Das Ergebnis zuerst: Bei einer Keramik-Leiterplatte versagt in der Regel weder die Keramik noch das Kupfer, sondern die Grenzfläche zwischen beiden, die auf keiner Zeichnung eingetragen ist. Der Keramikkörper ist fester und steifer als organisches Basismaterial, die Metalllage selbst ist unkritisch. Das Problem sitzt am Übergang. Keramik ist ein dichtes anorganisches Oxid oder Nitrid: ihre Oberfläche bietet keine Porosität, in der Harz ankern könnte, und kein Zwischenmaterial, das chemisches Anrauen aufschließen könnte. Die gesamte FR-4-Kette, anrauen, ankern, über Schälfestigkeit beurteilen, reißt an jeder Stelle. Die Haftung muss daher über einen anderen Mechanismus entstehen, und die Metallisierungsrouten wählen tatsächlich unterschiedliche Mechanismen. Diese Wahl bestimmt, wo die Platine ausfällt, und sie bestimmt, welche Nachweise bei der Freigabe zu fordern sind.
1. Warum die FR-4-Logik der Haftung nicht übertragbar ist
Die Haftung von Kupferfolie auf organischem Basismaterial ist ein gemischt mechanisch-chemisches Ergebnis: Die Folienrückseite trägt eine behandelte Mikrotopografie, das Harz des Prepregs fließt beim Verpressen in diese Topografie und härtet aus, wodurch eine Verankerung entsteht; zusätzlich bindet die Behandlungsschicht chemisch an das Harz. Der Mechanismus setzt zwei Dinge voraus: Auf der Substratseite ein fließ- und härtbares Organikum, auf der Metallseite eine füllbare Rauheit.
Keramik entzieht beides. Sie fließt nicht, härtet nicht aus, und ihre Oberfläche bietet keine vergleichbare füllbare Struktur. Schwerer noch: Auch die Voraussetzung des üblichen Schälkriteriums entfällt. Der Schälversuch misst die Kraft, mit der Folie von einem nachgiebigen, verformbaren Grundkörper abgehoben wird. Keramik verformt sich nicht und lässt kein Abheben zu. Führt man denselben Versuch auf Keramik aus, bricht meist zuerst die Keramik aus, und der erhaltene Wert ist nicht die Grenzflächenfestigkeit, sondern eine Mischung aus Keramikbruchfestigkeit und Grenzflächenfestigkeit. Es hat sich also nicht nur der Mechanismus geändert, sondern Kriterium und Prüfverfahren müssen mitwechseln. Als Vergleich zu den Abwägungen zwischen verschiedenen wärmeführenden Substratfamilien siehe Thermomanagement bei Aluminium-MCPCB.
2. Worauf die einzelnen Metallisierungsrouten die Haftung stützen
Dieser Abschnitt ist der Kern des Beitrags. Es sind nicht "verschiedene Prozesse mit ähnlichem Ergebnis", sondern Routen, die die Haftung auf unterschiedliche physikalische Mechanismen stellen. Entsprechend ist jede gegen etwas anderes empfindlich.
Dickschicht: Glasphase, die die Keramik bei hoher Temperatur benetzt. Die Paste enthält neben Metallpartikeln einen Anteil Glasfritte oder oxidischer Zusatzphase. Beim Brennen erweicht dieser Anteil, benetzt die Keramikoberfläche und reagiert mit ihr; beim Abkühlen bindet er das Netzwerk der Metallpartikel an die Keramik. Die Haftung entsteht somit aus der beim Brand gebildeten Zwischenphase. Empfindlich ist sie gegenüber dem Brennvorgang selbst: Atmosphäre, Temperaturführung, Verträglichkeit von Paste und Keramik. Ist gebrannt, ist die Grenzfläche festgelegt und von Folgeprozessen kaum noch zu korrigieren; umgekehrt sind solche anorganisch und heiß gebildeten Grenzflächen gegenüber späteren Wärmeprozessen meist unempfindlich.
Direktverbindung (DBC-Familie): eutektische beziehungsweise Reaktionsschicht aus dem Hochtemperaturschritt. Kupfer und Aluminiumoxid bilden bei hoher Temperatur in kontrollierter Atmosphäre an der Grenzfläche ein Reaktionsprodukt, das beide verbindet. Die Haftung beruht auf Durchgängigkeit und Dichte dieses Reaktionsprodukts. Empfindlich ist sie gegenüber örtlich nicht oder ungleichmäßig umgesetzten Bereichen: Von oben sind sie von ihrer Umgebung nicht zu unterscheiden, werden aber unter Temperaturwechsel zum Ausgangspunkt. Diese Route hat zudem eine strukturelle Eigenschaft: Der Unterschied der Wärmedehnung zwischen Kupferlage und Keramik besteht über die gesamte Fläche, weshalb die Spannung an Rändern und Ecken von Natur aus höher ist.
Dünnschicht (DPC-Familie): chemische Affinität einer Haftschicht, danach galvanische Verstärkung. Zuerst wird physikalisch eine sehr dünne Übergangsmetallschicht mit chemischer Affinität zur Keramik abgeschieden, darauf eine leitfähige Startschicht, abschließend wird galvanisch auf den benötigten Leiterquerschnitt verstärkt. Die Haftung stützt sich auf die chemische Bindung zwischen Haftschicht und Keramik sowie die Bindung zwischen Haftschicht und darüberliegendem Metall – eine Reihenschaltung, bei der das schwächste Glied das Ganze bestimmt. Empfindlich ist sie gegenüber dem Oberflächenzustand vor der Abscheidung: Restverunreinigung, adsorbierte Feuchte, unzureichende Vorreinigung schlagen unmittelbar in Grenzflächenfehler um, und zwar in solche, die mit dem Auge und in der üblichen Sichtprüfung praktisch unsichtbar sind. Deshalb ist diese Route die vorbehandlungsempfindlichste der vier.
Aktivlot-Verbindung (AMB-Familie): Aktivelemente im Lot reagieren mit der Keramik. Das Lot enthält Elemente, die bei Löttemperatur mit der Keramik reagieren und eine Reaktionsschicht bilden, womit eine metallurgische Verbindung entsteht. Die Haftung kommt aus dieser Reaktionsschicht, und diese Route ist gegenüber Temperaturwechsel üblicherweise am belastbarsten. Empfindlich ist sie gegenüber ungleichmäßiger Lotausbreitung und Reaktion sowie gegenüber Poren in der Lotschicht.
Die vier Routen haben genau eine Gemeinsamkeit: Haftung entsteht nie durch "Auftragen und Andrücken", sondern wird als Zwischenprodukt in einem kontrollierten Hochtemperatur- oder Vakuumschritt erzeugt. Ob dieses Zwischenprodukt vorhanden, durchgängig und gleichmäßig ist, ist der eigentliche Inhalt der Haftung. Zur Auswahl von Route und Basismaterial insgesamt siehe Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid, DPC- und DBC-Prozessrouten.
3. In welchen Prozessschritten die Grenzfläche geprüft wird
Mit ihrer Entstehung ist die Grenzfläche nicht in Sicherheit. Jeder spätere Schritt, der Spannung oder chemische Einwirkung einträgt, prüft sie erneut, und der prüfende Schritt ist üblicherweise nicht der erzeugende. Genau an dieser Lücke beginnen in der Fertigung die Zuständigkeitsdiskussionen.
Strukturierung. Beim Übergang von der Vollfläche zu Leiterbahnen gelangt Ätz- oder Entwicklermedium an jeder Strukturkante an die Grenzfläche. War sie dort schon schwach, dringt das Medium seitlich entlang der Grenzfläche ein, sichtbar als leichtes Abheben oder Verfärben an den Leiterkanten. Der Fehler zeigt sich nach der Strukturierung, seine Ursache liegt in der Metallisierung.
Bohren und Trennen. Dies ist der Schritt mit der höchsten mechanischen Spannungskonzentration. Ob Laser oder mechanisch, nahe der Bearbeitungsstelle entsteht ein örtlicher thermischer oder mechanischer Stoß, und die unmittelbar daneben liegende Metall-Keramik-Grenzfläche nimmt ihn auf. Viele der randnahen Metallabhebungen werden hier ausgelöst. Zu den Prozessgrenzen von Formgebung und Trennen selbst siehe Lochbildung und Trennen von Keramiksubstraten.
Oberflächenbehandlung und Löten. Diese beiden Schritte bringen thermische und chemische Last gleichzeitig: Die Beschichtung führt die Grenzfläche durch eine weitere Chemierunde, das Löten führt die gesamte Struktur durch Wärme. Wie die nach außen gerichtete Seite zu behandeln ist und welche Oberfläche Löten beziehungsweise Drahtbonden jeweils benötigt, ist ein eigenes Thema, siehe Oberflächenbehandlung und Löt-/Bondgrenzfläche bei Keramiksubstraten. Dieser Beitrag betrachtet die nach innen gerichtete Seite, die in diesen Schritten rein passiv ist: Sie wird nicht besser, sie legt nur Vorhandenes offen.
Wärmebelastung nach der Bestückung. Nun ist die Grenzfläche durch Metall, Lot und Bauteile festgelegt. Die Spannung aus der Dehnungsdifferenz kann nicht ausweichen und konzentriert sich auf Grenzfläche und Ecken.
4. Im Betrieb prüft sie ein anderer Satz Bedingungen
Die Fertigungsbelastung sind wenige Ereignisse großer Amplitude, die Betriebsbelastung viele Ereignisse kleiner Amplitude. Beide sieben unterschiedliche Fehlerarten aus. Die Prozessschritte zu überstehen heißt nicht, die Lebensdauer zu überstehen.
Maßgebliche Betriebsbedingung ist der wiederholte Temperaturwechsel. Jeder Durchgang schert die Grenzfläche hin und her, weil Metall und Keramik sich unterschiedlich stark dehnen. Jede Stelle, die ohnehin nicht durchgängig war, wächst unter dieser Wiederholung langsam weiter – aus einem unsichtbaren Punkt wird ein sichtbares Trennband. Kennzeichnend ist, dass es früh überhaupt kein äußeres Anzeichen gibt: Die elektrische Funktion ist in Ordnung, das Aussehen ist in Ordnung, und die Änderung des Wärmewiderstands ist anfangs zu klein, um gemessen zu werden. Wenn sich der Wärmewiderstand deutlich ändert, ist die getrennte Fläche nicht mehr klein.
Deshalb lässt sich die Haftung bei Keramik-Leiterplatten nicht mit "einmal bei Lieferung messen" beherrschen. Die Messung bei Lieferung sagt den aktuellen Zustand der Grenzfläche. Wissen muss man, ob diese Grenzfläche sich unter wiederholter thermischer Beanspruchung ausweitet. Das sind zwei verschiedene Fragen und sollten nicht mit demselben Bericht beantwortet werden.
5. Warum ein Sichtprüfbericht keine Freigabegrundlage ist
Ein erheblicher Teil der tatsächlich erhaltenen Prüfberichte zu Keramiksubstraten besteht überwiegend aus Sichtmerkmalen: keine Kratzer, keine Verunreinigung, keine Randausbrüche, Maße in Toleranz. All das ist zu prüfen, hat aber nur schwachen Bezug zur Haftung, und zwar aus dem Grund, auf den dieser Beitrag immer wieder zurückkommt: Der Träger der Haftung liegt unter der Metalllage, und die Sichtprüfung sieht nur deren Oberseite.
Konkret nicht sichtbar sind mindestens: Oberflächenverunreinigung vor dem Abscheiden der Haftschicht (inzwischen vom darüberliegenden Metall verdeckt), örtliche Unterbrechung einer Reaktionsschicht (das Metall darüber sieht völlig normal aus), Poren innerhalb einer Lotschicht (nicht lichtdurchlässig) und kleine Ablösungen an der Grenzfläche, die noch keinen Rand erreicht haben (keine äußere Öffnung). Eine Platine mit systematischem Grenzflächenfehler kann alle Sicht- und alle elektrischen Merkmale problemlos bestehen.
Die elektrische Prüfung hilft ebenfalls nicht. Durchgang und Isolation messen die Durchgängigkeit des Leitpfads, und eine Grenzflächentrennung beeinflusst den Leiterquerschnitt lange nicht. "Das Metall liegt noch da" und "das Metall haftet noch fest" sind zwei verschiedene Aussagen; die erste belegt die elektrische Prüfung, die zweite kann sie nicht belegen. Dies entspricht der allgemeinen Logik der Qualitätsabsicherung, siehe Qualität und Prüfung.
6. Welche Nachweisklassen die Freigabe fordern sollte
Da weder Sicht- noch elektrische Prüfung dies abdeckt, ist bei der Freigabe nach Nachweisklasse zu fordern und nicht nach Berichtsumfang. Die folgenden Klassen sind nach der Frage geordnet, die jede beantwortet, und es sind verschiedene Fragen.
Klasse 1, Querschnittsnachweis der Grenzfläche. Probe trennen und beurteilen, ob die Verbindung zwischen Metall und Keramik durchgängig ist, ob Poren vorliegen und ob Haft- oder Reaktionsschicht vorhanden und gleichmäßig sind. Dies ist die einzige Nachweisart, die den Träger der Haftung unmittelbar zeigt; alles andere ist mittelbarer Rückschluss. Sie ist zerstörend und damit nur stichprobenweise möglich, aber Stichprobe zu sein ist kein Grund, sie weglassen zu dürfen.
Klasse 2, mechanischer Nachweis der Grenzflächenfestigkeit. Mit einem für Keramik geeigneten Verfahren die Kraft bestimmen, die Metall von Keramik trennt, und wo der Bruch verläuft. Die Bruchlage trägt oft mehr Information als der Wert: Bruch in der Grenzfläche heißt, sie ist das schwächste Glied; Bruch in der Keramik heißt, die Grenzfläche ist fester als der Keramikkörper; Bruch in der Metalllage heißt, die Grenzfläche ist nicht der Engpass. Bei der Forderung ist die Dokumentation der Bruchlage ausdrücklich zu verlangen, nicht nur ein Urteil.
Klasse 3, Wiederholungsprüfung nach thermischer Beanspruchung. Entspricht Abschnitt 4: Proben zunächst einer festgelegten Anzahl Temperaturwechsel aussetzen, dann Klasse 1 und Klasse 2 erneut durchführen und mit unbelasteten Proben vergleichen. Diese Klasse beantwortet "weitet es sich aus" – die Frage, die die beiden ersten nicht beantworten können. Ohne sie gilt eine Haftungsaussage nur für den Liefertag.
Klasse 4, Nachweis der Prozessbeherrschung. Die ersten drei Klassen sind nachgelagerte Stichproben, die Grenzfläche entsteht hingegen in einem einzigen Hochtemperatur- oder Vakuumschritt. Was die Chargengleichmäßigkeit wirklich bestimmt, ist die Überwachung dieses Schritts. Zu fordern sind nachweisgeführte Aufzeichnungen zu Vorbehandlung und Reinigung, Überwachungsaufzeichnungen zu Atmosphäre und Temperaturführung sowie die Festlegung mitlaufender Begleitproben. Stichproben belegen keine Charge, Prozessaufzeichnungen belegen die Charge.
Klasse 5, Grenzen der Änderung. Ausdrücklich festlegen, welche Änderungen die obige Absicherung neu erfordern: Wechsel des Keramiklieferanten, Änderung von Materialsorte oder Dicke, Wechsel der Metallisierungsroute, Änderung der Vorbehandlungschemie, Änderung der Temperaturführung beim Brennen oder Löten. Die Grenzfläche ist eine unmittelbare Funktion dieser Größen; ändert sich eine davon unbemerkt, vertreten frühere Nachweise nicht mehr das aktuelle Produkt.
7. Was die Konstruktionsseite in Zeichnung und Datenpaket erklären muss
Die genannten Nachweise setzen voraus, dass die Forderung in der Zeichnung steht und nicht erst beim Wareneingang erhoben wird. Am häufigsten fehlen diese Punkte.
Die Metallisierungsroute erklären, oder erklären, dass sie nicht vorgegeben ist, aber offenzulegen ist. Abschnitt 2 hat gezeigt, dass die Ausfallart je Route verschieden ist und die Absicherung der Ausfallart folgt. Nur "Keramiksubstrat, Kupferlage" zu schreiben, gibt eine Entscheidung ab, die die Ausfallart bestimmt, und lässt einen mit Berichten zurück, die sich der richtigen Ausfallart nicht zuordnen lassen.
Erklären, wie die Haftung nachzuweisen ist und wie das Annahmekriterium formuliert wird. Einschließlich, ob Querschnitte verlangt werden, ob mechanische Prüfung verlangt wird, ob die Bruchlage zu dokumentieren ist und ob nach thermischer Beanspruchung nachzuprüfen ist. Ohne diese Erklärung ist die Voreinstellung Sichtprüfung plus elektrische Prüfung.
Erklären, welche Bereiche kritisch sind. Metall unter leistungsstarken Bauteilen, Stellen mit Wärmestromkonzentration sowie rand- und ecknahe Metallflächen sehen andere Beanspruchung als große Flächen in der Plattenmitte. Markierte kritische Bereiche geben Stichproben- und Schnittlagen eine Grundlage; ohne Markierung liegen die Schnitte dort, wo es am bequemsten ist.
Anforderungen in Rand- und Bearbeitungsnähe erklären. Abschnitt 3 hat festgehalten, dass Bohren und Trennen randnahes Abheben am ehesten auslösen. Die Anforderungen an Metall zu Plattenrand und Metall zu Lochrand sind daher eindeutig zu formulieren, und die Abnahme hat genau diese Stellen zu prüfen, nicht nur die Plattenmitte.
Änderungslenkung und Rückverfolgbarkeit erklären. Entspricht Klasse 5. Zugleich ist zu fordern, dass Chargen auf die Keramik-Anlieferung und die Metallisierungsaufzeichnungen zurückverfolgbar sind, sonst lässt sich im Fehlerfall der Umfang nicht abgrenzen. Zur Toleranz- und Erklärungspraxis insgesamt siehe Toleranzen und technische Vorgaben, zu den materialseitigen Eingaben siehe Materialien und Lagenaufbau.
8. Wann die Konstruktion zu ändern ist statt den Prozess weiter zu treiben
Manche Grenzflächenprobleme sind kein Mangel an Prozessfähigkeit, sondern Strukturen, die von der Grenzfläche etwas verlangen, das sie nicht leisten kann. In den folgenden Fällen ist zur Konstruktion zurückzugehen.
Große durchgehende Metallfläche auf Keramik, die zugleich großen Temperaturwechseln ausgesetzt ist. Je größer die Fläche, desto größer der aufsummierte Dehnungsunterschied an der Grenzfläche und desto höher die Randspannung. Den Prozess zu treiben bringt hier wenig; wirksamer ist, die große Metallfläche zu unterteilen, Entlastungsspalte einzufügen oder Metallbereiche so zu formen, dass Ecken weniger scharf sind.
Metallkanten, die genau auf einer Fräslinie oder nahe einem Lochrand liegen. Damit werden zwei Beanspruchungen an derselben Stelle übereinandergelegt. Die Metallkante vom Bearbeitungsbereich zurückzuziehen ist verlässlicher, als von der Fertigung schonendere Bearbeitung zu fordern.
Stark unsymmetrische Metallverteilung zwischen den beiden Seiten. Eine einseitig gebundene Struktur verbiegt sich bei Temperaturänderung, und die Verbiegung trägt zusätzliches Biegemoment in die Grenzfläche ein. Symmetrieren ist meist einfacher, als die Grenzfläche zu verstärken.
Eine Route, die zur Betriebsbedingung nicht passt. Ist der Betrieb von wiederholten großen Temperaturwechseln geprägt und die gewählte Route darin nicht stark, dann ist die Route zu wechseln und nicht die Prüfung zu verschärfen. Prüfung siebt nur aus, was schon schlecht gemacht wurde; sie macht eine unpassende Kombination nicht passend.
Zu Produktgrenzen und Eignungsbereich von Keramiklösungen siehe Produktseite Keramik-Leiterplatte; zu den technischen Voraussetzungen in Verbindung mit Mehrlagenaufbauten siehe Multilayer-Leiterplatte; zum gesamten Prozessumfang siehe Fertigungsmöglichkeiten.
FAQ
Frage: Worauf beruht die Haftung der Metalllage auf einer Keramik-Leiterplatte tatsächlich?
Antwort: Auf einem Zwischenprodukt, das zwischen Metall und Keramik in einem kontrollierten Hochtemperatur- oder Vakuumschritt entsteht. Dickschicht stützt sich auf eine Glasphase, die die Keramik beim Brennen benetzt, Direktverbindung auf eine bei hoher Temperatur gebildete Reaktionsschicht, Dünnschicht auf die chemische Affinität eines Übergangsmetalls zur Keramik, Aktivlöten auf die Reaktion von Aktivelementen des Lots mit der Keramik. Gemeinsam ist: Haftung wird nicht angedrückt, sie wird erzeugt.
Frage: Lässt sich das Schälfestigkeitskriterium von kupferkaschiertem Basismaterial auf Keramik anwenden?
Antwort: Nicht unmittelbar. Der Schälversuch setzt einen nachgiebigen, verformbaren Grundkörper voraus, von dem Folie abgehoben werden kann; Keramik erfüllt keine der beiden Voraussetzungen. Unverändert angewendet bricht meist zuerst die Keramik, der Wert enthält dann Keramikbruchfestigkeit und steht nicht für die Grenzflächenfestigkeit. Ein für Keramik geeignetes mechanisches Verfahren verwenden und die Bruchlage dokumentieren lassen.
Frage: Sichtprüfung bestanden, elektrische Prüfung vollständig in Ordnung. Warum reicht das zur Freigabe nicht?
Antwort: Weil der Träger der Haftung unter der Metalllage liegt und die Sichtprüfung nur deren Oberseite sieht, während die elektrische Prüfung die Durchgängigkeit des Leitpfads misst, die von einer Grenzflächentrennung lange unberührt bleibt. Eine Platine mit systematischem Grenzflächenfehler kann alle Sicht- und elektrischen Merkmale bestehen.
Frage: Welche Nachweisklassen sind das Minimum?
Antwort: Fünf. Querschnitt der Grenzfläche (zeigt unmittelbar, ob die Verbindung durchgängig ist), mechanische Grenzflächenfestigkeit mit dokumentierter Bruchlage, Wiederholungsprüfung und Vergleich nach wiederholter thermischer Beanspruchung, nachweisgeführte Aufzeichnungen des Metallisierungsprozesses samt Begleitproben sowie eine vereinbarte Grenze, welche Änderungen eine erneute Absicherung auslösen. Die ersten drei sind nachgelagerte Stichproben; erst die vierte spricht zur Chargengleichmäßigkeit.
Frage: Warum unbedingt "nach thermischer Beanspruchung erneut messen"?
Antwort: Die Messung bei Lieferung nennt den aktuellen Zustand der Grenzfläche, die eigentliche Betriebsbelastung ist jedoch das langsame Ausweiten von Grenzflächenfehlern unter vielen kleinen Temperaturwechseln. Dieses Ausweiten hat früh kein äußeres Anzeichen: elektrische Funktion in Ordnung, Aussehen in Ordnung, Änderung des Wärmewiderstands anfangs nicht messbar. Ohne Nachprüfung nach thermischer Beanspruchung gilt die Aussage nur für den Liefertag.
Frage: In welchem Schritt werden Grenzflächenprobleme meist entdeckt?
Antwort: Meist nicht in dem Schritt, der sie erzeugt hat. Seitliches Eindringen von Medien entlang einer schwachen Grenzfläche bei der Strukturierung, randnahes Abheben ausgelöst durch mechanischen und thermischen Stoß bei Bohren und Trennen, eine weitere Runde thermischer und chemischer Last bei Oberflächenbehandlung und Löten. Diese Schritte legen den Fehler offen, die Ursache liegt in der Metallisierung.
Frage: Welche Erklärung lässt die Konstruktionsseite am häufigsten weg?
Antwort: Die Metallisierungsroute sowie Nachweisverfahren und Annahmekriterium der Haftung. Wird die Route nicht erklärt, gibt man die Entscheidung über die Ausfallart ab; wird das Nachweisverfahren nicht erklärt, erhält man standardmäßig Sichtprüfung plus elektrische Prüfung, die beide die Haftung nicht abdecken.
Frage: Wann sollte der Prozess nicht weiter getrieben, sondern die Konstruktion geändert werden?
Antwort: Große durchgehende Metallfläche, die zugleich großen Temperaturwechseln ausgesetzt ist (unterteilen, Entlastung einfügen, Ecken entschärfen), Metallkanten auf einer Fräslinie oder nahe einem Lochrand (zurückziehen), stark unsymmetrische Metallverteilung zwischen den Seiten (symmetrieren) und eine zur Betriebsbedingung unpassende Route (Route wechseln). Prüfung siebt nur schlecht Gemachtes aus; eine unpassende Kombination macht sie nicht passend.