Was ist DPA bei hermetisch abgedichteten Bauteilen?

Was bedeutet DPA im Zusammenhang mit hermetisch versiegelten Bauteilen?

Guten Tag! Wenn Sie sich mit hochzuverlässiger Elektronik beschäftigen, insbesondere in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie oder der Raumfahrtindustrie, in denen Ausfälle nicht toleriert werden, sind Sie bei der Erörterung hermetisch versiegelter Komponenten wahrscheinlich bereits auf den Begriff DPA gestoßen. DPA ist die Abkürzung für „Destructive Physical Analysis“ (zerstörende physikalische Analyse) und stellt im Wesentlichen den „Goldstandard“ für die Demontage elektronischer Bauteile dar, insbesondere von hermetisch versiegelten, um deren Innenteile zu untersuchen und die Einhaltung der technischen Spezifikationen zu überprüfen. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen einen absolut einwandfreien Mikrochip, der zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen hermetisch in einem Glas-Metall- oder Keramikgehäuse eingeschlossen ist, und zerlegen ihn methodisch Schritt für Schritt. Genau das ist DPA: ein sorgfältiger, systematischer Prozess, mit dem festgestellt werden kann, ob Konstruktion, Materialien, Montage und Fertigungsqualität den höchsten Standards entsprechen. Für ein internationales Elektronikprüfunternehmen wie das unsere, das sich auf hermetisch versiegelte Bauteile spezialisiert hat, ist DPA nicht nur eine Prüfung, sondern die Garantie dafür, dass Ihre Komponenten den härtesten Betriebsbedingungen standhalten – von Satellitenbahnen bis hin zu Tiefseeanlagen.

Hermetisch versiegelte Bauteile sind elektronische Komponenten wie integrierte Schaltkreise, Dioden oder Sensoren, die in hermetisch versiegelte Gehäuse eingekapselt sind, welche eine luftundurchlässige Barriere bilden. Stellen Sie sich diese als winzige Festungen vor, die die empfindlichen Siliziumkristalle vor der Außenwelt schützen. Dass sie hermetisch verschlossen sind, bedeutet jedoch nicht, dass sie im Inneren makellos sind. Genau hier kommt die DPA ins Spiel, da diese Methode über die zerstörungsfreie Prüfung hinausgeht: Sie beinhaltet das physische Öffnen dieser Gehäuse, um versteckte Defekte aufzudecken, wie beispielsweise Hohlräume in der Dichtung, mangelhafte Drahtverbindungen oder Verunreinigungen im Material, die später zu einem katastrophalen Ausfall führen können. Wir haben in unseren Labors wiederholt beobachtet, wie Bauteile, die elektrische Prüfungen mit lautstarkem Versagen durchlaufen haben, einer gründlichen Überprüfung mittels DPA standhalten. Dieses Verfahren ist von entscheidender Bedeutung für die Zertifizierung von Bauteilen der Klasse S – der strengsten Klasse, die für Raumfahrt- und militärische Anwendungen existiert – und wird durch Normen wie MIL-STD-1580 geregelt, in der alle erforderlichen Schnitte, Prüfungen und Messungen detailliert beschrieben sind.

Warum hermetisch versiegelte Bauteile die DPA-Prüfung in höherem Maße erfordern als andere

Eine hermetisch versiegelte Verpackung steht in erster Linie für Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen: im Vakuum des Weltraums, bei Temperaturwechselbeanspruchungen von -55 °C bis 125 °C oder in Umgebungen mit hoher Strahlenbelastung. Nicht abgedichtete Kunststoffbauteile mögen für Unterhaltungselektronik durchaus geeignet sein, doch abgedichtete Bauteile mit Metallgehäusen, Keramikabdeckungen oder Glasfrittdichtungen sind für den Einsatz unter missionskritischen Bedingungen konzipiert. Die Durchführung einer DPA-Prüfung für solche Bauteile ist zwingend erforderlich, da die Integrität der Dichtung von entscheidender Bedeutung ist. Ein geringfügiges Leck oder eine mangelhafte Lötverbindung können bei Dichtheitsprüfungen wie der Prüfung auf kleine Leckagen unbemerkt bleiben, doch die DPA deckt diese beim Öffnen des Gehäuses und beim Querschnitt auf. Nach unseren Erfahrungen, die wir bei der Prüfung von Tausenden von Chargen für Kunden weltweit gesammelt haben, deckt die DPA bei hermetisch versiegelten Bauteilen häufig Probleme wie eine unsachgemäße Befestigung des Kristalls auf, die zu thermischer Ausdehnung führen kann, oder Verunreinigungen, die während des Herstellungsprozesses entstanden sind und die langfristige Stabilität gefährden. Hierbei handelt es sich nicht um zerstörende Prüfungen um der Zerstörung willen; vielmehr geht es darum, Vertrauen in Ihre Lieferkette aufzubauen.

Lassen Sie uns dies näher betrachten: Bei der hermetischen Versiegelung kommen Technologien wie Nahtschweißen, Parallelspalt-Schweißen oder Laserschweißen zum Einsatz, um Metallkappen mit den Sockeln zu verbinden, häufig unter Verwendung von Rahmen aus Kovar oder einer Legierung 42, die unter Berücksichtigung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (KTR) des im Inneren befindlichen Siliziums ausgewählt werden. Das Unternehmen DPA überprüft, dass diese Dichtungen nicht nur luftdicht sind – sie sind auch einwandfrei gefertigt. Wir beginnen mit einer äußeren Begutachtung, führen anschließend eine Röntgenuntersuchung auf innere Hohlräume durch und öffnen danach die Produkte. Im Rahmen internationaler Projekte gewährleistet die Einhaltung der Normen ECSS-Q-ST-61 oder JEDEC sowie der militärischen MIL-Spezifikationen, dass Ihre hermetisch versiegelten Bauteile den vielfältigen normativen Anforderungen entsprechen, sei es bei Missionen der ESA oder bei Verträgen mit dem US-Verteidigungsministerium.

Der vollständige DPA-Prozess für hermetisch versiegelte elektronische Bauteile

Die Durchführung einer DPA an hermetisch versiegelten Bauteilen gleicht einer forensischen Untersuchung eines Geräts, von dem sehr viel abhängt. Es handelt sich um einen mehrstufigen Prozess – vom gesamten Bauteil bis hin zum mikroskopischen Querschnitt –, bei dem jeder Schritt es ermöglicht, eine weitere Schicht „abzutragen“ und so ein vollständiges Bild der Qualität zu gewinnen. In unseren Labors bearbeiten wir alles – von veralteten Bauteilen nach Militärstandard bis hin zu hochmodernen, hermetisch versiegelten Gehäusen auf GaN-Basis – und befolgen dabei stets eine strenge Abfolge von Schritten, um ein Maximum an Daten zu gewinnen. Der Prozess beginnt mit der Dokumentation – Rückverfolgbarkeit der Charge, technische Datenblätter und Basismessungen –, denn was nicht katalogisiert wurde, lässt sich nicht analysieren.

Schritt 1: Äußere Sichtprüfung und erste zerstörungsfreie Prüfungen

Bevor wir mit den zerstörenden Prüfungen Ihrer hermetisch versiegelten Bauteile beginnen, führen wir eine gründliche Begutachtung durch. Im Rahmen der äußeren Sichtprüfung unter Stereomikroskopen mit einer Vergrößerung von 10- bis 50-fach wird das Gehäuse auf Risse, Verschiebungen des Deckels, hervorstehende Anschlüsse oder Unregelmäßigkeiten in der Beschichtung untersucht. Bei hermetisch dichten Gehäusen legen wir besonderen Wert auf die Qualität der Schweißnähte – diese müssen durchgehend und porenfrei sein, und die eingelassenen Kontakte müssen bündig mit der Oberfläche abschließen. Anschließend kommt die „schwere Artillerie“ der zerstörungsfreien Prüfung zum Einsatz: Dichtheitsprüfungen mittels Helium-Leckdetektion (Erkennung von Lecks bis zu einer Größe von 10⁻⁹ atm-cm³/s) sowie Prüfungen auf größere Lecks unter Verwendung von Luftblasen. Das Verfahren zur Erkennung von Partikelstoßgeräuschen (PIND) besteht darin, das Bauteil zu schütteln, um das Klappern freier Partikel im Inneren festzustellen, die später zu einem Kurzschluss führen könnten. Anschließend wird eine Röntgenuntersuchung durchgeführt, mit der Abweichungen in der Verdrahtung, Risse im Kristall oder Hohlräume im Epoxidharzverguss festgestellt werden können, sofern es sich um ein hermetisch versiegeltes Hybridgehäuse handelt. Die akustische Mikroskopie (C-SAM) mittels Ultraschall ermöglicht es, Ablösungen zwischen Kristall und Substrat zu kartieren. Diese Schritte bestätigen die äußere Unversehrtheit des Gehäuses, bevor wir mit dessen Öffnung beginnen.

Bei einem unserer jüngsten Projekte für einen europäischen Satellitenhersteller deckten unsere äußeren Inspektionen bei 2 % der Charge kaum wahrnehmbare Dellen am Deckel auf – auf den ersten Blick harmlos, doch ein Hinweis auf einen Drucküberschuss während des Versiegelungsvorgangs. Hätten wir sofort mit den zerstörenden Prüfungen begonnen, wäre dieser Produktionsfehler unbemerkt geblieben.

Schritt 2: Entkapselung und Öffnung der hermetischen Dichtung

Nun beginnt der spannendste Teil: das Öffnen der hermetischen Versiegelung. Bei hermetisch verschlossenen Gehäusen aus Metalldosen wenden wir Säureätzung oder Plasmafräsen an, um den Deckel zu entfernen, ohne die inneren Komponenten zu beschädigen. Keramikgehäuse können mit einer Diamantsäge oder durch Laserablation bearbeitet werden. Ziel ist das kontrollierte Entfernen des Deckels, um den Innenraum freizulegen. Bei der Sichtprüfung der inneren Teile unter einem optischen Mikroskop werden Verunreinigungen, Korrosion oder Fremdkörper (FOD) festgestellt. Die Drahtverbindungen werden sorgfältig geprüft: Goldkugelverbindungen müssen einen „Heel-to-Toe“-Kontakt ohne abstehende Enden aufweisen, während Aluminium-Keilverbindungen gleichmäßig zusammengedrückt sein müssen. Die Qualität der Kristallbefestigung ist von entscheidender Bedeutung: Eutektische AuSn-Lote oder Hochtemperaturlote müssen eine 100-prozentige Abdeckung gewährleisten, ohne dass Hohlräume mehr als 10 % der Fläche einnehmen. Bei hermetisch verschlossenen Gehäusen prüfen wir zudem die Glasversiegelungsschichten über dem Kristall auf Mikroporen oder Risse, da diese den Schutz vor Ionenverunreinigungen gewährleisten.

Besondere Aspekte hermetischer „Glas-Metall“-Verbindungen

Glas-Metall-Dichtungen, die häufig in älteren HF-Transistoren oder hermetisch versiegelten Hochleistungsbauelementen zum Einsatz kommen, erfordern besondere Sorgfalt. Wir entfernen vorsichtig die Abdeckung, um den Grad der Glasverdichtung um die Anschlüsse herum zu überprüfen – die Anschlüsse müssen zentriert sein, und im Glasrohling dürfen keine Blasen vorhanden sein. Ein Schnitt zeigt, ob die Lötlegierung korrekt eingedrungen ist, was die Vakuumdichtheit gewährleistet.

Schritt 3: Zerstörende mechanische Prüfungen

Nach dem Freilegen der inneren Elemente erhöhen wir die Belastung. Im Rahmen der Zugfestigkeitsprüfungen werden einzelne Drähte mit Hilfe eines Kraftmessers einer Zugbelastung ausgesetzt, um sicherzustellen, dass die Zugfestigkeit die Mindestanforderungen der Norm MIL-STD-883 (z. B. 5 g für einen 1-mil-dicken Golddraht). Bei der Scherprüfung wird ein Meißel gegen die Matrize gedrückt, um die Adhäsion zu messen, was für die Wärmepfade in hermetisch versiegelten Hochleistungsbauelementen von entscheidender Bedeutung ist. Die Scherprüfung an den Lötanschlüssen erfolgt nach einem ähnlichen Schema. Diese Prüfungen ermöglichen eine quantitative Bewertung der Fertigungsqualität; schwache Verbindungen deuten auf eine mangelhafte Ultraschallverschweißung oder verunreinigte Oberflächen hin.

Schritt 4: Anfertigung von Querschnitten und eingehende mikroskopische Untersuchung

Der entscheidende Schritt: der Mikroschnitt. Das Bauteil wird mit Epoxidharz vergossen, anschließend geschliffen und poliert, um die durch den Kristall, die Verbindungen und den Substrat verlaufenden Ebenen freizulegen. Mit Hilfe von optischen Mikroskopen bei einer 100- bis 500-fachen Vergrößerung wird die Schichtdicke überprüft: Die Metallisierung muss den Konstruktionsspezifikationen entsprechen, und die Anzahl der intermetallischen Verbindungen sollte minimal sein. Die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) in Kombination mit der energiedispersiven Spektroskopie (EDS) ermöglicht die Erstellung einer Karte der elementaren Zusammensetzung, wodurch violette Au-Al-Flecken oder ein Pb-Überschuss in den Loten erkannt werden. Bei hermetisch versiegelten Bauteilen prüfen wir die Unversehrtheit des Dichtungsrings: Die Verbindungen zwischen dem Kovar und der Keramik müssen zeigen, dass an den Grenzflächen keine Diffusion stattfindet.

In dieser Phase werden häufig kaum erkennbare Defekte festgestellt, wie beispielsweise durch Thermoschock entstandene Mikrorisse oder eine zu dünne Verglasungsschicht (<100 nm), was zu einer Beeinträchtigung des Schutzes vor elektrostatischer Entladung (ESD) führt.

Wichtige Prüfverfahren für hermetisch versiegelte Bauteile im Rahmen der DPA

Hermetisch versiegelte Bauteile zeigen ihre Vorteile (oder offenbaren ihre Schwächen) im Rahmen spezieller DPA-Prüfungen, die unter Berücksichtigung ihrer hermetischen Bauweise entwickelt wurden. Die Prüfung der Lötbarkeit erfolgt durch das Aufbringen von SnPb- oder SAC305-Lot auf die Anschlüsse, wodurch sichergestellt wird, dass kein Ablösen des Lots aufgrund von Oxidation auftritt. Die Unversehrtheit der Passivschicht wird durch Ätzen unter Bewertung der chemischen Beständigkeit geprüft, wodurch die Unversehrtheit der Passivschichten bestätigt wird. Die Analyse der Metallisierung mittels SEM/EDS ermöglicht es, die Dicke der Aluminiumschicht (mindestens 1 µm) zu messen und Hohlräume aufzudecken. Die Bewertung der Dichtheit beschränkt sich nicht nur auf die Erstprüfungen: Nach der DPA werden im Rahmen der Sanierung gelegentlich Wiederholungsprüfungen an geöffneten Bauteilen durchgeführt, um diese mit den Ausgangswerten zu vergleichen.

Speziell für die Dichtheitsprüfung entwickelte Tests: Prüfung auf kleine Leckagen, Prüfung auf große Leckagen und weitere Methoden

Die Dichtheit ist das „Herzstück“ dieser Bauteile. Bei der Prüfung auf kleine Leckagen wird die Helium-Massenspektrometrie zur quantitativen Bewertung der Permeabilität eingesetzt; Werte unter 5×10⁻⁸ atm-cm³/s entsprechen den militärischen Spezifikationen. Bei der Prüfung auf große Leckagen wird das Bauteil in heißes Öl oder ein fluoriertes Kältemittel getaucht, um Blasen zu erkennen. Das PIND-Verfahren garantiert, dass keine Partikel durch Mikroleckagen eingedrungen sind. Bei der Durchführung einer DPA-Prüfung ist eine Undichtigkeit häufig auf Probleme mit der Ebenheit des Deckels oder auf Verunreinigungen der Klemmrohre in Gehäusen zurückzuführen, die mit Gettern ausgestattet sind.

Materialanalyse zur Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit

Mithilfe von FTIR und XRF wird ein Scan auf organische Substanzen oder Schwermetalle durchgeführt. Bei hermetisch versiegelten Hybridbauelementen zerlegen wir Mehrchip-Module und prüfen dabei die Reinheit des Hohlraums sowie das Entgasungspotenzial des Klebstoffs.

Normen und Konformität bei der DPA-Prüfung hermetisch versiegelter Bauteile

Die Arbeit mit Normen ist unser Kerngeschäft. Die Norm MIL-STD-1580 ist das grundlegende Dokument für die DPA von elektronischen Bauteilen und schreibt die in den Normen MIL-STD-883 (Mikrochips) und MIL-STD-202 (passive Bauteile) festgelegten Abfolge vorschreibt. Für die Raumfahrtindustrie legt der NASA-Standard EEE-INST-002 zusätzliche Anforderungen an die Herkunft der Produkte fest. Internationale Kunden orientieren sich am Standard ESCC 2001 für hermetisch gekapselte elektronische Bauteile oder am AEC-Q100 für die Automobilindustrie. Wir passen die Prozesse von DPA unter Berücksichtigung dieser Anforderungen an und gewährleisten so deren weltweite Anerkennung.

Qualifizierung der Klasse S: der Gipfel der Perfektion für hermetisch gekapselte Mikrochips

Die Klasse S (Raumfahrtstandard) erfordert die Durchführung eines vollständigen DPA-Zyklus für Qualifikationschargen mit einer 100-prozentigen Stichprobenprüfung für Bordgeräte. Hermetisch gekapselte lineare Hybridschaltungen oder strahlungsbeständige FPGAs durchlaufen erweiterte Tests unter Verwendung von Querschnitten zur Überprüfung des Strahlungsschutzes.

Häufige Defekte, die bei der DPA-Prüfung hermetisch versiegelter Bauteile festgestellt werden

Im Laufe der Jahre haben sich bei den Prüfungen charakteristische Muster herauskristallisiert. An erster Stelle steht das Ablösen von Drahtverbindungen von verunreinigten Au-Oberflächen, gefolgt von Hohlräumen bei der Kristallbefestigung, die zur Bildung von „Hot Spots“ führen. Leckagen aufgrund der Porosität von Schweißnähten stellen ein ernstes Problem für Gehäuse mit Nahtabdichtung dar. Querschnitte zeigen eine Ausdünnung der Metallschichten infolge übermäßigen Ätzens sowie positive PIND-Testergebnisse, die durch Lötkugeln verursacht werden. Fälschungen zeigen sich in Form von nicht konformen Mikrochips oder Spuren einer Umverpackung.

Praxisbeispiel: Ausschuss einer Charge hermetisch versiegelter integrierter Schaltkreise für die Luft- und Raumfahrtindustrie

Wir führten eine DPA-Analyse einer Charge hermetisch versiegelter Operationsverstärker für ein Programm zur Entwicklung unbemannter Fluggeräte durch. Die Ergebnisse der äußeren Röntgenprüfung sahen normal aus, doch bei der inneren Sichtprüfung wurden Metallspäne (FOD) festgestellt, die beim Einstecken der Anschlüsse entstanden waren. Querschnitte bestätigten eine Verunreinigung an der Befestigungsstelle des Chips, was zur Aussortierung der gesamten Charge und zur Durchführung eines Lieferantenaudits führte. Dies rettete die Mission.

Vorteile von DPA für Ihre Lieferkette hermetisch versiegelter Komponenten

DPA ist zwar keine kostengünstige Dienstleistung, stellt jedoch eine Art Versicherung dar. Sie ermöglicht es, Abweichungen im technologischen Prozess frühzeitig zu erkennen, Fälschungen auszusortieren und grundlegende Zuverlässigkeitskennzahlen festzulegen. Für internationale Unternehmen vereinfachen unsere Berichte über die DPA-Ergebnisse die Zollabfertigung und den Erhalt von Zertifikaten. Nach Angaben unserer Kunden sinkt die Ausschussquote nach Durchführung einer DPA-Prüfung um 30–50 %.

Kosten-Nutzen-Verhältnis: Warum es sich gerade jetzt lohnt, in DPA zu investieren

Der Ausfall eines Satelliten kostet Millionen; die Kosten für eine DPA pro Bauteil belaufen sich auf Hunderte. Rechnen Sie dies auf die gesamte Charge hoch – und es wird deutlich, dass dies eine sinnvolle Investition in die Zuverlässigkeit hermetisch abgedichteter Bauteile ist.

Modernste DPA-Verfahren für zeitgemäße hermetisch abgedichtete Bauteile

Moderne hermetisch abgedichtete Bauteile enthalten mehrschichtige 3D-Strukturen und photonische Komponenten. Wir passen die Prüfverfahren unter Verwendung von FIB (fokussiertem Ionenstrahl) zur Analyse von Schnitten im Nanobereich an, TEM – zur Untersuchung von Atomgittern – sowie 3D-Röntgen-Computertomographie – zur Erkennung von Hohlräumen im Volumen. Bei hermetisch versiegelten Bauteilen auf SiC/GaN-Basis simulieren Hochtemperatur-Scherversuche die Bedingungen von Missionen zur Venus.

Integration der DPA mit der Fehleranalyse

DPA mündet häufig in eine Fehleranalyse (FA). Ein hermetisch dichtes Relais, das aus dem Betrieb zurückgegeben wurde? Wir führen eine parallele DPA-Analyse durch, um die Grundursache zu ermitteln, beispielsweise den Verschleiß von Verbindungen infolge von Vibrationen.

Auswahl eines DPA-Partners für die internationale Prüfung hermetisch versiegelter Bauteile

Achten Sie auf die Akkreditierung nach ISO 17025, MIL-Zertifikate und die Verfügbarkeit von Laboren weltweit. Wir bieten umfassende, schlüsselfertige DPA-Dienstleistungen mit Strategien zur Probenahme aus Chargen, schneller Abwicklung von Prototypenaufträgen und Datenanalysen zur Erkennung von Trends. Von asiatischen Produktionsstätten bis hin zu führenden US-amerikanischen Unternehmen – wir decken Ihren gesamten Bedarf im Bereich hermetisch versiegelter Geräte vollständig ab.

Probenahmepläne: 100 % DPA oder statistischer Ansatz?

Die Norm MIL-STD-1580 empfiehlt 45/59 Proben für Qualifikationsprüfungen; wir passen den Ansatz unter Berücksichtigung des Risikograds an.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Praktische Anwendung: DPA in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungssektor und darüber hinaus

In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird mithilfe der DPA die Qualifizierung hermetisch versiegelter ASICs für die Avionik der F-35 durchgeführt, um deren Strahlungsbeständigkeit sicherzustellen. Im militärischen Bereich wird DPA für Hybridbauelemente in Raketen eingesetzt, die der Norm MIL-PRF-38534 entsprechen. Sensoren für Elektrofahrzeuge durchlaufen die DPA-Prüfung, um die Anforderungen der Norm AEC-Q10 zu erfüllen. Medizinische Implantate stützen sich bei der Herstellung biokompatibler, hermetisch versiegelter Komponenten auf die DPA. Dank unserer weltweiten Präsenz können wir alle Kunden bedienen.

Zukünftige Trends im Bereich der hermetischen DPA

Am Horizont zeichnen sich Technologien zur Fehlererkennung auf Basis künstlicher Intelligenz, automatisiertes Schneiden sowie DPA für die Photonik ab. Praktische Erfahrung bleibt jedoch nach wie vor der entscheidende Faktor.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DPA für hermetisch versiegelte Bauteile Ihre Garantie für höchste Qualität ist. Arbeiten Sie mit uns zusammen, um von beispiellosen Prüfmöglichkeiten zu profitieren, die ein rasantes Wachstum Ihrer Projekte gewährleisten.