Fehleranalyse an elektronischen Baugruppen: vom Feldausfall zur belegten Ursache

Ein Steuergerät kommt aus dem Feld zurück, ein Kunde reklamiert eine Charge, eine Baugruppe fällt nach zwei Jahren aus, und ab diesem Moment läuft eine Uhr. Die Untersuchung muss zwei Dinge liefern, die nicht dasselbe sind: eine Ursache, die stimmt, und einen Beleg, den der Lieferant, der Endkunde oder ein Auditor akzeptiert. Fehlstellen werden vielerorts mit dem Auge gesucht und in Worten beschrieben, das Bildmaterial stammt vom Handy, und die schwierigen Fälle gehen an ein externes Labor, dessen Ergebnis Tage später eintrifft. In einem dokumentierten Fall wurde dasselbe Bauteil an zwei Dienstleister geschickt und kam mit zwei unterschiedlichen Ergebnissen zurück. Dieser Leitfaden beschreibt den Weg vom zurückgelaufenen Teil zur belegten Ursache in der Reihenfolge, in der er tatsächlich gegangen wird.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Untersuchung muss zwei Dinge liefern, die nicht dasselbe sind: eine Ursache, die stimmt, und einen Beleg, den der Lieferant, der Endkunde oder ein Auditor akzeptiert.
Das ausgefallene Teil ist meist das einzige Beweisstück, weshalb die Untersuchung in fester Reihenfolge von zerstörungsfrei zu zerstörend läuft und jeder Schritt dokumentiert wird, bevor der nächste ihn unmöglich macht.
Ein Befund trägt erst, wenn er einer Ursachenklasse zugeordnet ist, denn Materialfehler, Fügefehler, Handhabungsschaden und Fremdeintrag führen zu vier verschiedenen Zuständigkeiten.
Der Vergleich mit einem Gutteil derselben Baureihe macht aus einer Beobachtung ein Argument, allerdings nur bei identischer Vergrößerung, identischer Beleuchtung und identischem Bildausschnitt.
Über einen Messwert lässt sich schlechter streiten als über ein Bild, weshalb Rissbreite, Kratzerlänge und Absatzhöhe direkt in der Aufnahme entstehen, und liegt die ausschlaggebende Größe unterhalb eines Mikrometers, misst sie das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X berührungslos an der Probe.

Bevor das erste Bild entsteht: den Zustand des Teils sichern

Das ausgefallene Teil ist meist das einzige Beweisstück, das es gibt, und jeder Handgriff daran verändert es. Reinigen, Auslöten oder das Abwischen eines Belags kann genau die Information zerstören, wegen der die Baugruppe untersucht wird. Am Anfang steht deshalb keine Analyse, sondern eine Bestandsaufnahme: Anlieferzustand, Verpackung, Kennzeichnung und die Lage der Auffälligkeit auf der Leiterplatte.

Sinnvoll ist eine feste Reihenfolge von zerstörungsfrei zu zerstörend, in der jeder Schritt dokumentiert ist, bevor der nächste ihn unmöglich macht. Eine Übersichtsaufnahme der ganzen Baugruppe gehört an den Anfang. Mit Stitching lässt sich eine bestückte Platine in hoher Auflösung zu einem Gesamtbild zusammensetzen, in dem sich die Fundstelle später eindeutig verorten lässt. Wer diese Aufnahme nicht hat, diskutiert im Reklamationsgespräch darüber, an welcher Stelle der Befund eigentlich saß.

Zerstörungsfrei beginnen: was ein Bild als Beleg leisten muss

Ein Foto ist noch kein Nachweis. Damit eine Aufnahme in einer Reklamation trägt, muss sie vier Anforderungen erfüllen, an denen Handykameras, Lupen und Stereomikroskope scheitern.

Auflösung, die den Fehler auflöst. Ein Haarriss, eine abgebrochene Kontaktzunge oder eine Fehlstelle in der Metallisierung wird bei zwanzigfacher Vergrößerung übersehen und ist bei mehreren hundertfacher Vergrößerung eindeutig.
Tiefenschärfe über die ganze Geometrie. Eine Lötstelle, eine Bruchkante oder ein Steckerpin ist alles andere als eben. Mit Tiefenzusammensetzung entsteht aus einer Bildserie eine Aufnahme, in der die gesamte Geometrie scharf ist, statt in zwei unscharfen Ebenen zu zerfallen.
Blick von der Seite. Ob eine Lötstelle benetzt hat oder ob sich eine Beschichtung ablöst, zeigt sich oft erst schräg. Schwenken liefert diese Perspektive, ohne dass das Teil aus seiner Halterung genommen werden muss.
Wiederholbarkeit. Beleuchtung, Vergrößerung und Bildeinstellungen werden gespeichert, damit eine zweite Person am selben Teil zum selben Ergebnis kommt und die Aufnahme später reproduzierbar bleibt.

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX deckt diese vier Punkte in einem Arbeitsgang ab. Für das Labor mit begrenztem Budget reicht ein Aufbau auf einem Fotostativ, für kleine Befunde kommt ein Hochvergrößerungskopf dazu, und wo eine Probe systematisch abgefahren werden soll, arbeitet ein motorisiertes Stativ mit gespeicherten Positionen. Sperrige Baugruppen, die nicht unter ein Stativ passen, werden in der Praxis über ein Sonderstativ mit Gelenkarm erreicht.

Den Befund einordnen: Riss, Bruch, Ablösung, Verunreinigung oder Handhabungsschaden

Sichtbar ist nach dem ersten Durchgang meist etwas. Die eigentliche Arbeit besteht darin, es einer Ursachenklasse zuzuordnen, denn davon hängt ab, wer den Fehler abstellen muss.

Ein Materialfehler zeigt sich an Rissen, die dem Gefüge folgen, an Poren im Grundmaterial oder an Verfärbungen durch thermische Belastung. Ein Fügefehler sitzt in der Verbindung selbst, also in der Lötstelle, im Bond, in der Durchkontaktierung oder in der Klebefläche, und ist von außen häufig nur zu erahnen. Ein Handhabungsschaden hat eine Richtung: Kratzer laufen parallel, eine Kante ist einseitig ausgebrochen, ein Pin ist verbogen statt gebrochen. Ein Fremdeintrag liegt auf der Oberfläche, folgt keiner Struktur des Bauteils und lässt sich ohne Materialbestimmung selten zuordnen.

Der weitere Weg folgt dieser Einordnung. Deutet alles auf die Verbindung, führt der Weg in den Querschliff, den der Beitrag „Lötstelle, Bond und Durchkontaktierung: Rissbilder, Poren und Delamination im Querschliff beurteilen" ausführlich behandelt. Liegt ein Partikel oder ein Belag vor, geht es um Herkunft und Zusammensetzung, wofür der Beitrag „Partikel und Verunreinigungen auf Wafern und Baugruppen: finden, zählen, Herkunft klären" den Ablauf beschreibt.

Der Abgleich mit dem Gutteil: zwei Teile, eine Ansicht, ein Unterschied

Ein Befund allein beweist nichts, solange niemand weiß, wie das Merkmal an einem funktionierenden Teil aussieht. Der Vergleich mit einem Referenzteil aus derselben Baureihe ist deshalb der Schritt, der aus einer Beobachtung ein Argument macht. Er funktioniert nur unter einer Bedingung: Beide Teile werden mit identischer Vergrößerung, identischer Beleuchtung und identischem Bildausschnitt aufgenommen. Eine geteilte Bildansicht, in der Gutteil und Schadteil nebeneinander stehen, macht den Unterschied für jeden sichtbar, der später darüber entscheidet.

In dokumentierten Anwendungen trägt dieser Vergleich Projekte, die sonst nicht lösbar wären. Ein Hersteller von Kameramodulen verliert bei rund 30.000 Modulen pro Woche etwa 0,2 Prozent durch eine sich lösende Klebeverbindung. Gesucht wird nicht der Ausfall selbst, sondern das Oberflächenmerkmal, das die gute von der schlechten Charge unterscheidet, und dieses Merkmal findet sich nur im direkten Nebeneinander. Im Wareneingang beantwortet derselbe Aufbau die Frage, ob ein geliefertes Bauteil dem Referenzmuster entspricht.

Vom Bild zum Messwert: Breite, Tiefe und Höhe des Befunds

Ein Lieferant diskutiert ein Bild. Über einen Messwert diskutiert er schlechter. Sobald ein Riss eine Breite, ein Kratzer eine Länge, eine Ablösung eine Fläche und ein Absatz eine Höhe hat, verlagert sich das Gespräch von der Wahrnehmung auf eine Zahl. Am Digitalmikroskop entstehen diese Werte direkt in der Aufnahme, ergänzt um automatische Flächen- und Partikelmessung, wenn nicht ein einzelner Befund, sondern eine Verteilung beschrieben werden soll.

Manche Ursachen sind allerdings keine Sichtbarkeit, sondern eine Höhe. Ob eine Stufe zwischen zwei Lagen aus der Toleranz gelaufen ist oder eine Funktionsfläche zu rau für ihre Aufgabe, beantwortet erst eine Messung unterhalb eines Mikrometers. Dafür ist das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X das Laborgerät, berührungslos an der Probe und ohne Tastspitze, die eine empfindliche Struktur beschädigen könnte. Wie diese Messwerte als Diagnose gelesen werden, vertieft der Beitrag „Stufenhöhe, Ätztiefe und Rauheit an Halbleiterstrukturen messen: Prozessfehler eingrenzen". Geht es dagegen um Profilschnitte oder die Wölbung einer ganzen Leiterplatte, ist das eine flächige Maßaufgabe für das 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 und nicht Teil der Schadensanalyse.

Die Materialfrage: was der Rückstand ist und was sich davon bestimmen lässt

Bleibt am Ende ein Belag, ein Partikel oder eine Ablagerung übrig, führt kein Bild weiter. Dann lautet die Frage, woraus der Fund besteht, denn erst die Zusammensetzung trennt Flussmittelrückstand, Abrieb aus der eigenen Anlage, Späne aus einem vorgelagerten Prozess und Fremdeintrag voneinander. Eine optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop liefert diese Antwort am selben Arbeitsplatz, an dem der Befund gefunden wurde, und erspart in vielen Fällen den Weg in die Elektronenmikroskopie.

Ihre Grenzen gehören in dieselbe Betrachtung, weil sie in dokumentierten Anwendungen sichtbar geworden sind. Halbleiterlabore mit einer eingespielten elektronenmikroskopischen Analyse beurteilen die Genauigkeit für ihre Fragestellungen als nicht ausreichend. Eine sehr dünne Schicht liegt unter Umständen unterhalb dessen, was sich sauber zuordnen lässt. Und wo die Probe unberührt bleiben muss, weil sie später noch anders untersucht wird, scheidet das Verfahren aus. Wer eine Sauberkeitsanforderung nach ISO 16232 oder VDA 19 erfüllen muss, arbeitet ohnehin mit der Funktion zur Restschmutzanalyse und braucht zusätzlich Extraktion und Filtration, was eine eigene Investition ist.

Wann der Querschliff nötig wird und wann nicht

Der Querschliff ist der Punkt, an dem die Untersuchung unumkehrbar wird. Solange die Frage von außen zu beantworten ist, bleibt sie außen. Sitzt der Verdacht dagegen im Inneren einer Verbindung, etwa als Pore in einer Lötstelle, als Riss unter der Oberfläche oder als Delamination in einer Durchkontaktierung, führt kein Weg daran vorbei.

Zwei Punkte bestimmen die Qualität des Ergebnisses. Vor dem Trennen muss alles dokumentiert sein, was danach fehlt, einschließlich der Lage der Schnittebene relativ zum Befund. Und die Präparation selbst ist die häufigste Fehlerquelle: Ein Schliff, der an der falschen Stelle liegt, zu weit geschliffen oder beim Polieren verschmiert wurde, beantwortet die Frage nicht, sondern erzeugt eine neue. Trennen, Einbetten, Schleifen und Polieren sind ein eigenes Handwerk mit eigener Ausstattung, das die Laborplanung von Anfang an einkalkulieren sollte.

Dokumentation, Durchlaufzeit und die Grenze zum externen Labor

Am Ende steht ein Bericht, und der wird nicht vom Analytiker gelesen, sondern von einem Qualitätsverantwortlichen beim Lieferanten oder beim Endkunden. Er braucht Bilder mit Maßstab, die Messwerte in derselben Datei, die Gegenüberstellung mit dem Gutteil und eine nachvollziehbare Reihenfolge der Schritte. Wenn diese Elemente direkt aus dem Mikroskop in einen Prüfbericht laufen, entfällt das Zusammenkopieren von Hand, das in der Praxis die meiste Zeit kostet und die meisten Fehler erzeugt.

Damit stellt sich die Frage, was im Haus bleibt. Externe Labore und akkreditierte Dienstleister behalten für die harten Fälle ihre Berechtigung, doch mehrere Tage Durchlaufzeit und die Kosten pro Probe machen sie für den Alltag unbrauchbar. In einem dokumentierten Fall wird eine Restschmutzanalyse genau deswegen nur vier bis fünf Mal im Jahr extern beauftragt. Ein eigener Arbeitsplatz rechnet sich dort, wo häufig kleine Fragen anfallen, wo Wareneingang, QS, Fertigung und Entwicklung ihn gemeinsam nutzen und wo die Antwort am selben Tag gebraucht wird. Er ersetzt das externe Labor nicht, sondern sorgt dafür, dass nur noch die Fälle dorthin gehen, die es wirklich brauchen. Wie dieselbe Logik in einem Labor mit eigener Elektronenmikroskopie aussieht, zeigt der Beitrag „Wafer- und Chipanalyse im Labor: Digitalmikroskopie vor REM, FIB und Elementanalyse".

Häufige Fragen

F Womit beginnt die Fehleranalyse an einer zurückgelaufenen Baugruppe?

Mit einer Bestandsaufnahme, nicht mit einer Analyse. Das Teil wird im Anlieferzustand dokumentiert, einschließlich Verpackung, Kennzeichnung und Lage des Befunds auf der Baugruppe, bevor gereinigt, ausgelötet oder zerlegt wird. Eine Übersichtsaufnahme der ganzen Platine, bei Bedarf per Stitching zusammengesetzt, sichert die Verortung des Fundes für alle späteren Diskussionen.

F Wann reicht eine zerstörungsfreie Untersuchung und wann braucht es einen Querschliff?

Solange die Frage von außen zu beantworten ist, bleibt die Untersuchung zerstörungsfrei, weil das ausgefallene Teil das einzige Beweisstück ist. Ein Querschliff wird nötig, wenn der Verdacht im Inneren einer Verbindung liegt, etwa bei einer Pore in der Lötstelle, einem Riss unter der Oberfläche oder einer Delamination in der Durchkontaktierung. Vor dem Trennen muss alles dokumentiert sein, was danach nicht mehr zugänglich ist.

F Wie belegt man gegenüber einem Lieferanten, dass ein Teil fehlerhaft ist?

Durch die Kombination aus Bild, Messwert und Vergleich. Der Befund wird bei einer Vergrößerung aufgenommen, die ihn eindeutig zeigt, anschließend vermessen und mit identischen Einstellungen einem Gutteil gegenübergestellt. Ein Bericht, der diese drei Elemente zusammenführt und die Schrittfolge nachvollziehbar macht, hält im 8D-Bericht und in der Lieferantenklärung stand.

F Was leistet eine Elementanalyse am Digitalmikroskop und wo liegen ihre Grenzen?

Sie beantwortet am selben Arbeitsplatz, woraus ein Partikel, ein Belag oder ein Rückstand besteht, und trennt damit Flussmittel, Abrieb, Späne und Fremdeintrag voneinander. In der Anwendungspraxis zeigen sich auch Grenzen: Labore mit eingespielter elektronenmikroskopischer Analyse beurteilen die Genauigkeit für manche Fragestellungen als nicht ausreichend, sehr dünne Schichten lassen sich unter Umständen nicht sauber zuordnen, und an Proben, die unberührt bleiben müssen, scheidet das Verfahren aus.

F Lohnt sich ein eigener Analysearbeitsplatz gegenüber einem externen Labor?

Er lohnt sich, wenn häufig kleine Fragen anfallen, mehrere Abteilungen ihn nutzen und die Antwort am selben Tag gebraucht wird. Externe Labore bleiben für die schwierigen Fälle sinnvoll, sind mit mehreren Tagen Durchlaufzeit und Kosten pro Probe aber kein Werkzeug für den Alltag. In dokumentierten Fällen wird eine externe Analyse aus genau diesem Grund nur wenige Male im Jahr beauftragt.

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