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Zerstörungsfrei und berührungslos reale Leitungsstrukturen vollständig charakterisieren

12.12.2016

Elektronische Geräte müssen heute immer größere Datenmengen in gleichzeitig immer kleineren und kompakteren elektrischen Strukturen übertragen. Deshalb wird mit aufwendigen Messverfahren das Übertragungsverhalten der Schaltungen und Baugruppen gemessen. Mit einem neuartigen Verfahren zur berührungslosen und breitbandigen Bestimmung von elektrischen Parametern auf Basis der röntgenbasierten Computertomographie (CT) ist es Wissenschaftlern des Fraunhofer IPA und des IPVS der Universität Stuttgart gelungen, das Verhalten mit den tatsächlichen Bauteilstrukturen zu simulieren und die Qualitätsanalyse deutlich zu verbessern.

Elektronische Geräte in der Industrie, dem Consumer-Bereich, der Logistik und der Messund Medizintechnik generieren und verarbeiten immer größere Datenmengen wie Full- HD-Videos, 3D-Bilddaten oder Daten aus medizinischen Datenbanken. Gleichzeitig werden elektrische Strukturen und Platinen immer kleiner und kompakter, weisen also eine stetig steigende Integrationsdichte auf.


Oben: Foto der Leitungsstruktur erzeugt aus CT-Daten; unten: Vergleich der Ergebnisse der Oberfläche, erzeugt mit klassischem Marching-Cubes-Verfahren (links) und mit neur Vorverarbeitung (rechts)

Fraunhofer IPA


3D-CAD-Modellerzeugung von Leiterbahnen und VIAs mit neuem Verfahren: von Bereichssegmentierung (links) über Regelgeometrieeinpassung (Mitte) bis zum 3D-CAD-Modell (rechts).

Fraunhofer IPA

Die zunehmenden Datenmengen und Bandbreiten erfordern vielfach die Implementierung von Multi-Gigabit-Verbindungen zwischen Komponenten in Systemen und den Systemen selbst, also zwischen sogenannten Interfaces und Netzwerken. Der Frequenzbereich der übertragenen Signale auf physikalischer Ebene solcher Multi-Gigabit-Systeme liegt im ein- bis zweistelligen GHz-Bereich und steigt kontinuierlich.

Dies führt für die Systemrealisierung dazu, dass Methoden und Messverfahren der Hochfrequenztechnik für diese Multi-Gigabit-Verbindungen eingesetzt werden. Hierfür werden sogenannte Streuparameter, kurz S-Parameter, benötigt. Diese dienen zur Charakterisierung von elektrischen Leitungsstrukturen auf Basis von Transmission und Reflexion von Wellen.

Sie beschreiben das Übertragungsverhalten von Schaltungen und Baugruppen, zum Beispiel Dämpfung oder Verstärkung von Signalen, als Black Box und ermöglichen die getreue Abbildung des elektromagnetischen Verhaltens realer Leitungsstrukturen im Computer durch Simulation. Typischerweise müssen diese Leitungsstrukturen nach dem Stand der Technik mit speziellen Messgeräten wie einem vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) zum Teil außerordentlich aufwendig bestimmt werden, da diese durch manuelles Anlegen an erreichbare Kontakte erfolgt.

Demgegenüber haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPA
und der Universität Stuttgart ein neuartiges Verfahren zur berührungslosen und breitbandigen
Bestimmung von elektrischen Parametern und insbesondere von S-Parametern
auf Basis der röntgenbasierten Computertomographie (CT) entwickelt.

Sein Grundprinzip:
Mit einer Software werden nach der Durchstrahlung der Multi-Gigabit-Verbindungsstrukturen metallische Komponenten von nichtleitenden Substanzen, sogenannten Dielektrika, im 3D-Volumendatensatz der CT separiert, automatisiert geometrisch erfasst und klassifiziert. Das Ziel dabei ist die Erstellung vollständiger 3D-Modelle aller vorhandenen Leitungsstrukturen. Im Unterschied zu den CAD-Modellen, die zur Fertigung der Leitungsstrukturen verwendet werden und die die idealen, nominalen Geometriewerte enthalten, handelt es sich bei den CT-basierten 3D-Modellen um die tatsächlichen geometrischen Abmessungen der untersuchten Objekte.

D.h. die CT-basierten 3D-Modelle beinhalten die Abweichungen von der nominalen Geometrie nach der Fertigung. Diese 3D-Modelle werden im Anschluss als Eingangsdaten für die elektromagnetische Feldsimulation verwendet, um elektrische Parameter des Untersuchungsobjekts zu ermitteln. Da es sich bei der Herstellung von Leiterbahnen, gerade mit geringen Abständen und mehrschichtigen Strukturen, um einen komplexen Prozess mit einigen schwer zu steuernden Herstellungsschritten handelt, unterscheiden sich reale und vorab modellierte Strukturen häufig stark voneinander. Der Einfluss dieser Abweichungen auf das spätere elektrische Verhalten des finalen Bauteils ist unter Umständen sehr groß. Daher ist der Bedarf einer verbesserten Analysemethode enorm.

Durch die Nutzung der CT-Technologie können insbesondere auch unzugängliche Strukturen innerhalb von Platinen wie Bonddrähte und Leitungen zwischen den Gehäusekontakten und dem Chip oder bereits mit Bauteilen bestückte Multilayer-Boards untersucht und deren S-Parameter ermittelt werden. Die zerstörungsfreie Charakterisierung unzugänglicher Strukturen bringt im Vergleich zur elektrischen Messtechnik große Vorteile.

Sie bietet die vollständige, zerstörungsfreie und berührungslose Charakterisierung von realen Leitungsstrukturen. Außerdem reduziert das vorgeschlagene CT-basierte Verfahren die Entwicklungskosten um den Faktor 10 bis 100 oder mehr gegenüber der Nutzung eines konventionellen Messgeräts. Dies gilt insbesondere bei Problemen während der Gesamtintegration eines elektronischen Systems, da sich dabei die Fertigstellung des Produkts und somit die Auslieferung beim Kunden verzögern kann.

Fachliche Ansprechpartnerin: Dr.-Ing. Julia Denecke, Telefon +49 711 970-1829, julia.denecke@ipa.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.ipa.fraunhofer.de/innovationspreis_2016.html

Jörg Walz | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

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