Lötstelle, Bond und Durchkontaktierung: Rissbilder, Poren und Delamination im Querschliff beurteilen

Eine Verbindung, die dreißig Jahre hält, sieht von außen aus wie eine, die in zwei Jahren aufgibt. Der Unterschied liegt im Inneren, und darum endet die Untersuchung einer Lötstelle, eines Bonds oder einer Durchkontaktierung oft im Querschliff. Die Frage dort lautet nie, wie dick eine Schicht ist. Sie lautet, warum diese Verbindung nachgegeben hat, und ob der sichtbare Befund die Ursache erklärt oder sie nur begleitet. Dieser Beitrag ordnet die Fehlerbilder, die dabei auftreten, und die Schritte, mit denen sie einer Auseinandersetzung standhalten.

Wichtige Punkte im Überblick

Vor dem Trennen steht eine Hypothese und nicht eine Säge, und bewährt hat sich, die ausgefallene Stelle zusammen mit einer funktionierenden Nachbarstelle derselben Baugruppe in dieselbe Ebene zu legen, weil der Unterschied zwischen beiden das Argument trägt und nicht das Einzelbild.
Ein Riss erzählt seine Geschichte über Ursprung und Verlauf: Ermüdung durch Temperaturwechsel beginnt an der Stelle mit der höchsten Dehnung, mechanische Überlast am Ort der Krafteinleitung, und ein Riss unmittelbar an der Grenzfläche zum Anschlusspad deutet auf eine spröde intermetallische Zone hin.
Nahezu jede Lötstelle enthält Poren, weshalb nicht die Pore der Befund ist, sondern ihre Lage, ihr Anteil am tragenden Querschnitt und die Frage, ob der Riss im selben Schliff durch sie hindurch verläuft.
Fehlt an der Grenzfläche die schmale Reaktionszone, hat es nie eine metallurgische Anbindung gegeben, und damit ist die kalte Lötstelle ein Prozessfehler beim Fügen und kein Alterungsschaden, was die Zuständigkeit sofort verschiebt.
Die häufigste Fehldiagnose ist eine Ablösung, die erst beim Schleifen entstanden ist, und getrennt wird sie durch Nachpolieren und einen zweiten Blick auf dieselbe Stelle, denn das Artefakt verändert sich, während die echte Delamination in derselben Form wiederkommt.

Welche Versagensfrage der Schliff beantworten soll

Vor dem Trennen steht eine Hypothese, nicht eine Säge. Hat die Verbindung unter Temperaturwechseln ermüdet, unter mechanischer Last nachgegeben, ist sie nie richtig entstanden, oder hat sie sich über die Betriebszeit verändert? Jede dieser Annahmen erwartet ein anderes Bild und verlangt eine andere Schnittebene. Ohne sie entsteht ein Schliffbild, das jeder Beteiligte nach seinem Interesse liest.

Zwei Dinge gehören deshalb vor den ersten Schnitt: die vollständige Dokumentation dessen, was von außen noch sichtbar ist, und die Festlegung, welche Verbindung geschliffen wird. Bewährt hat sich, die ausgefallene Stelle und eine funktionierende Nachbarstelle derselben Baugruppe in dieselbe Ebene zu legen. Der Unterschied zwischen beiden trägt später das Argument, nicht das Einzelbild.

Riss und Mikroriss in der Lötstelle: Verlauf und Ursprung bestimmen

Ein Riss erzählt seine Geschichte über Ursprung und Verlauf. Ermüdung durch Temperaturwechsel beginnt an der Stelle mit der höchsten Dehnung, meist am Rand der Lötstelle, und wandert von dort durch den Lotkörper, häufig annähernd parallel zur Anschlussfläche. Mechanische Überlast setzt dort an, wo die Kraft eingeleitet wurde, und läuft über den kürzesten tragenden Querschnitt. Verläuft der Riss dagegen unmittelbar an der Grenzfläche zum Anschlusspad, deutet das auf eine spröde intermetallische Zone hin, die unter Last zuerst nachgibt.

Zu belegen sind drei Angaben: wo der Riss beginnt, wie weit er reicht und ob er den tragenden Querschnitt bereits durchtrennt hat. Breite und Länge werden direkt in der Aufnahme gemessen. Mikrorisse sind bei zwanzigfacher Vergrößerung schlicht nicht vorhanden, und in dokumentierten Anwendungen ist die Suche nach einem Mikroriss in einer Laserschweißnaht an einem elektronischen Kühlelement die gesamte Prüfaufgabe.

Poren und Lunker: wann sie den Ausfall wirklich erklären

Nahezu jede Lötstelle enthält Poren. Der Befund ist deshalb nicht die Pore, sondern ihre Bedeutung, und die hängt an drei Fragen. Wo liegt sie: Eine Pore mitten im gut angebundenen Lot wird umflossen, eine Porenkette an der Grenzfläche verkleinert die angebundene Fläche und bietet einem Riss einen Startpunkt. Wie groß ist ihr Anteil am tragenden Querschnitt. Und läuft der Riss im selben Schliff durch die Poren hindurch oder an ihnen vorbei.

Grenzwerte kommen aus der eigenen Prozessvorgabe oder der Produktnorm, nicht aus dem Bild. Ein Schliff zeigt außerdem eine Ebene, weshalb die Frage, ob die Porenverteilung repräsentativ ist, erst mehrere Schnitte beantworten. Eine flächige Sichtung vieler Verbindungen ist keine optische Aufgabe.

Kalte Lötstelle und unzureichende Benetzung nachweisen

Wo eine Verbindung entstanden ist, zeigt der Schliff an der Grenzfläche eine schmale Reaktionszone. Fehlt sie, hat es nie eine metallurgische Anbindung gegeben. Die kalte Lötstelle erscheint dann als durchgehende Trennlinie zwischen Lot und Anschlussfläche, die unzureichende Benetzung als steiler Randwinkel und als Lot, das eher steht als fließt. Beides ist ein Prozessfehler beim Fügen und kein Alterungsschaden, was die Zuständigkeit sofort verschiebt.

Vorsicht ist bei jedem Spalt geboten. Eine Trennlinie kann auch beim Präparieren entstehen, weshalb der Nachweis erst zählt, wenn die Präparation als Ursache ausgeschlossen ist.

Bonddraht und Bondstelle: abgehobene und angerissene Verbindungen

Bonddrähte ab etwa 30 µm gehören in dokumentierten Anwendungen zum Standardrepertoire eines Elektroniklabors. Vier Fehlerbilder treten wiederkehrend auf: der vollständig abgehobene Bondfuß, der auf Verunreinigung oder zu geringen Energieeintrag deutet; der Anriss am Übergang vom Fuß zur Drahtschlaufe, der aus Biegewechselbeanspruchung stammt; der übermäßig verquetschte Fuß, der auf zu hohen Energieeintrag hinweist; und Risse unterhalb des Fußes in der Metallisierung, bei denen nicht der Bond, sondern der Untergrund versagt hat.

Die Schnittebene muss dafür entlang der Drahtachse laufen, sonst fehlt genau der Übergang, an dem der Anriss sitzt. Weil eine Drahtschlaufe alles andere als eben ist, entsteht das auswertbare Bild erst über die Tiefenzusammensetzung.

Delamination in der Durchkontaktierung vom Präparationsartefakt trennen

Hier entsteht die häufigste Fehldiagnose. Eine Ablösung zwischen Kupferhülse und Laminat kann echt sein, etwa durch Wärmeeintrag, Feuchte oder eine schlechte Anbindung, oder sie kann beim Schleifen entstanden sein. Ein Artefakt bleibt meist örtlich begrenzt, folgt der Schleifrichtung, hat verschmierte Ränder und verändert sich nach weiterem Polieren. Eine echte Delamination setzt sich über die Tiefe fort, zeigt saubere oder oxidierte und verfärbte Flanken und kommt nach dem Nachpolieren in derselben Form wieder.

Daraus folgt eine feste Routine: nachpolieren, dieselbe Stelle erneut aufnehmen und beide Bilder gegenüberstellen. Wo es die Probenmenge erlaubt, bestätigt ein zweiter Schliff an einem weiteren Muster den Befund. Ein Ergebnis, das auf einem einzigen Poliergang beruht, hält in einer Lieferantenklärung nicht stand.

Thermische Schädigung und gelöste Klebeverbindungen belegen

Ein Wärmeschaden hört nicht an der Verbindung auf. Verfärbtes Laminat, verkohltes Harz, Trennungen zwischen den Lagen und ein brauner Saum um die Anschlussfläche zeigen, dass die Baugruppe eine Belastung gesehen hat, die weit über dem Prozessfenster lag. Das trennt die schlecht gefügte Verbindung von der später überlasteten.

Bei Klebeverbindungen entscheidet, wo die Trennung verläuft. Löst sie sich an der Grenzfläche zum Bauteil, weisen Oberflächenvorbereitung, Beschichtung oder eine Verunreinigung den Weg. Reißt sie durch den Klebstoff selbst, geht es um Material, Aushärtung oder Belastung. Bleibt in der Trennebene ein Rückstand, lässt sich seine Zusammensetzung mit einer optionalen Elementanalyse am Digitalmikroskop bestimmen, deren dokumentierte Grenzen der Beitrag „Partikel und Verunreinigungen auf Wafern und Baugruppen: finden, zählen, Herkunft klären" beschreibt.

Trennen, Einbetten und Polieren, ohne den Befund zu zerstören

Die meisten misslungenen Schliffe scheitern nicht an der Beurteilung, sondern daran, dass der Befund vorher verloren ging. Getrennt wird mit Abstand zur Zielebene, damit die Säge nicht durch die Fehlstelle läuft, und der Rest wird abgetragen. Eingebettet wird so, dass die Verbindung gestützt ist, weil weiches Lot ohne Stützung verschmiert und poröse Zonen ausbrechen. Geschliffen wird in kontrollierten Schritten mit Zwischenkontrolle unter dem Mikroskop, denn über die Zielebene hinaus führt kein Weg zurück. Diese Zwischenkontrolle ist in Laboren ein eigener Arbeitsschritt, mit dem geprüft wird, ob eine Probe weit genug geschliffen ist.

Präparation ist ein eigenes Handwerk mit eigener Ausstattung, und in dokumentierten Anwendungen gehört die Schleif- und Poliertechnik neben das Mikroskop oder ist bereits vorhanden. Wer sie beim Aufbau eines Analysearbeitsplatzes vergisst, bekommt Bilder, die keine Frage beantworten.

Glänzendes Lot: den Befund trotz Reflexionen sichtbar machen

Poliertes Lot ist ein Spiegel, und in mehreren Projekten sind Reflexionen die eigentlich genannte Hürde. Im Dunkelfeld treten Risse und Poren als dunkle Strukturen aus der reflektierenden Matrix hervor, polarisiertes Licht nimmt den Blendfleck, koaxiale Beleuchtung hält die polierte Fläche gleichmäßig. Belastbar wird die Darstellung, wenn dieselbe Stelle in Hellfeld und Dunkelfeld dokumentiert ist, weil sich beide Aufnahmen gegeneinander prüfen lassen.

Eben ist ein Schliff selten: Geätzte Bereiche, weiches Lot und ausgebrochene Kanten liegen auf verschiedenen Höhen. Ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX legt über die Tiefenzusammensetzung die gesamte Fläche scharf zusammen und speichert Beleuchtung und Vergrößerung, damit eine zweite Person dieselbe Aufnahme erzeugt.

Wenn der Schliff die Ursache nicht zeigt: der nächste Schritt

Manchmal bleibt das Schliffbild unauffällig. Dann steht als Erstes die Frage, ob die Ebene neben dem Fehler liegt, was ein tieferes Polieren oder ein zweiter Schnitt klärt. Danach kommen das Ätzen, um das Gefüge sichtbar zu machen, und die Bestimmung eines Rückstands in der Fügezone über seine Zusammensetzung.

Ist die ausschlaggebende Größe keine Sichtbarkeit, sondern eine Höhe, eine Stufe oder eine Rauheit in der Fügezone, wird daraus eine Messaufgabe für das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X, die der Beitrag „Stufenhöhe, Ätztiefe und Rauheit an Halbleiterstrukturen messen: Prozessfehler eingrenzen" behandelt. Löst erst ein elektronenmikroskopisches Verfahren die Struktur auf, geht die Probe weiter, und der Beitrag „Wafer- und Chipanalyse im Labor: Digitalmikroskopie vor REM, FIB und Elementanalyse" beschreibt diese Kette. Auch ein unauffälliger Schliff ist ein Ergebnis und gehört dokumentiert, weil er eine Hypothese ausschließt.

Häufige Fragen

F Woran erkennt man im Querschliff, ob ein Riss thermisch oder mechanisch entstanden ist?

Am Ursprung und am Verlauf. Ermüdung durch Temperaturwechsel beginnt an der Stelle mit der höchsten Dehnung, meist am Rand der Lötstelle, und läuft von dort durch den Lotkörper. Mechanische Überlast beginnt am Ort der Krafteinleitung und nimmt den kürzesten tragenden Querschnitt. Ein Riss unmittelbar an der Grenzfläche zum Anschlusspad deutet dagegen auf eine spröde intermetallische Zone hin.

F Ab wann erklärt eine Pore den Ausfall einer Lötstelle?

Wenn sie an der Grenzfläche liegt und die angebundene Fläche verkleinert, wenn ihr Anteil am tragenden Querschnitt groß ist, oder wenn der Riss im selben Schliff durch sie hindurch verläuft. Eine einzelne Pore mitten im gut angebundenen Lot erklärt in der Regel nichts. Der zulässige Anteil ergibt sich aus der eigenen Prozessvorgabe oder der Produktnorm und lässt sich nicht aus dem Bild ableiten.

F Wie unterscheidet man eine Delamination von einem Präparationsartefakt?

Durch Nachpolieren und einen zweiten Blick auf dieselbe Stelle. Ein Artefakt ist örtlich begrenzt, folgt der Schleifrichtung, hat verschmierte Ränder und verändert sich beim weiteren Polieren. Eine echte Delamination setzt sich über die Tiefe fort, zeigt saubere oder verfärbte Flanken und erscheint nach dem Nachpolieren unverändert. Ein zweiter Schliff an einem weiteren Muster sichert den Befund zusätzlich ab.

F Warum sind Schliffbilder von Lötstellen so schwer aufzunehmen?

Poliertes Lot spiegelt, und die Fläche ist nach dem Ätzen nicht eben. Dunkelfeld hebt Risse und Poren aus der reflektierenden Matrix heraus, polarisiertes Licht nimmt die Blendung, und die Tiefenzusammensetzung legt unterschiedlich hohe Bereiche in einer scharfen Aufnahme zusammen. Dieselbe Stelle in Hellfeld und Dunkelfeld zu dokumentieren, macht den Befund überprüfbar.

F Was tun, wenn der Querschliff keine Ursache zeigt?

Zuerst prüfen, ob die Schnittebene neben dem Fehler liegt, und tiefer polieren oder einen zweiten Schnitt anlegen. Danach folgen das Ätzen zur Darstellung des Gefüges und die Bestimmung eines Rückstands in der Fügezone. Bleibt die Frage offen, entscheidet, ob eine Höhe oder Rauheit gemessen werden muss oder ob nur ein elektronenmikroskopisches Verfahren die Struktur auflöst.

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