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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein die Röntgenstrahlenspektroskopie
und insbesondere die automatisierte Verwendung der Röntgenstrahlenspektroskopie
zur Erfassung und Identifikation spezifischer Metalle in gedruckten
Verdrahtungsbaugruppen.
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Hintergrund
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Die
Gesetzgebung der Europäischen
Union (EU) wurde erlassen, um das Niveau gefährlicher Chemikalien in der
Um welt zu reduzieren. Das Gesetz zur Begrenzung bestimmter gefährlicher
Stoffe (RoHS) zielt auf Materialien, wie Blei, Cadmium, Quecksilber,
Chrom VI und einige in elektronischen Vorrichtungen verwendete,
bromhaltige Brandinhibitoren ab. Zur Einhaltung dieser gesetzlichen
Bestimmungen ist ein Verfahren zur Erfassung und Identifikation
dieser und weiterer gefährlicher
Materialien in elektronischen Geräten erforderlich. Ein derartiges Verfahren
sollte schnell und genau sein, um zur Einhaltung der zeitlichen
Vermarktungserfordernisse der globalen Elektronikindustrie eine
rasche Überprüfung und
kurze Durchlaufzeiten zu ermöglichen.
Das Erfassungsverfahren muss auch hoch kosteneffektiv sein, und
es sollte nicht durch die Verwendung weiterer gefährlicher
Substanzen bei der Erfassungsprozedur nachteilige Auswirkungen auf
die Umwelt haben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
für neuartig
erachteten Merkmale der Erfindung sind in den beiliegenden Ansprüchen im
Einzelnen aufgeführt.
Die Erfindung selbst ist jedoch sowohl hinsichtlich der Organisation
als auch hinsichtlich der Funktionsweise im Zusammenhang mit ihren Aufgaben
und Vorteilen am Besten unter Bezugnahme auf die folgende genaue
Beschreibung der Erfindung, in der bestimmte beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben sind, in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen verständlich.
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Die
einzige Figur der Zeichnungen ist ein Ablaufdiagramm, das Entscheidungsverzweigungsanalyseverfahren
gemäß bestimmter
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Genaue Beschreibung
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Obwohl
die Erfindung für
eine Ausführung
in den verschiedensten Formen geeignet ist, sind spezifische Ausführungsformen
in der Zeichnung dargestellt und hier im Einzelnen beschrieben,
wobei vorausgesetzt wird, dass die vorliegende Offenbarung als Beispiel
für die
Prinzipien der Erfindung zu verstehen ist und dass keine Einschränkung der
Erfindung auf die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
beabsichtigt ist. In der nachstehenden Beschreibung werden übereinstimmende Bezugszeichen
zur Beschreibung übereinstimmender, ähnlicher
bzw. entsprechender Elemente in der Zeichnung verwendet. Elektronische
Vorrichtungen, gedruckte Verdrahtungsbaugruppen (PWA, printed wiring
assemblies) und einzelne Komponenten enthielten herkömmlicher
Weise manchmal betreffende Materialien, wie Pb, Cr, Cd, Hg und Br.
Die offenbarten Ausführungsformen
verwenden eine Mikroröntgenstrahlenfluoreszenzspektroskopie
(μ-XRF)
und eine Röntgenstrahlenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie
(XAFS) als Erfassungsverfahren zur Lokalisierung dieser und weiterer
fraglicher Materialien in einer elektronischen Vorrichtung. Die
zu untersuchende Vorrichtung oder Baugruppe wird zur Bestimmung
der elementaren Zusammensetzung an ausgewählten Positionen auf der Baugruppe
durch Bewegungen in der X-, Y- und Z-Richtung unter einer Sonde
als Reaktion auf Informationen in einer Bezugsdatenbank analysiert,
wobei die Sonde für
die Analyse in einem optimalen Analyseabstand zu jeder ausgewählten Position
angeordnet wird. Die bestimmte Elementzusammensetzung an jeder ausgewählten Position
wird dann mit der Bezugsdatenbank in Korrelation gebracht, und die
erfassten Elemente werden den verschiedenen Komponenten der Baugruppe
zugeordnet.
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In
den nachstehenden Beschreibungen wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit
der Begriff „gedruckte
Verdrahtungsbaugruppe" bzw. „PWA" verwendet, es wird
jedoch darauf hingewiesen, dass eine derartige Verwendung nicht
als einschränkend zu
verstehen ist, sondern all diese sowie weitere Typen komplexer Baugruppen
abdecken soll, die in gegenwärtigen
und zukünftigen
elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise
Motoren, Kabelbaugruppen, Anzeigen, Schalter, Knöpfe, Gehäuse, Lautsprecher, Transformatoren,
etc, jedoch nicht auf diese beschränkt. Gemäß 1, die ein
Ablaufdiagramm zeigt, das eine Ausführungsform der Erfindung darstellt,
wird die auf das Vorhandensein gefährlicher Chemikalien zu analysierende Probe
bzw. das zu analysierende Teil direkt in der Kammer einer μ-XRF- oder
einer XAFS-Analysevorrichtung angeordnet (100). Das Verfahren
ermöglicht eine
rasche Erfassung und Identifikation, da keine Probenvorbereitung,
beispielsweise durch Sputtern, erfolgt, bei der weitere für die Umwelt
kritische Materialien verwendet werden könnten. Anschließend wird
auf eine CAD-Datei (CAD: Computer aided design, computergestützte Konstruktion)
für die
Probe zugegriffen (105). Die CAD-Datei enthält (unter Anderem) eine mathematische
Repräsentation
der physischen Abmessungen der unterschiedlichen Komponenten auf
der PWA und ihrer Positionen auf der gedruckten Leiterplatte und
wird bei der Analyse als Bezugsdatenbank verwendet. CAD-Datenbanken und
die Informationen, die sie typischerweise enthalten, sind Fachleuten
auf dem Gebiet der Konstruktion und des Zusammenbaus elektronischer
Vorrichtungen allgemein bekannt und werden hier nicht wei ter behandelt.
Die CAD-Datenbank wird zu einer Steuerung der μ-XRF- oder einer XAFS-Analysevorrichtung
portiert, um eine Ansteuerung einiger der Funktionen der Analysevorrichtung
durch die Informationen in der Datei zu ermöglichen. Typischerweise wird der
Tisch der Analysevorrichtung als Reaktion auf Informationen in der
CAD-Datenbank so bewegt, dass die Probe derart umher bewegt wird,
dass die Sonde der Analysevorrichtung sämtliche wesentlichen Bereiche
der Probe „erkennen" kann. Die Position
der Probe in Bezug auf die Analysevorrichtung wird dann durch ihre
Registrierung unter Verwendung von Kennwertmarkierungen oder Vergleichswerten
bestimmt (110). Obwohl dies wahlweise erfolgt und entweder
manuell oder automatisch ausgeführt
werden kann, halten wir es für
das Sinnvollste, eine vollständige
Automatisierung zu realisieren und die typischerweise in der CAD-Datenbank
befindlichen Kennwertinformationen zur Registrierung der Probe zu
verwenden. Eine Registrierung unter Verwendung von Kennwerten ist
Fachleuten bekannt, und ein Mechanismus, wie eine optische Abtastung,
eine Laserregistrierung, eine mechanische Registrierung, etc., kann
hier erfolgreich eingesetzt werden. Die Probe wird dann durch geeignetes
Bewegen des Tischs der Analysevorrichtung entlang der x- und der
y-Achse zu einer
ersten Position bewegt, die analysiert oder abgetastet wird (115).
Typischerweise weisen viele, wenn nicht alle Komponenten einer PWA
unterschiedliche Größen und
Formen auf, und bei der Verwendung von Röntgenstrahlenanalysetechniken
ist es für
eine genaue Analyse kritisch, den geeigneten Abstand zwischen dem
zu analysierenden Bereich auf der Probe und der Sonde der Analysevorrichtung einzuhalten.
Dieser optimale Analyseabstand wird durch ausreichendes Einstellen
bzw. Bewegen des Probentischs entlang der z-Achse zum Einstellen
des geeigneten Abstands zwischen der Sonde und dem Analysebereich
realisiert (120). Der Abstand zwischen der Probe und der
Sonde wird durch einen Höhensensor,
wie eine Videokamera, einen Hall-Effekt-Sensor, einen Sensor, der
eine Triangulation verwendet, oder eine andere optische Einrichtung
bestimmt. Bei bestimmten Ausführungsformen
wird die Sonde während
der Analyse automatisch so bewegt, dass der Abstand zwischen Sonde
und Probe während
der Analyseperiode stets der optimale Abstand ist.
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Abhängig von
der bei der Analyse gewünschten
Auflösung
können
unterschiedliche Strahlengrößen verwendet
werden. Größere Strahlengrößen liefern
typischerweise eine geringere Auflösung, decken jedoch einen größeren Bereich
ab. Wie bei den meisten Analyseprozeduren, muss den Erfordernissen
entsprechend zwischen Auflösung und
abgedecktem Bereich ausgewählt
werden. Bei einer Analyse unter Verwendung einer μ-XRF reagieren
die chemischen Elemente im Oberflächenbereich der Erregungsenergie
des Strahls und emittieren sekundäre Photonen, die von dem Detektor
der Analysevorrichtung erfasst werden. Sind die Analyseparameter
einmal gewählt,
wird die Analyse auf herkömmliche
Art ausgeführt
(125), und die erfassten Elemente von Interesse werden
(falls solche gefunden werden) vorübergehend im Speicher des Computers
der Analysevorrichtung oder in einem anderen Speicherbereich gespeichert.
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Nach
der Analyse der ersten Position (125) wird der Tisch mittels
Informationen in der CAD-Datenbank angesteuert, um die Probe zur
nächsten
Position zu bewegen (130). Es wird darauf hingewiesen, dass
die CAD-Datenbank den Tisch bei bestimmten Ausführungsformen nicht direkt bewegt,
sondern dass statt dessen die Steuerung der μ-XRF- Analysevorrichtung auf Informationen
in der Datenbank reagiert. Alternative Ausführungsformen ermöglichen eine
direkte Steuerung der Bewegungen des Tischs durch die CAD-Datenbank. Der optimale
Analyseabstand wird erneut durch Einstellen bzw. zum Einstellen
des geeigneten Abstands zwischen der Sonde und dem Analysebereich
ausreichendes Bewegen des Probentischs entlang der z-Achse erreicht
(120), und die Analyse der zweiten Position (125)
erfolgt, wie vorstehend erläutert.
Nach der Analyse der zweiten Position wird der Tisch durch Informationen
in der CAD-Datenbank angesteuert, um die Probe zur nächsten Position
zu bewegen (130). Die Blöcke 120, 125 und 130 werden
den Erfordernissen entsprechend wiederholt (wie in dem Ablaufdiagramm
durch die Schleife dargestellt), bis sämtliche Positionen von Interesse
auf der Probe analysiert sind. Nach der Analyse der letzten Position
(135) werden die Informationen aus den mehreren Stadien
der Analyse mit den Informationen in der CAD-Datenbank in Korrelation
gebracht (140), um den unterschiedlichen Komponenten der
PWA die erfassten Niveaus der unterschiedlichen Elemente zuzuordnen.
Die bei sämtlichen
Abtastungen an jeder jeweiligen Position erhaltenen Spektraldaten
werden spezifischen Positionen oder Komponenten zugeordnet, indem
die Spektraldaten einer oder mehreren Komponenten bzw. Positionen
zugeordnet werden. Eine Elementkarte des abgetasteten Bereichs bzw.
der abgetasteten Komponente, die das Vorhandensein oder Fehlen jedes Element
als Funktion der Topographie der Probe zeigt, kann ebenfalls erstellt
werden (145), wobei die verschiedenen Komponenten auf der
PWA gezeigt sind und das Niveau jedes erfassten Elements auf dem
CAD-Diagramm darüber
gelegt werden kann.
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Nach
der Erstellung der Elementkarte (145), wird die CAD-Datenbank
abgefragt, um zu bestimmen, ob der abgetastete Bereich bzw. die
abgetastete Komponente in der Datenbank enthalten ist oder nicht
(Block 150). Wenn der betreffende Bereich in der Datenbank
gespeichert ist (wie in dem Diagramm unmittelbar unter dem Kästchen 150 durch „JA" angegeben), werden
die aus der Abtastung abgeleiteten Informationen unter statistischen
Wahrscheinlichkeitsabgleichtechniken von 90 %, 95 % bzw. 99 % mit den
in der Datenbank gespeicherten verglichen (155). Die Elementkarte
und die die Komponente betreffenden, dreidimensionalen, geometrischen
Informationen liefern ein Werkzeug zum Vergleichen bzw. Abgleichen
der Komponente auf der Probe mit einer in der Datenbank befindlichen
Komponente, da die Größe, die
Form und die chemische Zusammensetzung der Komponente betreffende
Informationen in der CAD-Datenbank enthalten sind. Die Elementkarte
kann beispielsweise angeben, dass ein bestimmter Widerstand auf
der abgetasteten Probe Kupferanschlüsse, ein Widerstandselement,
das Nickel und Chrom enthält,
und eine aus Siliciumdioxid hergestellte Keramikbasis aufweist.
Diese Informationen können
kombiniert mit die Größe und die
Form des Widerstands betreffenden Informationen unter Verwendung
statistischer Abgleichtechniken mit Informationen in der Datenbank
abgeglichen werden, um die genaue Teilenummer und den Widerstandswert des
Widerstands zu bestimmten. Es wird entschieden, ob sie mit den in
einer eine Liste von Materialien enthaltenden Datenbank (einer BOM-Datenbank (BOM: bill
of materials)) gespeicherten Informationen übereinstimmen oder nicht (160),
und wenn die Antwort „JA" ist, wird eine weitere
abgetastete Position oder Komponente ausgewählt (165), und die
Prozesse in den Blö cken 155, 160 und 165 werden
wiederholt, bis sie abgeschlossen sind, wobei die Analyse an diesem
Punkt endet (170). Ist die Antwort auf die Entscheidung
hinsichtlich einer Übereinstimmung
im Block 160 „NEIN", wird der betreffende
Bereich bzw. die betreffende Komponente mit einer höheren Auflösung erneut
abgetastet (180), um eine genauere bzw. mehr in die Tiefe
gehende Analyse auszuführen. Wieder
erfolgt ein Vergleich der bei der erneuten Abtastung erhaltenen
Informationen mit der eine Liste von Materialien enthaltenden Datenbank
(185), und wenn eine Übereinstimmung
festgestellt wird, wird die Analyse im Block 165 an einer
anderen Position fortgesetzt und verläuft von da aus, wie zuvor.
Ist die Antwort „NEIN" (d.h. liegt keine Übereinstimmung vor),
werden die bei der erneuten Abtastung erhaltenen Informationen zu
der CAD-Datenbank hinzugefügt
(190), um eine neue Komponente bzw. eine neue Bereichsposition
zur Bezugnahme bei einer künftigen
Analyse einer weiteren Probe zu erstellen.
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Nachfolgend
wird erneut auf den Block 150 Bezug genommen, in dem die
CAD-Datenbank abgefragt wird, um zu bestimmen, ob der abgetastete Bereich
bzw. die abgetastete Komponente in der Datenbank vorhanden ist oder
nicht. Ist die Antwort „NEIN", wird der Bereich
bzw. die Komponente von Interesse mit einer höheren Auflösung erneut abgetastet (195),
um eine genauere bzw. weiter in die Tiefe gehende Analyse zu erstellen,
und die bei dieser erneuten Abtastung erhaltenen Informationen werden
zur CAD-Datenbank hinzugefügt
(190), um eine neue Komponenten- oder Bereichsposition
zur Bezugnahme bei der Analyse einer künftigen Probe zu erstellen.
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Nachdem
nun eine Ausführungsform
beschrieben wurde, werden nachstehend zusätzliche Einzelheiten hinsichtlich
der verwendeten Ausstattung und Technik ausgeführt. Die vorliegende Offenbarung
dient der weiteren Information des Lesers hinsichtlich einiger Einzelheiten
der Prozedur und stellt keine Einschränkung dar. Für die Elementkartierung wurde
eine mit einer 40 Watt Rheniumröhre
(40 kV, 1000 μAmp)
und einer 100 μm
Kapillaroptik ausgestattete Eagle II μ-Sonde für ein Mikrostrahl-XRF-System
(Röntgenanalytik
Messtechnik GmbH, Taunusstein, Deutschland) verwendet. Die Proben
(Baugruppen aus einem Mobiltelefon) wurden auf dem computergesteuerten
Tisch des Instruments platziert, und ein Vakuum wurde erzeugt. Mit zwei
Videomikroskopen (mit einer Vergrößerung von 1 : 10 bzw. 1 :
100) wurde der Bereich für
die Elementkartierung ausgewählt,
und anschließend
wurden die gewünschten
Elemente ausgewählt.
Die Abtastungen gedruckter Leiterplatten mit einem geometrischen
Verhältnis
von 5 : 2 (Länge
zu Breite) erfolgten durch zwei separate Messungen, und die Vorder- und
die Rückseite
wurden untersucht. Für
Elemente bis zu einer Ordnungszahl von 42 (Mo), wurden K Strahlungslinien
zur Analyse verwendet. Schwerere Elemente wurden unter Verwendung
von L Strahlungslinien erfasst. Zur Bestimmung von Bi und Hg wurden
zusätzlich
M Strahlungslinien verwendet. Die ausgewählten Elemente waren: Silber,
Arsen, Wismut, Brom, Cadmium, Chrom, Quecksilber, Nickel, Blei,
Antimon und Zinn. Die Messzeitspanne für einen gelesenen Punkt wurde
auf 200 Millisekunden eingestellt, und die Matrizengröße wurde
auf 256 200 eingestellt. Aus sämtlichen
einzelnen Spektren wurde ein Gesamtspektrum kompiliert, und mittels
Software (Vision XRF Software für
die Eagle II μ-Sonde, Version
3.308) wur den Elementverteilungsabbildungen berechnet. Helle Bereiche
in der Abbildung entsprechen Bereichen mit einer hohen Elementkonzentration.
Die Elementkarten werden anhand der Messungen aus den μ-XRF-Messungen
für jedes
Element von Interesse extrahiert und in schwarz-weiße Karten
umgewandelt. Die Karten werden zur Bestimmung, welche Teile welche
Elemente enthalten, über die
Plattenzeicheninformationen gelegt. Dies erfolgt für sämtlichen
Elemente von Interesse. Die Intensität an jedem Messpunkt, an dem
ein Element von Interesse erfasst wird, wird mit dem Typ des Teils
in Korrelation gebracht. Anhand der Kalibrierung für jeden Typ
von Teil wird der Beitrag zur Konzentration des betreffenden Elements
bestimmt. Das Ergebnis einer Elementverteilungsanalyse wird in einem
Gesamtspektrum aufgezeichnet, d.h. sämtliche anhand der Messpunkte
erhaltenen, einzelnen Spektren werden summiert. Zudem werden anhand
der Messdaten Elementabbildungen für jedes ausgewählte Element berechnet.
Dadurch werden Elementintensitäten
als mehr oder weniger intensive Farben kartiert.
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Eine
geeignete Prozedur zur Auswertung der erhaltenen Daten wurde definiert,
die eine Korrelation der durch die Messungen erhaltenen Daten und der
Anzahl der Komponenten auf der untersuchten PwB umfasst, die den
gesetzlichen Regeln nicht entsprechen. Einige der Vorteile, die
bei diesem neuartigen Verfahren zusammenkommen, sind: Das beschriebene
Verfahren ist zur Verarbeitung einer breiten Vielfalt an PWBs mit
darauf montierten Komponenten bei einer einzigen Analyse geeignet.
Das Verfahren ermöglicht
die Lokalisierung von anderen Elementen als Br und Pb unter Verwendung
einer Subtraktion von Spektren und weiterer Mittel. Der neue Prozess
ist im Vergleich zu herkömmlichen
Techniken erheblich weniger kostspielig und erheblich schneller.
Das gesamte System ist automatisiert und ermöglicht eine direkte Erfassung
von Teilen, die mit den Umweltgesetzen nicht vereinbar sind. Von
den Lieferanten können
auf der Grundlage der Ergebnisse und der Erfassung unvereinbarer
Teile korrigierende Maßnahmen
gefordert werden. Insgesamt wird die Erfassung und Lokalisierung
von Schwermetallen und bromhaltigen Verbindungen auf besetzten PWBs durch
diesen Ansatz ohne Probenbearbeitung und unter Verwendung vergleichsweise
kostengünstiger analytischer
Erfassungsverfahren leichter, weniger zeitaufwendig und weniger
kostenintensiv.
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Zusammenfassend
und ohne die Absicht, den Rahmen der Erfindung einzuschränken, wird durch
die offenbarten Ausführungsformen
ein Verfahren zur Überprüfung gedruckter
Verdrahtungsbaugruppen oder anderer komplexer, in elektronischen Vorrichtungen
verwendeter Strukturen auf ihre Vereinbarkeit mit dem RoHS (dem
Gesetz zur Beschränkung
der Verwendung bestimmter gefährlicher
Stoffe) geschaffen. Die XRF ermöglicht
die Verwendung von Brom als Indikatorelement für die Identifikation bromhaltiger
Brandinhibitoradditive, wie Octabromdiphenyl, Decabromdiphenyl,
Octabromdiphenyloxid, Decabromdiphenyloxid und Tetrabrombisphenol
A, und von Chrom als Indikatorelement für Cr VI.
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Obwohl
die Erfindung unter Angabe spezifischer Einzelheiten und Parameter
beschrieben wurde, die bei einer tatsächlichen Analyse verwendet werden,
wird darauf hingewiesen, dass diese beispielhaft und nicht als Beschränkung aufgeführt sind und
dass eine Abweichung von diesen Einstellungen und Werten selbstverständlich auftreten
und weiterhin in den Rahmen und Sinn der Erfindung fallen kann.
Es ist offensichtlich, dass für
Personen mit normalen Fachkenntnissen auf dem Gebiet im Hinblick auf
die vorstehende Beschreibung viele Alternativen, Modifikationen,
Umstellungen und Veränderungen erkennbar
sind. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
sämtliche
derartigen Alternativen, Modifikationen und Veränderungen umfasst, die in den
Rahmen der beiliegenden Ansprüche
fallen. Beansprucht wird:
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ZUSAMMENFASSUNG
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Verfahren zur Bestimmung
des chemischen Inhalts komplexer Strukturen unter Verwendung einer
Röntgenstrahlenmikroana
lyse
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Ein
Verfahren zur Identifikation gefährlicher Substanzen
in einer gedruckten Verdrahtungsbaugruppe mit mehreren separaten
Komponenten unter Verwendung einer Mikroröntgenstrahlenfluoreszenzspektroskopie.
Eine Mikroröntgenstrahlenfluoreszenzspektroskopie
(μ-XRF)
und/oder eine Röntgenstrahlenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie
(XAFS) werden als Erfassungsanalysemittel zur Identifikation von
betreffenden Materialien in einer elektronischen Vorrichtung verwendet.
Die zu untersuchende Vorrichtung oder Baugruppe wird zur Bestimmung
der Elementzusammensetzung an ausgewählten Positionen auf der Baugruppe
als Reaktion auf Informationen in einer Bezugsdatenbank durch Bewegungen
in der X-, der Y- und
der Z-Richtung unter einer Sonde analysiert, wobei die Sonde zur
Analyse in einem optimalen Analyseabstand zu jeder ausgewählten Position
angeordnet wird. Die bestimmte Elementzusammensetzung an jeder ausgewählten Position
wird dann mit der Bezugsdatenbank in Korrelation gebracht, und die
erfassten Elemente werden den verschiedenen Komponenten der Baugruppe
zugeordnet.