Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSDie kontinuierliche Miniaturisierung und die Materialvielfalt in der Mikro- und Leistungselektronik stellen Industrie und Forschung vor neue Herausforderungen. Um die Zuverlässigkeit komplexer elektronischer Systeme zu gewährleisten, sind hochauflösende Analysen erforderlich, die in bestimmten Fällen eine präzise Probenvorbereitung ohne mechanische oder chemische Artefakte voraussetzen. Wasserfreie Präparationstechniken, wie die Kombination von Laser- und Ionenstrahlverfahren, bieten hierfür innovative Lösungsansätze.
Wasserfreie und suspensionsfreie Präparation
Direkter Vergleich zwischen einer metallografischen Präparation (links) und einer Politur mit einem breiten Ionen-Strahl (rechts) eines gekapselten Drahtbondkontakts. Das Verkapselungsmaterial weist beim mit dem breiten Ionen-Strahl präparierten Kontakt Korrosionsprodukte auf, während beim metallografisch präparierten Kontakt lediglich ein zersetzter Bereich zu erkennen ist.
Grundlagen der wasserfreien Präparation
Die Analyse elektronischer Systeme erfordert höchste Präzision, insbesondere wenn komplexe Materialstrukturen wie Metall-Polymer-Keramik-Verbunde oder nanoskalige Schichtsysteme untersucht werden sollen. In den meisten Fällen sind zerstörungsfreie Analysen nicht ausreichend, um die Ursachen von Ausfällen im Detail zu verstehen und anschließend über wirksame Gegenmaßnahmen zu entscheiden. Standardisierte metallographische Präparationsroutinen – etwa mechanisches Schleifen und Polieren oder chemisches Ätzen – sind unter Umständen ungeeignet für die hochauflösende Analyse von Korrosionsprodukten und mechanisch empfindlichen Systemen. Mechanische Verfahren können zu Artefakten wie Rissen, Delaminationen oder unerwünschten Deformationen führen, während chemische Ansätze oft selektiv nur bestimmte Materialkomponenten angreifen. Heute sind präzise ionen- und laserbasierte Präparationsverfahren etabliert, die mechanisch induzierte Präparationsartefakte weitestgehend vermeiden und sowohl die Qualität als auch die Präzision der Präparation verbessern. Auf der Grundlage dieser Methoden haben wir am Fraunhofer IMWS neue, völlig wasser- und suspensionsfreie Präparationskonzepte entwickelt, die Laser- und Breitband-Ionenstrahltechniken kombinieren.
Die wasserfreie Präparation basiert auf der Vermeidung von Flüssigkeiten wie Wasser oder chemischen Suspensionen, die unerwünschte Reaktionen mit sensiblen Materialien auslösen oder diese auswaschen können – insbesondere bei der Untersuchung von Korrosions- und Migrationseffekten. Daher werden ›trockene‹ Präparationsmethoden benötigt, um den Einfluss von Präparationsartefakten auf Analyseergebnisse zu minimieren.
Ultrakurzpulslasertechniken mit extrem kurzen Pulszeiten im Bereich von Femtosekunden (10-15 Sekunden) stellen eine gute Alternative zu wasser- und suspensionsgekühlten Drahtsägemethoden für eine schnelle und effiziente Vorpräparation dar. Gefolgt von ionenbasierten Präparationsverfahren kann eine schnelle und effiziente Endpräparation gewährleistet werden. Diese Methode mit einem Ionenbreitstrahl ermöglichen eine materialschonende Präparation mit einer genauen Kontrolle auf wenige 10µm.
Besonders vorteilhaft ist der Verzicht auf Wasser bei Elektronikkomponenten, die feuchtigkeitsempfindliche Materialien enthalten. Im Falle von Rissen, Delaminationen oder Poren (z.B. bei Sinterschichten) kann Feuchtigkeit eindringen. Zudem können eventuell vorhandene Korrosionsprodukte entfernt werden.
Technologische Ansätze und Workflow
Grundlage der wasserfreien Präparation ist die Kombination aus innovativen Laser- und Ionenstrahltechnologien, um höchste Präzision und Effizienz zu gewährleisten. Der Workflow besteht aus mehreren Schritten, die aufeinander aufbauen.
Die Kombination aus innovativen Laser- und Ionenstrahltechnologien ermöglicht höchste Präzision und Effizienz.
Laserbasierte Vorbearbeitung:
Zu Beginn des Prozesses wird die Probe mit einem leistungsstarken Ultrakurzpulslaser im Bereich von Femtosekunden bearbeitet. Das bietet die Möglichkeit, Material gezielt zu entfernen, nahezu ohne thermische Schäden oder Mikrorisse zu verursachen. Die mit dem Laser zu bearbeitende Probengröße kann dabei im Größenbereich von einigen wenigen Zentimetern liegen. Anders als bei herkömmlichen Lasern, die Wärme in das Material einbringen können, arbeiten Ultrakurzpulslaser mit minimaler Energieeinbringung, wodurch empfindliche Materialgrenzen geschont werden. Der Laserabtrag eignet sich besonders für die gezielte Vorbereitung von Proben mit größeren Volumina oder stark variierenden Materialeigenschaften. Die Flexibilität des Laserprozesses ermöglicht weiterhin eine Freilegung tiefer liegender Strukturen, wie z. B. von Kontakten (Durchkontaktierungen – TSVs) oder das gezielte Entfernen und Freilegen von Leiterbahnen in Halbleiterstrukturen (z. B. Systems-in-Packages – SiP) für eine spätere umfassende Analyse.
Ionenstrahlpolitur für Feinbearbeitung:
Nach der Laserbearbeitung erfolgt die Glättung und Verfeinerung der Probenoberfläche mit einem breiten Ionenstrahl. Hierbei werden mittels Argon-Ionen hochwertige und nahezu artefaktfreie Querschnitte erzeugt. Die Ionenstrahlpräparation ermöglicht dabei eine Bearbeitung in einer Breite von 1 bis 5 Millimetern, maximal bis zu 8 Millimetern. Dieser Schritt ist besonders wichtig, um feinste Strukturen und Materialübergänge für nachfolgende hochauflösende Analysen, wie z. B. REM, EDX, EBSD sowie auch Nanoindentation, sichtbar zu machen.
Optionale Endbearbeitung und Anpassung:
In einigen Fällen kann eine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich sein, etwa die lokale Präparation spezifischer Bereiche mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB). Dies ermöglicht die noch gezieltere Bearbeitung im Mikrometer- oder Nanometerbereichen, um spezifische Details wie Poren, Risse oder Schichtgrenzen sichtbar zu machen. Darüber hinaus können an den erzeugten Querschnitten bei Bedarf sehr gezielt elektronentransparente Lamellen für die höchstauflösende TEM-Analyse bereitgestellt werden.
Die Kombination dieser Technologien erlaubt es, Proben in kurzer Zeit, gezielt und mit hoher Präzision aufzubereiten. Zudem kann der Workflow gegenüber metallografischen Präparationsroutinen einfacher an Anforderungen wie beispielsweise unterschiedliche Probengeometrien, Materialien oder Analyseziele angepasst werden.
Vorteile der wasserfreien Präparation
Die Kombination der Präparationstechniken bieten eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber traditionellen metallografischen Querschliffpräparationen:
- Kaum Artefakte: keine mechanischen oder chemischen Beschädigungen an empfindlichen Materialgrenzen
- Hohe Präzision: Zielpräparation schon bei der Vorbereitung und bei tief liegenden Strukturen
- Effizienz: reduzierte Vorbereitungszeit durch hohe Abtragsraten von Laser und Ionenstrahlverfahren
- Vielseitigkeit: geeignet für komplexe Materialkombinationen und Probengeometrien in der Elektronik
Diese Eigenschaften machen wasserfreie Präparationstechniken zu einer guten Alternative für fortschrittliche Material- und Zuverlässigkeitsanalysen.
Natürlich können auch weniger wasserempfindliche Proben sowie Materialien mit dieser Methode präpariert werden. Dies kann je nach Fragestellung, gegebenenfalls auch einen deutlichen Vorteil hinsichtlich der Zielgenauigkeit und des Präparationsaufwands bieten.
(6. August 2026)