DE102017203765A1 - Method for the determination of mechanical stresses in substrates or circuit carriers, which are formed with a ceramic material - Google Patents
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Abstract
Zur Bestimmung von mechanischen Spannungen in Substraten oder Schaltungsträgern (3), die mit einem keramischen Werkstoff gebildet sind, wird ein 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. Die Erfassung von Speckle-Mustern erfolgt zu einer ersten und mindestens einem zweiten nachfolgenden Zeit. Eine statische Erfassung einer Abbildung eines erfassten Speckle-Musters zumindest eines Bereiches, der mit elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, wird auf seine Eigenschaften überprüft und dabei charakterisiert sowie parametrisiert, wenn die Auswertung mit einer Korrelationsfunktion mit einer Grauwertübertragungsmatrix wird. Die mit dem optischen Detektor (1) 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 und mit dem Vergleich die jeweilige mechanische Spannung des keramischen Werkstoffs des Substrats bestimmt. For the determination of mechanical stresses in substrates or circuit carriers (3), which are formed with a ceramic material, a laser beam is directed onto a surface region of a substrate to be examined and reflected and scattered from the irradiated surface with a detector (1a) designed for spatially resolved detection detected electromagnetic radiation in the form of a speckle pattern. The detection of speckle patterns occurs at a first and at least a second subsequent time. Static detection of an image of a detected speckle pattern of at least one area which is illuminated by electromagnetic radiation is checked for its properties and is characterized and parameterized when the evaluation has a correlation function with a gray-scale transmission matrix. The data recorded with 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 obtained by calibration and with the comparison the respective mechanical stress of the ceramic material of the substrate certainly.
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 the determination of mechanical stresses in substrates or circuit carriers, which 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 modules are usually implemented on the basis of ceramic circuit carriers. The usually flat formed circuit carriers are provided with structured metallic interconnects and contact pads to connect the electronic components together electrically or thermally and mechanically. Due to the compounds formed with different materials, mechanical stresses occur in the substrates or carriers formed from ceramic materials, which lead to cracks when overstressed. Overuse occurs as a result of the manufacturing process in the ceramic-metal composites, in the manufacture of power modules, or in operating loads during use. The cracks run i.d.R. in the ceramic and essentially separate the metallizations from the ceramic. As a result, either directly or at a later time, defects that can result in the functional failure of the module result. In the context of a test of internal mechanical stresses on the one hand to avoid the malfunction in the operation of the assembly and on the other hand costs are saved if early in the value-added process of production, the critical ceramic substrates or circuit boards can be identified and sorted out.
Die Schaltungsträger sind üblicherweise Verbundwerkstoffe aus mindestens einem keramischem Substrat bzw. Schaltungsträger (z.B. Al2O3, AlN, Si3N4 u.a.) und auf Oberflächen ausgebildeten metallischen Schichten (z.B. Cu, Al, 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 typically composites of at least one ceramic substrate (e.g., Al 2
Typische Schaltungsträgertypen sind: DCB - Direct Copper Bondings, AMB - Aluminium Metall Brazing, DAB - Direct Aluminium Bondings.Typical circuit board types are: DCB - Direct Copper Bonding, AMB - Aluminum Metal Brazing, DAB - Direct Aluminum Bonding.
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.In order to obtain information on the reliability of the composite layer between metal and ceramic, very time-consuming and costly tests are currently being carried out. With passive cycles and ultrasound measurements one is able to detect already formed cracks and to follow the further development of cracks. In this case, circuit carriers are exposed to cyclic temperature fluctuations in temperature change furnaces for several days to weeks. After certain time intervals are taken withdrawals of the circuit board and an ultrasonic test. The circuit carriers located in the water bath are tested by means of a sequentially scanning ultrasound measuring head. In this case, ultrasonic waves are coupled into the object and detected at interfaces of the layer structure ultrasonic waves detected and evaluated. Additional echoes of the reflected ultrasonic waves appear when cracks or delaminations have occurred. So it is a destructive process, because you have to generate the cracks in order to detect increased 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 the grayscale analysis by means of digital image correlation (Digital Image Correlation). In the process, the deformations are captured using patterns that the test object has to offer. An evaluation of an occurring distortion of the respective pattern leads to a deformation field with the help of which mechanical strains can be detected. The main disadvantage of the method is that basically a pattern must be present and it may change only slightly within the distortion of the object. There is a risk that the pattern recognition fails and no deformation field determination can be made. Representatives here are MicroDac or the ARAMIS system. The ARAMIS relies on additional surface coloration 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 variations. The measurement method is based on a two-beam speckle interferometry. For the calculation of the voltages high-resolution interferometric lattice patterns (fringes) are used. The method calculates the displacement / strain field factor used to convert to the stress values. For this purpose, the method compares the surface condition in an unloaded and a loaded condition. Thus, forces must be exerted on an object to be examined, which can lead to deformation and thus possible damage to the object being examined.
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 an object of the invention, possibilities for the non-destructive determination of mechanical voltages to circuit carriers, the specify from a substrate having formed on surfaces layers which form electrical conductors and / or electrical connection contacts for electrical or electronic components, which can be easily performed in a short time, with sufficient accuracy and low cost.
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 by 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, a laser beam emitted by a laser source is directed onto a surface region of a substrate to be examined and with a detector designed for spatially resolved detection from the irradiated surface reflected and scattered electromagnetic radiation in the form of a speckle pattern to a first and be detected at least a second subsequent time. The data acquired with the optical detector are supplied to an electronic evaluation unit and in the electronic evaluation unit, a comparison is carried out with speckle patterns stored in an electronic memory and obtained by a calibration. With the comparison, the respective mechanical stress of the ceramic material is then determined at least in the region 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 which is illuminated by electromagnetic radiation is possible and thus checked for its properties and thereby characterized and parameterized. The parameter calculated with one of the equations (2) to (7) is compared by means of a previously determined calibration function and the value of the respective mechanical stress is determined from the comparison. With static detection, no time-resolved detection is required and detection is sufficient at a single time.
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 by a calibration should be those speckle patterns which have been determined under the same conditions, in parallel with which the respective mechanical residual stresses have been determined with another measurement method and the respective ones recorded during the calibration Speckle patterns have been assigned. Thus, in the case of a recognized sufficient match of speckle patterns detected by the method according to the invention with speckle patterns detected correspondingly in a calibration on a sample of the same or a comparable material, the respective mechanical properties of the sample investigated with the invention can be 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.When calibrating, the same materials or composite materials, identical energy inputs and speckle patterns, which have been detected and stored at the same time after energy input, should be taken into account when determining the mechanical residual stresses of the respective sample (substrate, circuit carrier). It should also be the same lighting conditions and the same settings on the trained for spatially resolved detection detector met.
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 sequentially detected at a time interval may be taken into account in a time-resolved detection. This can be done up to a history, that is, detection of a plurality of speckle patterns detected at small time intervals in succession, so that a quasi-detection similar to that of a film can be performed. When evaluating with GLCM, one single detection is sufficient at a time.
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 occur before or during the detection of speckle patterns in the material of the respective substrate. An energy input can be achieved, in particular, by an elastic deformation on the substrate and / or a thermal excitation, which is carried out, for example, by irradiation with electromagnetic radiation, which is preferably pulse-shaped.
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 take place by the action of mechanical stress or by a focused laser beam, with whose 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 which is greater than in times in which detection of speckle patterns is carried out with the optical detector should be observed. This can be done with a corresponding beam shaping, in which the size of the surface of the focal spot during the time of energy input is smaller, than during the times in which speckle patterns are detected and used for the determination of the mechanical residual stresses. This can be achieved by simply changing the focal length by a translatory movement of at least one optical lens, which 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. As an optical detector, a CCD or a CMOS camera can be used.
Bei der Erfindung können 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 werden. Dabei kann die Untersuchung bevorzugt in einem Bereich, in dem eine metallische Schicht ausgebildet ist und/oder in einem Bereich, der unmittelbar neben einer metallischen Schicht angeordnet ist, durchgeführt werden. Dabei kann ein Bereich unmittelbar neben einer metallischen Schicht einen Abstand von bis zu 2 mm aufweisen.In the invention, substrates which have on their surface metallic layers, with which preferably electrical interconnects or electrical connection pads are formed, can be examined in a region of the surface of the substrate. In this case, the examination may preferably be carried out in a region in which a metallic layer is formed and / or in a region which is arranged directly next to a metallic layer. In this case, an area immediately adjacent to a metallic layer may 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 pure ceramic substrates takes place by means of laser speckle photometry. This is a laser-optical, non-contact and fast measuring method that can detect geometric distortions of surfaces without contact and non-destructive. A useful geometric distortion on the surface can be initiated by an energy input, which can be caused in particular by mechanical deformation or by heating. A locally limited heating can be achieved with a laser beam emitted by a radiation source and preferably focused on a surface of the circuit carrier. By reflection of the laser radiation and the specific surface roughness, a changing speckle pattern is formed. It is then a single-jet speckle process without interferometric pattern generation (fringes). The scattered and reflected from the irradiated surface laser radiation with the trained speckle pattern is spatially resolved with a CCD camera as a suitable optical detector and detected and digitized at certain times. In contrast to the Digital Image Correlation, no particular speckle pattern is observed on the surface or its deformation is observed, but a comparison of at least two completely different stochastic speckle patterns caused by external state changes is performed based on the spatial relationship of one point to neighboring points. Or the quality of the speckle pattern is taken from the image processing logarithms from a static image of the detected surface area.
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 value 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.Below, the four mentioned image processing algorithms suitable for this purpose will be explained in more detail.
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:
- Energy:
- Homogeneity:
- Contrast:
- Correlation:
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 signals, which represent the respective detected speckle pattern, can be brought in conjunction with mechanical quantities that occur at a substrate or circuit substrate under investigation at the irradiated and detected surface area. Mechanical quantities can be forces, moments and deformations. By means of numerical calculations, in which the knowledge about the mechanical material properties of the ceramic to be tested are introduced, secondary mechanical quantities, in particular mechanical stresses and strains, can be determined. For a final calibration function, the respective mechanical stresses and one of the og. Bring signal quantities into a mathematical context. This makes it possible to determine the mechanical residual stresses on any circuit carriers, which consist of a metal-ceramic composite. The respective ceramic material of the respective substrate or circuit substrate investigated 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 is a nondestructive, non-contact optical method and an application and evaluation methodology with which occurred residual mechanical stresses in a substrate or circuit carrier, which is formed with a ceramic material, can be determined. As a result, it is possible to carry out tests in every process step and at every point in the processing of the ceramic circuit carriers with regard to residual stresses. It can therefore be recognized immediately during the manufacturing process errors and defects in a short time. In particular, non-or only slightly processed circuit carriers, in which no or only part of the components have already been mounted, can be sorted out, which can significantly reduce costs. There is even the possibility to detect errors in the manufacturing process and to counteract these by adapting process parameters, for example a change in 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 inspected non-destructively with regard to their mechanical residual stress, a tested circuit carrier can be returned to the manufacturing process. So it can be avoided committee as a result of an audit.
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 comes without aids, such as a water bath in the Ultrasound microscopy or surface staining on ARAMIS. Thus, the respective tested circuit carrier remains contamination-free. In addition, mechanical stresses and residual stresses in the material can be determined without causing damage, for example in the form of a crack. Thus, an evaluation of the state of a substrate or of a circuit carrier can take place, with which a preventive recognition of possible failures or, if appropriate, defects that later develop 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 performed with a measurement in a very short time with sufficient accuracy. Thus, a measurement and inspection of a circuit substrate or substrate can be carried out in a time period <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 construction, other speckle pattern parameters can be calculated to establish 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 the mechanical voltage determination may differ by 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. As a result of a mechanical force (load) or a temperature change, there are changes to the surface. 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 governed by Hooke's law with mechanical stresses σi, j (t, R) and the elastic modulus E and the relative change in length of the respective sample (substrate, circuit carrier) by thermal expansion over the temperature range (T (t, R) -T0 ) given with known thermal expansion coefficient 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 quantities 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 thus be used in the determination of residual stress in metal-ceramic substrates of electronics (hybrid electronics, power electronics), but also in the determination of inherent voltage in monoceramic layers (for example membranes, covering shells).
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
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 construction with which a laser speckle photometry (LSP) during a measurement on a circuit carrier DCB is feasible; -
2a a representation for the realization of a calibration using the laser speckle photometry technique and a bending device for elastic deformation; -
2 B a data processing in which the detected LSP signals are parameterized and the mechanical load information used to perform FEM calculations for residual stress determination at the measuring position. -
2c a list of calibration functions based on the determined parameters or residual stress values from a FEM calculation. -
3a an example of the converted voltage from the LSP measuring technique, taken from the bending test of aluminum oxide, in connection with the determined residual stress from FEM calculation and -
3b a representation of the determined relative errors in% between the mechanical residual stress from FEM calculation and the determined residual stress from LSP.
Dabei ist ein Schaltungsträger
Mit der Strahlungsquelle
Für den Kalibrierungsversuch wird der Schaltungsträger
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