is that there must be a basic pattern and it can only change slightly within the distortion of the object. There is a risk that the pattern recognition will fail and no deformation field determination can be made. Representatives here are MicroDac or the ARAMIS system. The ARAMIS relies on an additional surface coloring of the test object.
Als weiteres hochsensitives, optisches Verfahren zur Bestimmung von Spannungsveränderungen ist die Moire-Interferometrie bekannt. Das Messverfahren basiert auf einer Zweistrahl-Speckle-Interferometrie. Für die Berechnung der Spannungen werden hochaufgelöste interferometrische Gitter-Muster (Fringes) genutzt. Das Verfahren berechnet den Verschiebungs-/Dehnungsfeld-Faktor, mit dessen Hilfe die Umrechnung in die Spannungswerte erfolgt. Dazu vergleicht das Verfahren den Oberflächenzustand in einem un- und einem belasteten Zustand. Es müssen also Kräfte auf ein zu untersuchendes Objekt ausgeübt werden, die zu einer Verformung und damit einer möglichen Schädigung des jeweils untersuchten Objekts führen können.Moire interferometry is known as another highly sensitive, optical method for determining voltage changes. The measuring method is based on a two-beam speckle interferometry. High-resolution interferometric grid patterns (fringes) are used to calculate the stresses. The method calculates the displacement/strain field factor, which is used to convert to stress values. To do this, the method compares the surface condition in an unloaded and loaded condition. Forces must therefore be exerted on an object to be examined which can lead to deformation and thus possible damage to the object examined in each case.
So sind aus
Von Bing Pan, u.a. sind aus „Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: a review“; 2009 Meas. Sci. Technol. 20 062001 Möglichkeiten zur Bestimmung von Spannungen beim Verbiegen von Proben bekannt.From Bing Pan, et al. are from "Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: a review"; 2009 Meas. science technol. 20 062001 known ways of determining stresses when bending samples.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die zerstörungsfreie Bestimmung mechanischer Spannungen an Schaltungsträgern, die aus einem Substrat mit an Oberflächen ausgebildeten Schichten, die elektrische Leiterbahnen und/oder elektrische Anschlusskontakte für elektrische oder elektronische Bauelemente bilden, anzugeben, die einfach in kurzer Zeit, mit ausreichender Messgenauigkeit und geringem Aufwand durchgeführt werden können.It is therefore the object of the invention to specify possibilities for the non-destructive determination of mechanical stresses on circuit carriers, which consist of a substrate with layers formed on the surfaces, which form electrical conductor tracks and/or electrical connection contacts for electrical or electronic components, which can easily be carried out in a short time, can be carried out with sufficient measurement accuracy and little effort.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen angegebenen Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a method having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird so vorgegangen, dass ein von einer Laserquelle emittierter Laserstrahl auf einen Oberflächenbereich eines zu untersuchenden Substrats gerichtet und mit einem zur ortsaufgelösten Erfassung ausgebildeten Detektor von der bestrahlten Oberfläche reflektierte und gestreute elektromagnetische Strahlung in Form eines Speckle-Musters zu einer ersten und mindestens einer zweiten nachfolgenden Zeit erfasst werden. Die mit dem optischen Detektor erfassten Daten werden einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt und in der elektronischen Auswerteeinheit wird ein Vergleich mit in einem elektronischen Speicher gespeicherten durch eine Kalibrierung erhaltenen Speckle-Mustern durchgeführt. Mit dem Vergleich wird dann die jeweilige mechanische Spannung des keramischen Werkstoffs zumindest im Bereich der bestrahlten Oberfläche des Substrats bestimmt.In the method according to the invention, the procedure is such that a laser beam emitted by a laser source is directed onto a surface area of a substrate to be examined and, with a detector designed for spatially resolved detection, reflected and scattered electromagnetic radiation from the irradiated surface in the form of a speckle pattern to a first and at least a second subsequent time. The data recorded with the optical detector is supplied to an electronic evaluation unit and a comparison is carried out in the electronic evaluation unit with speckle patterns obtained by calibration and stored in an electronic memory. With the comparison, the respective mechanical stress of the ceramic material is then determined at least in the area of the irradiated surface of the substrate.
Erfolgt die Auswertung mit einer Korrelationsfunktion oder mit einer Grauwertübergangsmatrix (GLCM), wird eine statische Erfassung einer Abbildung eines erfassten Speckle-Musters zumindest eines Bereiches, der mit elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, möglich und so auf seine Eigenschaften überprüft und dabei charakterisiert sowie parametrisiert. Der mit einer der Gleichungen (2) bis (7) berechnete Parameter wird mittels einer vorab ermittelten Kalibrierungsfunktion verglichen und aus dem Vergleich der Wert der jeweiligen mechanischen Spannung bestimmt. Bei einer statischen Erfassung ist keine zeitaufgelöste Detektion erforderlich und es reicht die Detektion zu einem einzigen Zeitpunkt.If the evaluation is carried out with a correlation function or with a gray value transition matrix (GLCM), a static detection of an image of a detected speckle pattern of at least one area that is illuminated with electromagnetic radiation is possible and its properties are checked and thereby characterized and parameterized. The parameter calculated using one of the equations (2) to (7) is compared using a previously determined calibration function and the value of the respective mechanical stress is determined from the comparison. Static acquisition does not require time-resolved detection and detection at a single point in time is sufficient.
Bei den gespeicherten, durch eine Kalibrierung erhaltenen Speckle-Mustern sollte es sich um solche Speckle-Muster handeln, die unter gleichen Bedingungen ermittelt worden sind, wobei parallel dazu die jeweiligen mechanischen Eigenspannungen mit einem anderen Messverfahren ermittelt worden sind und den jeweiligen bei der Kalibrierung erfassten Speckle-Mustern zugeordnet worden sind. So können bei einer erkannten ausreichenden Übereinstimmung von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfassten Speckle-Mustern mit entsprechend bei einer Kalibrierung an einer Probe aus dem gleichen oder einem vergleichbaren Material erfassten Speckle-Mustern die jeweiligen mechanischen Eigenschaften der mit der Erfindung untersuchten Probe in Form eines Substrats oder Schaltungsträgers zugeordnet werden.The stored speckle patterns obtained through a calibration should be speckle patterns that have been determined under the same conditions, with the respective mechanical internal stresses having been determined in parallel with a different measurement method and the respective detected during the calibration have been assigned to speckle patterns. Thus, if there is sufficient agreement between the speckle patterns detected by the method according to the invention and the speckle patterns detected during a calibration on a sample of the same or a comparable material, the respective mechanical properties of the sample examined with the invention in the form of a substrate or Circuit carrier are assigned.
Bei der Kalibrierung sollten gleiche Werkstoffe oder Werkstoffverbünde, gleiche Energieeinträge und Speckle-Muster, die zu jeweils gleichen Zeiten nach dem Energieeintrag detektiert und gespeichert worden sind, bei der Bestimmung der mechanischen Eigenspannungen der jeweiligen untersuchten Probe (Substrat, Schaltungsträger) berücksichtigt werden. Es sollten auch gleiche Beleuchtungsbedingen und gleiche Einstellungen an dem zur ortsaufgelösten Erfassung ausgebildeten Detektor eingehalten sein.During the calibration, the same materials or composites, the same energy inputs and speckle patterns, which were detected and stored at the same times after the energy input, should be taken into account when determining the internal mechanical stresses of the respective sample examined (substrate, circuit carrier). The same lighting conditions and the same settings should also be maintained on the detector designed for spatially resolved detection.
Es können natürlich mehr als zwei in einem zeitlichen Abstand nacheinander erfasste Speckle-Muster bei einer zeitaufgelösten Detektion berücksichtigt werden. Dies kann bis zu einem Verlauf, also einer Erfassung einer Vielzahl von Speckle-Mustern, die in kleinen Zeitabständen nacheinander erfasst werden, durchgeführt werden, so dass quasi eine Erfassung ähnlich, wie bei einem Film durchgeführt werden kann. Bei der Auswertung mittels GLCM genügt eine einzige Detektion zu einem Zeitpunkt.Of course, more than two speckle patterns detected one after the other at a time interval can be taken into account in a time-resolved detection. This can be carried out up to a course, ie a detection of a large number of speckle patterns that are detected one after the other at small time intervals, so that a detection can be carried out in a manner similar to that of a film. When evaluating using GLCM, a single detection at a time is sufficient.
Der Energieeintrag kann vor oder während der Erfassung von Speckle-Mustern in den Werkstoff des jeweiligen Substrats erfolgen. Ein Energieeintrag kann insbesondere durch eine elastische Verformung am Substrat und/oder eine thermische Anregung, die beispielsweise durch eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, die bevorzugt pulsförmig durchgeführt wird, erreicht werden.The energy input can take place before or during the detection of speckle patterns in the material of the respective substrate. An energy input can be achieved in particular by elastic deformation of the substrate and/or thermal excitation, for example by irradiation with electromagnetic radiation, which is preferably carried out in pulsed form.
Der Energieeintrag kann bevorzugt durch Einwirkung von mechanischer Spannung oder durch einen fokussierten Laserstrahl erfolgen, mit dessen von der jeweiligen Oberfläche reflektierten und auf den optischen Detektor auftreffenden Strahlung auch die Speckle-Muster erfasst werden. Während der Zeit in dem der Energieeintrag erfolgt, sollte dabei eine Leistungsdichte im Brennfleck eingehalten werden, die größer ist als in Zeiten in denen eine Erfassung von Speckle-Mustern mit dem optischen Detektor durchgeführt wird. Dies kann mit einer entsprechenden Strahlformung, bei der die Größe der Fläche des Brennflecks während der Zeit des Energieeintrags kleiner ist, als während der Zeiten in denen Speckle-Muster erfasst und für die Bestimmung der mechanischen Eigenspannungen genutzt werden. Dies kann durch einfache Änderung der Brennweite durch eine translatorische Bewegung mindestens einer optischen Linse, die im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist, erreicht werden. Dabei kann die Laserleistung konstant gehalten werden.The energy input can preferably by the action of mechanical stress or done by a focused laser beam, with the radiation reflected from the respective surface and impinging on the optical detector, the speckle patterns are also detected. During the time in which the energy input takes place, a power density in the focal spot should be maintained that is greater than during the times when speckle patterns are being detected with the optical detector. With a corresponding beam shaping, in which the size of the area of the focal spot is smaller during the time of energy input, than during the times in which speckle patterns are detected and used to determine the internal mechanical stresses. This can be achieved by simply changing the focal length by a translational movement of at least one optical lens that is arranged in the beam path of the laser beam. The laser power can be kept constant.
Als optischer Detektor kann eine CCD- oder eine CMOS-Kamera eingesetzt werden.A CCD or CMOS camera can be used as an optical detector.
Bei der Erfindung werden Substrate, die an ihrer Oberfläche metallische Schichten, mit denen bevorzugt elektrische Leiterbahnen oder elektrische Anschlusskontaktstellen gebildet sind, in einem Bereich der Oberfläche des Substrats untersucht. Dabei wird die Untersuchung in einem Bereich, in dem eine metallische Schicht ausgebildet ist und/oder in einem Bereich, der unmittelbar neben einer metallischen Schicht angeordnet ist, durchgeführt. Dabei kann ein Bereich unmittelbar neben einer metallischen Schicht einen Abstand von bis zu 2 mm aufweisen.In the invention, substrates that have metallic layers on their surface, with which electrical conductor tracks or electrical connection contact points are preferably formed, are examined in a region of the surface of the substrate. In this case, the examination is carried out in an area in which a metallic layer is formed and/or in an area which is arranged directly next to a metallic layer. In this case, an area directly next to a metallic layer can have a distance of up to 2 mm.
Die Bestimmung von mechanischen Eigenspannungen in den metallkeramischen Schaltungsträgern oder reinen keramischen Substraten erfolgt dabei mittels der Laser-Speckle-Photometrie. Dies ist ein laseroptisches, berührungsloses und schnelles Messverfahren, mit dem geometrische Verzerrungen von Oberflächen berührungslos und zerstörungsfrei erfasst werden können. Eine dabei nutzbare geometrische Verzerrung an der Oberfläche kann durch einen Energieeintrag, der insbesondere durch mechanische Verformung oder auch durch Erwärmen hervorgerufen werden kann, initiiert werden. Eine lokal begrenzte Erwärmung kann mit einem von einer Strahlungsquelle emittierten und bevorzugt fokussiert auf eine Oberfläche des Schaltungsträgers gerichteten Laserstrahl erreicht werden. Durch Reflexion der Laserstrahlung und die spezifische Oberflächenrauigkeit bildet sich ein sich veränderndes Speckle-Muster aus. Es handelt sich dabei dann um ein Einstrahl-Speckle-Verfahren ohne interferometrische Erzeugung von Mustern (Fringes). Die gestreute und von der bestrahlten Oberfläche reflektierte Laserstrahlung mit dem ausgebildeten Speckle-Muster wird mit einer CCD-Kamera als geeigneter optischer Detektor ortsaufgelöst und zu bestimmten Zeiten erfasst und digitalisiert. Im Gegenteil zur Digitalen Abbildungskorrelation wird nicht ein bestimmtes Speckle-Muster auf der Oberfläche verfolgt oder seine Verformung beobachtet, sondern es wird ein Vergleich mindestens zweier vollständig unterschiedlicher, durch äußere Zustandsänderungen hervorgerufener stochastischer Speckle-Muster anhand der räumlichen Beziehung eines Punktes zu Nachbarpunkten durchgeführt. Oder es wird die Güte des Speckle-Musters anhand der Bildverarbeitungslogarithmen aus einer statischen Abbildung des detektierten Oberflächenbereichs entnommen.The determination of internal mechanical stresses in the metal-ceramic circuit carriers or purely ceramic substrates is carried out using laser speckle photometry. This is a laser-optical, non-contact and fast measuring method with which geometric distortions of surfaces can be recorded non-contact and non-destructively. A geometric distortion on the surface that can be used here can be initiated by an energy input, which can be caused in particular by mechanical deformation or also by heating. Locally limited heating can be achieved with a laser beam which is emitted by a radiation source and is directed preferably in a focused manner onto a surface of the circuit carrier. A changing speckle pattern forms as a result of the reflection of the laser radiation and the specific surface roughness. It is then a single-beam speckle method without interferometric generation of patterns (fringes). The scattered laser radiation reflected from the irradiated surface with the formed speckle pattern is spatially resolved using a CCD camera as a suitable optical detector and recorded and digitized at specific times. In contrast to digital image correlation, a specific speckle pattern on the surface is not tracked or its deformation observed, but a comparison of at least two completely different stochastic speckle patterns caused by external state changes is carried out based on the spatial relationship of a point to neighboring points. Or the quality of the speckle pattern is taken from a static image of the detected surface area using the image processing logarithms.
Mit den detektierten Speckle-Mustern und deren Veränderung durch äußere Zustandsänderungen können systematische Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenspannungen zumindest im Werkstoff des Schaltungsträgers getroffen werden. Dazu sind Kalibrierungen erforderlich, die eine Korrelation zwischen der jeweiligen mechanischen Eigenspannung und den ortsaufgelöst detektierten Laser-Speckle-Signalen berücksichtigen. Die ortsaufgelöst erfassten und digitalisierten Speckle-Muster-Signale können mittels diverser Bildverarbeitungsalgorithmen ausgewertet werden. Geeignete Bildverarbeitungslogarithmen sind:
- a) Histogramm -Anisotropie, Entropie
- b) Grauwertübergangsmatrix - Energie zweiter Ordnung, Kontrast, Homogenität, Korrelation
- c) Bildintensität - Mittelwert, Standardabweichung
- d) Differenz-Korrelationsfunktion (Aussagen über den zeitlichen Zusammenhang der stochastischen Intensitätssignale)
- a) Histogram -anisotropy, entropy
- b) Gray level transition matrix - second order energy, contrast, homogeneity, correlation
- c) Image intensity - mean, standard deviation
- d) Difference correlation function (statements about the temporal relationship of the stochastic intensity signals)
Nachfolgend sollen die genannten vier dazu geeigneten Bildverarbeitungsalgorithmen näher erläutert werden.The four image processing algorithms mentioned that are suitable for this purpose are explained in more detail below.
Die dynamische Auswertung kann auf der Grundlage der Auswertung von zu mehreren Zeitpunkten nacheinander detektierten Oberflächenbereichsabbildungen eines beleuchteten Oberflächenbereichs durchgeführt werden. Die zeitlich aufgelöst detektierte Intensität kann durch die Korrelationsfunktion (1) auf deren statistische Eigenschaften hin untersucht werden.
Neben der Auswertung der Korrelationsfunktion des Zeitsignals des stochastischen Signals kann die Erfassung von Speckle-Mustern der jeweiligen Probe mithilfe von Bildverarbeitungsmethoden zur Texturanalyse (cooccurrence matrix bzw. Grauwertübergangsmatrix) charakterisiert und zur Bewertung des jeweiligen mechanischen Spannungszustandes des jeweiligen Substrats verwendet werden. Dazu gehören die folgenden Kenngrößen:
- Energie:
- Homogenität:
- Kontrast:
- Korrelation:
mit
- Energy:
- Homogeneity:
- Contrast:
- Correlation:
With
Zusätzlich kann die Entropie des Histogramms einer statischen Abbildung nach Gleichung (10) ausgewertet werden:
Die ortsaufgelöst erfassten Signale, die das jeweilige erfasste Speckle-Muster repräsentieren, kann man in Verbindung mit mechanischen Größen, die an einem untersuchten Substrat oder Schaltungsträger am bestrahlten und detektierten Oberflächenbereich auftreten, bringen. Mechanische Größen können dabei Kräfte, Momente und Verformungen sein. Mittels numerischer Berechnungen, in die die Kenntnis über die mechanischen Werkstoffeigenschaften der zu prüfenden Keramik eingebracht werden, können mechanische Sekundärgrößen, insbesondere mechanische Spannungen und Dehnungen bestimmt werden. Bei einer finalen Kalibrierfunktion kann man die jeweiligen mechanische Spannungen und eine der o.g. Signalgrößen in einen mathematischen Zusammenhang bringen. Dadurch ist man in der Lage die mechanischen Eigenspannungen an beliebigen Schaltungsträgern, die aus einem Metall-Keramikverbund bestehen, zu bestimmen. Der jeweilige Keramikwerkstoff des jeweiligen untersuchten Substrats oder Schaltungsträgers sollte dabei der gleiche oder ein Werkstoff vom gleichen Keramiktyp sein, wie er bei der der Kalibrierfunktion berücksichtigt worden ist.The spatially resolved detected signals, which represent the respective detected speckle pattern, can be linked to mechanical variables that occur on an examined substrate or circuit carrier in the irradiated and detected surface area. Mechanical variables can be forces, moments and deformations. Mechanical secondary variables, in particular mechanical stresses and strains, can be determined by means of numerical calculations, into which knowledge of the mechanical material properties of the ceramic to be tested is incorporated. In a final calibration function, the respective mechanical stresses and one of the above signal variables can be brought into a mathematical relationship. This makes it possible to determine the internal mechanical stresses on any circuit carrier that consists of a metal-ceramic compound. The respective ceramic material of the respective substrate or circuit carrier examined should be the same or a material of the same type of ceramic as was taken into account in the calibration function.
Die Erfindung stellt ein zerstörungsfreies, berührungsloses optisches Verfahren und eine Anwendungs- und Bewertungsmethodik dar, mit denen aufgetretene mechanische Eigenspannungen in einem Substrat oder Schaltungsträger, der mit einem keramischen Werkstoff gebildet ist, bestimmt werden können. Dadurch sind Prüfungen in jedem Prozessschritt und zu jedem Zeitpunkt bei der Verarbeitung der keramischen Schaltungsträger hinsichtlich entstandener Eigenspannungen möglich. Es können also aufgetretene Fehler und Defekte unmittelbar während des Herstellungsprozesses in kurzer Zeit erkannt werden. Dabei können insbesondere nicht- oder nur geringfügig prozessierte Schaltungsträger, bei denen keine oder nur ein Teil der Bauelemente bereits montiert worden sind, aussortiert werden, was die Kosten erheblich reduzieren kann. Es besteht sogar die Möglichkeit, Fehler im Herstellungsprozess zu erkennen und diesen durch Anpassung von Verfahrensparametern, beispielsweise eine Änderung des Temperaturverlaufs, entgegen zu treten. Metall-Keramik-Schaltungsträger bzw. keramische Substrate können nach deren Herstellung und nach jedem Folgeprozessschritt mit ihrem jeweiligen mechanischen Eigenspannungszustand bestimmt werden.The invention represents a non-destructive, non-contact optical method and an application and evaluation methodology with which mechanical internal stresses that have occurred in a substrate or circuit carrier formed with a ceramic material can be determined. As a result, tests can be carried out in every process step and at any time during the processing of the ceramic circuit carriers with regard to residual stresses that have arisen. Errors and defects that have occurred can therefore be recognized immediately during the manufacturing process in a short time. In particular, circuit carriers that have not been processed or only slightly processed, in which none or only some of the components have already been mounted, can be sorted out, which significantly reduces the costs can. It is even possible to detect errors in the manufacturing process and counteract them by adjusting process parameters, for example changing the temperature profile. Metal-ceramic circuit carriers or ceramic substrates can be determined after their production and after each subsequent process step with their respective mechanical residual stress state.
Da Metall-Keramik-Substrate oder andere keramische Substrate zerstörungsfrei hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenspannung überprüfbar sind, kann ein geprüfter Schaltungsträger in den Herstellungsprozess zurückgeführt werden. Es kann also Ausschuss infolge einer Prüfung vermieden werden.Since metal-ceramic substrates or other ceramic substrates can be tested non-destructively with regard to their internal mechanical stress, a tested circuit carrier can be returned to the manufacturing process. So it can be avoided as a result of a test.
Die optische Vermessung kommt ohne Hilfsmittel, wie ein Wasserbad bei der Ultraschallmikroskopie oder Oberflächenfärbung bei ARAMIS aus. Damit bleibt der jeweilige geprüfte Schaltungsträger kontaminationsfrei. Außerdem können mechanische Spannungen und Eigenspannungen im Werkstoff bestimmt werden, ohne dass es zu einer Schädigung, beispielsweise in Form eines Risses gekommen ist. Es kann also eine Bewertung des Zustandes eines Substrates bzw. eines Schaltungsträgers erfolgen, mit der eine vorbeugende Erkennung möglicher Ausfälle oder ggf. später sich ausbildender Defekte mit ausreichender Sicherheit erreicht werden.The optical measurement does not require any tools, such as a water bath for ultrasonic microscopy or surface staining for ARAMIS. This means that the respective tested circuit carrier remains free of contamination. In addition, mechanical stresses and internal stresses in the material can be determined without damage occurring, for example in the form of a crack. It is therefore possible to evaluate the state of a substrate or a circuit carrier, with which preventive detection of possible failures or defects that may develop later can be achieved with sufficient certainty.
Das Verfahren kann bei einer Messung in sehr kurzer Zeit mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden. So kann eine Messung und Überprüfung eines Schaltungsträgers oder Substrats in einem Zeitraum < 15 s durchgeführt werden, was einem Einsatz unmittelbar während des Produktionsprozesses förderlich ist.The method can be carried out with sufficient accuracy in a measurement in a very short time. In this way, a circuit carrier or substrate can be measured and checked in a period of < 15 s, which is conducive to use directly during the production process.
Unter Verwendung eines ähnlichen Aufbaus können andere Speckle-Muster-Parameter zur Aufstellung der Kalibrierfunktion berechnet werden.Using a similar setup, other speckle pattern parameters can be calculated to construct the calibration function.
Der Messaufbau für die mechanische Spannungsbestimmung kann sich durch die Art der Aktivierung/Anregung unterscheiden. Dabei können Kräfte in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich am Substrat oder dem Schaltungsträger wirken. Infolge einer mechanischen Krafteinwirkung (Last) oder einer Temperaturänderung kommt es zu Änderungen an der Oberfläche. Die Speckle-Parameter, berechnet nach Gleichungen (2-7), erfassen diese Veränderungen im zeitlichen Verlauf.The measurement setup for determining the mechanical stress can differ in the type of activation/excitation. In this case, forces can act at a distance from the irradiated surface area on the substrate or the circuit carrier. The surface changes as a result of a mechanical force (load) or a change in temperature. The speckle parameters, calculated according to equations (2-7), capture these changes over time.
Im Zeitverlauf ändern sich die Lage und Helligkeit (Intensität) der Speckles, bedingt durch die Änderungen der Dehnungsfelder der Oberfläche während der Ausbreitung der lokal eingebrachten Energie (Verformungsenergie, Wärme). Der Oberflächenzustand und damit die konkreten detektierten Speckle-Bilder sind Funktionen der Dehnungsfelder εi,j(t,R) (t - die Zeit, R der Ort der Messung und i,j - jeweils die Koordinatenachsen x,y im detektierten und durch Energieeintrag beeinflussten Oberflächenbereich). Diese wiederum sind über die Gleichung (8) der thermischen Ausdehnung mit der Temperatur T(t,R) und über die elastischen Gesetze mit den mechanischen Spannungen σi,j(t,R) verbunden:
Die mechanische Dehnung ist durch das Hookesche Gesetz mit mechanischen Spannungen σi,j(t,R) und dem Elastizitätsmodul E und der relativen Längenänderung der jeweiligen Probe (Substrat, Schaltungsträger) durch thermische Ausdehnung über den Temperaturbereich (T(t,R)-T0) mit bekanntem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α gegeben.The mechanical strain is determined by Hooke's law with mechanical stresses σi,j(t,R) and the modulus of elasticity E and the relative change in length of the respective sample (substrate, circuit carrier) due to thermal expansion over the temperature range (T(t,R)-T0 ) with a known coefficient of thermal expansion α.
Für die Aufstellung der Kalibrierfunktion kann die Gleichung (8) wie folgt zusammengefasst werden:
Für die Spannungsänderungsberechnung wurde die Gleichung (9) in eine geeignete Form umgewandelt:
Die Größen P1, P2 und P3 sind zunächst unbekannt und müssen dazu mit einem geeigneten Kalibrierverfahren ermittelt werden.The variables P1, P2 and P3 are initially unknown and must be determined using a suitable calibration method.
Die Erfindung kann also bei der Eigenspannungsbestimmung in Metall-Keramik-Substraten der Elektronik (Hybridelektronik, Leistungselektronik) aber auch bei der Eigenspanungsbestimmung in monokeramischen Schichten (z.B. Membranen, Abdeckschalen) eingesetzt werden.The invention can therefore be used to determine the internal stress in metal-ceramic substrates in electronics (hybrid electronics, power electronics) but also to determine the internal stress in monoceramic layers (e.g. membranes, covering shells).
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.
Dabei zeigen:
-
1 in schematischer Form beispielhaft einen Aufbau mit dem eine Laser-Speckle-Photometrie (LSP) während einer Messung an einem Schaltungsträger DCB durchführbar ist; -
2a eine Darstellung zur Realisierung einer Kalibrierung unter Anwendung der Laser-Speckle-Photometrie-Technik und einer Biegevorrichtung zur elastischen Verformung; -
2b eine Datenverarbeitung, in dem die detektierten LSP-Signale parametrisiert und die mechanische Belastungsangaben für die Durchführung von FEM-Berechnungen zur Eigenspannungsbestimmung an der Messposition verwendet werden. -
2c eine Aufstellung von Kalibrierungsfunktionen anhand der ermittelten Parameter bzw. Eigenspannungswerte aus einer FEM-Berechnung. -
3a ein Beispiel der umgerechneten Spannung aus der LSP-Messtechnik, entnommen aus dem Biegeversuch an Aluminiumoxid, im Zusammenhang mit der ermittelten Eigenspannung aus FEM-Berechnung und -
3b eine Darstellung der ermittelten relativen Fehler in % zwischen der mechanischen Eigenspannung aus FEM-Berechnung und der ermittelten Eigenspannung aus LSP.
-
1 in schematic form, by way of example, a structure with which laser speckle photometry (LSP) can be carried out during a measurement on a circuit carrier DCB; -
2a a representation of the realization of a calibration using the laser speckle photometry technique and a bending device for elastic deformation; -
2 B data processing in which the detected LSP signals are parameterized and the mechanical load information is used to carry out FEM calculations to determine the residual stress at the measuring position. -
2c a list of calibration functions based on the determined parameters or residual stress values from an FEM calculation. -
3a an example of the converted stress from the LSP measurement technology, taken from the bending test on aluminum oxide, in connection with the residual stress determined from the FEM calculation and -
3b a representation of the determined relative error in % between the mechanical residual stress from FEM calculation and the determined residual stress from LSP.
Dabei ist ein Schaltungsträger 3, hier eine herkömmlicher DCB-Keramik mittels der Laserdiode als Strahlungsquelle 2 illuminiert. Eine CCD-Kamera als zur ortsaufgelösten Detektion ausgebildeter Detektor 1 mit Detektor 1a nimmt die Speckle-Muster an der Messposition in einem bestrahlten Oberflächenbereich auf und ist an eine elektronische Auswerteeinheit, in diesem Fall einen Personal Computer angeschlossen.In this case, a
Mit der Strahlungsquelle 2 wird ein Bereich der Oberfläche des Schaltungsträgers 3 beleuchtet und von dort reflektierte und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung mit dem Detektor 1a ortsaufgelöst erfasst. Wie
Für den Kalibrierungsversuch wird der Schaltungsträger 3 auf einen Aufleger 5 gelegt und mit einer beweglicher Finne 4 belastet und dadurch elastisch verformt. Die Veränderung der Speckle-Muster wird mit der Kamera als Detektor 1a detektiert. Anschließend werden die ortsaufgelöst erfassten Intensitäten aus der Kraftvorrichtung und der LSP-Technik zur Berechnung der Parameter P1, P2 und P3 nach Gleichung (11) angewendet. Die ermittelten Parameter P1 bis P3 dienen bei der Rückrechnung an gleichen Materialien zur Bestimmung von mechanischen Eigenspannungen an der untersuchten Messposition innerhalb des beleuchteten Oberflächenbereichs des Schaltungsträgers 3.For the calibration test, the
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