Fachartikel
Identifizierung der Ursache von Partikelverunreinigungenbei elektronischen Komponenten in der AutomobilindustrieZEISS Technical Cleanliness Solutions

Durch Partikelkontamination verursachte Fehler
im Griff haben
Die Kontamination durch Partikel hat erhebliche

in der Medizintechnik, bei Motorkomponenten und -baugruppen

Auswirkungen, wenn es um Effizienz, Funktionalität

sowie in der additiven Fertigung von Kraftstoffen und Schmier-und Haltbarkeit von Produkten geht.

mitteln in der Luft- und Raumfahrt. Partikuläre Verunreinigung
kann die Leistung in der Automobilindustrie beeinträchtigen,Das beginnt mit dem Produktionsprozess und führt über die End-indem sie von bisher unkritischen Bereichen hin zu empfindlichen

verpackung bis hin zur Produktionsumgebung. Dabei können dieStellen reicht, etwa bei Halbleitern. Hierbei können metallische

verschiedensten Faktoren die Bauteilsauberkeit beeinflussen. Ausund nicht metallische Partikel, die sich auf diesen Teilen befinden,

diesem Grund werden häufig Vereinbarungen zu Grenzwerten fürzu Fehlfunktionen des Fahrzeugs oder sogar zu Motorversagen

die Bauteilsauberkeit zwischen Kunde und Lieferant oder zwischen

führen. Dieser Fachartikel befasst sich speziell mit der Partikelver-Produktentwicklung und Produktion getroffen. Das bedeutet, dassunreinigung eines elektrischen Bauteils in der Automobilindustrie.

die Anforderungen an die Bauteilsauberkeit nicht fest vorgeschrieben sind und somit je nach Produkt und Hersteller variieren
können.
Standardisierte und prozesssichere Technische Sauberkeit wird in
der Industrie immer wichtiger, weil sie, indem sie Produkte vonPartikeln befreit, die Effizienz der einzelnen Produkte steigert. Dadurch werden Fehler in der Produktion vermieden. Die TechnischeSauberkeit stellt im Produktionszyklus sicher, dass jedes Produkt
einwandfrei ist. Dabei spielt Technische Sauberkeit nicht nur bei
den Zulieferern zu Beginn der Produktionskette eine wichtige
Rolle, sondern auch branchenübergreifend, etwa bei Implantaten

Partikelverunreinigung führt zu Kurzschlüssen

auf Leiterbahnen den Stromfluss beeinflussen. Ein Teilchen wirdüber zwei benachbarte Leiterbahnen gelegt und die Gleich-Eine mögliche Ursache für einen Kurzschluss ist ein kontaminier-spannung wird vom Startpunkt V1 in 1–5-Schritten bis auf 60 V

tes Bauteil. Im folgenden Experiment kommt es zu einem Kurz-erhöht. Jeder Spannungspunkt wird 5 Sekunden lang angelegt.

schluss, wenn der elektronische Stromkreis durch verschiedene

Der Strom der Spannungsquelle ist auf 2 mA begrenzt. Wenn derMaterialien unterbrochen wird.

Stromfluss nicht ausreicht, wird die aktuell angelegte Spannung
als Durchbruchspannung oder Schrittspannung notiert.

In diesem Experiment hat der Verband ZVEI (Zentralverband Elek-Dieser Vorgang wird wiederholt, bis 25 Durchbrüche erreicht

trotechnik- und Elektronikindustrie e. V.) untersucht, wie Partikel

sind.

Partikel(Länge z. B. 500 μm; Breite und Dicke
nicht spezifiziert – von einigen μm bis ca. 100 μm)

Leiter(z. B. Cu, Ni, Au)

PCB(Q uelle: https://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publikationen/2020/Februar/ZVEI_Technische-Sauberkeit-in-der-Elektrotechnik_dt_engl/
ZVEI_Guideline_Technical-Cleanliness-in-Electrical-Engineering_second-edition_Version-2020.pdf)

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Vergleich von Cu-Partikeln unter drei Bedingungen auf SAC305 PCBs%80
dry head stored70
wet heat stored60
new untreated

50
40
30
20Neu, unbehandelt

100Feuchte Wärme gespeichert
Trockene Wärme gespeichert
s 3V

s 5V

s 12V

s 16V

s 24V

s 48V

s 60V

(Q uelle: https://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publikationen/2020/Februar/ZVEI_Technische-Sauberkeit-in-der-Elektrotechnik_
dt_engl/ZVEI_Guideline_Technical-Cleanliness-in-Electrical-Engineering_second-edition_Version-2020.pdf)

Übersicht über alle Metalle in den Spannungsstufen, gerundet%80
AlSi12 oberhalb der Oberfläche

70

Kontaktwahrscheinlichkeit

AlSi12 unter der Oberfläche
60

CuFe2P50

Au
Cr18Ni840

Cu ETP
CuNiSi30FeSi20

SAC305100Sn
ZnAl4Cu1
s 3V

s 5V

s 12V

s 16V

s 24V

s 48V

s 60V

Spannungsbereiche(Q uelle: https://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publikationen/2020/Februar/ZVEI_Technische-Sauberkeit-in-der-Elektrotechnik_
dt_engl/ZVEI_Guideline_Technical-Cleanliness-in-Electrical-Engineering_second-edition_Version-2020.pdf)

Die Haftung der Partikel an der Leiterplatte wurde während

Vergleicht man die Ergebnisse, so zeigt sich, dass diedes Experiments beobachtet. Dabei handelt es sich um

angelegte Spannung, Partikelzustand und Partikelmaterial

einen elektrothermischen Durchschlagsprozess, bei dem mit

einen Einfluss auf die Kontaktierungseigenschaften haben. Die

zunehmender Spannung eine Schicht von Verunreinigungen den

Interferenzwahrscheinlichkeit variiert zwischen den verschiedenen

Widerstand vom Megohm-Bereich in den Ohm-Bereich misst.

Partikeltypen, aber sie steigt mit zunehmender Spannung.
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Liste der für das Experiment verwendeten Materialien
1CuKupferz. B. Leitungen, Stromschienen

2

CuNiSi

Kupferlegierungz. B. Kontraktmaterial, Einpresspins

3

AuGoldz. B. Bonddraht, Steckerbeschichtung

4

SnReinzinn

z. B. Beschichtung

5

SnAg3Cu0.5 (SAC305)

Lotmaterialz. B. Lotpaste, Lotbarren

6

ZnAl4Cu1

Zinkdruckgussz. B. Gehäuse

7AlSi12

Aluminiumdruckgussz. B. Gehäuse, Deckel, Träger

8

CuFe2P

Kupfereisenz. B. Busbar, Leadframes

9FeSi3Elektroblechz. B. Stator, Rotor, Transformator

10X10CrNi18-8

Federstahlz. B. Feder

11

MnZn-oxideFerritz. B. Magnetkern, Drossel, Transformator(L iste mit verwendeten Materialien; Quelle: https://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publikationen/2020/Februar/ZVEI_TechnischeSauberkeit-in-der-Elektrotechnik_dt_engl/ZVEI_Guideline_Technical-Cleanliness-in-Electrical-Engineering_second-edition_Version-2020.pdf)

Technische Sauberkeit ist die Qualitätslösung.

einer Größe von > 200 μm oder mehr ein potenzielles Risiko fürAber was ist Technische Sauberkeit?

einen elektrischen Kurzschluss dar. Metallische Partikel mit einer
bestimmten Länge, Winkel und Position können auf einer Leiter-Technische Sauberkeit ist ein zweistufiges Verfahren, bei dem

platte einen Kurzschluss verursachen. Aus diesem Grund müssen

mit einem Lichtmikroskop Anzahl und Größe vorhandener Par-kritische Partikel identifiziert und von den Leiterplatten entfernt

tikel untersucht werden; dem folgt ein Elektronenmikroskop zurwerden. Da absolute Sauberkeit nicht evaluierbar ist, sollte man

Analyse der chemischen Zusammensetzung und Herkunft dersich auf die einfachste und wirtschaftlichste Lösung für den

Partikel. Das Verfahren zielt darauf ab, Systemausfälle zu vermei-

vorgesehenen Standort und Zweck einigen. Die Verunreinigung

den, die möglicherweise durch diese Partikel verursacht werden.

durch Partikel ist eine wachsende Herausforderung der Auto-

Das erforderliche Sauberkeitskonzept wird anhand der partikel-

mobilindustrie seit den frühen 1990er-Jahren, als die Systeme

empfindlichen Stellen des jeweiligen Systems festgelegt. Die

immer komplexer und die Bauräume immer kleiner wurden. Diekritischen Partikel können sich auch charakteristisch unterschei-

VDA 19/ISO 16232 wurde daher als Standard geschaffen, der esden: Während Verbrennungsmotoren typischerweise auf harte

Kunden und Lieferanten ermöglicht, potenzielle Schäden an Pro-und raue Metallpartikel treffen, können Elektromotoren anfällig

dukten innerhalb der gesamten Produktionskette zu vermeiden.

für Partikel mit niedriger und hoher Leitfähigkeit sein.
In der VDA 19 sind keine Grenzwerte für die Bauteilsauberkeit
Die meisten Partikel entstehen bei der Verarbeitung von Bautei-in der Elektronikindustrie vorgeschrieben. Diese werden anhand

len und Baugruppen (ca. 80 %) und nur ein Bruchteil (ca. 20 %)von Funktion des Bauteils, Herstellbarkeit und der Überprüfbar-ist auf Umgebungseinflüsse zurückzuführen. Da Hersteller nicht

keit definiert.

auf alle (möglichen) Fehlfunktionen und Fertigungsprozesse

Wenn die Restverschmutzung entsprechend gering ist, gilt dasachten können, liegt der Fokus hier auf metallischen Partikeln.

System als ausreichend sauber.

Auf der technischen Ebene stellen alle metallischen Partikel mit
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ZEISS Lösungen für die Technische Sauberkeit
am Beispiel-Workflow für Halbleiter im Auto

Die Extraktion der Partikel aus dem Bauteil ist kein

Bestimmung von Partikeln mit Lichtmikroskopen

trivialer Prozess
Der Filter wird unter ein Lichtmikroskop (z. B. ZEISS Axio Imager 2
Verunreinigte Partikel werden von elektronischen Leiterplattenoder ZEISS Axio Zoom.V16) gelegt, um alle nicht-metallischen

durch ein Druckluftverfahren entfernt. Da die elektronischen Lei-und metallisch glänzenden Partikel auf dem Filter zu erkennen.

terplatten durch Wasser beschädigt werden können, wird dieser
Reinigungsprozess mit Luft durchgeführt. Dabei wird mit einem
Strahl saubere und ölfreie Druckluft aus einem Sprühwerkzeug
gesprüht und an eine benetzte Kammerwand geklebt. DieserProzess findet in einer Box statt, die mit einer Druckentlastung,die Überdruck vermeidet, ausgestattet ist.
Das Abspülen der benetzten Kammer erfolgt mit einer Flüssigkeit, die anschließend durch einen Filter fließt. Die Partikel
werden in diesem Filter aufgefangen und unter einem Mikroskop
analysiert.

In der Software ZEISS Technische Sauberkeitsanalyse werden alle
untersuchten Partikel in einer Tabelle aufgelistet und entsprechend kategorisiert. Dank der intuitiven Benutzeroberfläche
sowie der linear vorgegebenen Benutzerführung (währendder Anwendung und im Arbeitsablauf) braucht es dazu keineExperten für Mikroskope. Die Unterstützung durch definierte
Mikroskop-Hardware und Softwareeinstellungen macht komplexe Analyseprozesse sowohl einfacher als auch zuverlässiger
durchführbar. Die analysierten Daten werden vom System gespeichert und exportiert, wobei die Software die Möglichkeit bietet,einen Bericht nach einschlägigen Normen zu erstellen. ZEISS ZEN
core Shuttle and Find verknüpft Daten auch mit Elektronenmikroskopen, wodurch ein nahtloser Workflow über diese entsteht. Da
die Software das direkte Abrufen und Übertragen von markierten
Partikeln eines Lichtmikroskops zu einem Elektronenmikroskop
ermöglicht, steigert dies die Produktivität und Effizienz weiter.
Dies gestattet einen sofortigen Zugriff auf die spezielle AnalyseLichtmikroskope

ansicht im hochauflösenden Elektronenmikroskop.

ZEISS SteREO Discovery.V8

ZEISS Axioscope 7

ZEISS Axio Zoom.V16

ZEISS Axio Imager 2Partikelgröße ≥ 15 μm
Standardanalyse

Partikelgröße ≥ 50 μm
Standardanalyse

Partikelgröße ≥ 5 μm
Erweiterte Analyse

Partikelgröße ≥ 1 μm
Erweiterte Analyse
5Die Ursachen der Partikelkontamination mithilfe

Der Einsatz eines einheitlichen Portfolios ermöglicht es, dievon Elektronenmikroskopen verstehen

Koordinaten eines kritischen Partikels zu speichern und somit
den Partikeltyp mit der ZEISS SmartPI Software zu identifizieren.

Um mehr über die Partikel herauszufinden, wird der Filter in ein

Das System analysiert im Anschluss das Material, dessen Aufbau

Elektronenmikroskop, wie beispielsweise ZEISS EVO oderund Herkunft (z. B. Schmiedeprozess oder Lieferant). SchließlichZEISS Sigma, gegeben. Die vernetzten Lösungen von ZEISS

wird die chemische Zusammensetzung der Partikel durch EDS-machen es einfacher, die einzelnen Partikel zu finden und zu ana-Messung bestimmt. ZEISS SmartPI kann auch individuelle Berichtelysieren. An dieser Stelle unterstützt vor allem die Software

entwerfen und erstellen, die auf die Bedürfnisse des KundenZEISS SmartPI, die nicht nur die chemische Zusammensetzung

zugeschnitten sind.

und Materialcharakterisierung darstellt, sondern auch die entsprechende Partikelmorphologie.

Elektronenmikroskope mit EDS
HARDWARE

hochfahren

ZEISS SmartPI
Qualifizierung & erweiterte Klassifizierung

SmartPI Reporter
BerichterstattungSOFTWARE

kalibrieren

bewegenerfassendetektieren

messenanalysieren

berichten

Workflow-Übersicht
Komponente / Testobjekt

Extraktion

UltraschallTechnik

Druckspülung

Interne Spülung

Schütteln

Filtrierung

AnalyseGravimetrische
AnalyseLichtmikroskopie

REM/EDS

Flüssigkeitspartikelanalyse

Komponente / Testobjekt
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Dienstleistungen der Carl ZEISS AG

Technische Sauberkeit gewinnt in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung.
Wir von ZEISS helfen Fachleuten, unsere Systeme zu verstehen, und bringen ihnen
den Umgang mit unseren Technologien näher.
Von der Konstruktion über Service und Reparatur bis hin zur Mitarbeiterschulung und dem richtigen Umgang mit den Geräten: Wir sind immer erreichbar und stehen Ihnen bei jedem Schritt zurSeite. Unser Demo-Center ist mit den jeweiligen Geräten ausgestattet, um Sie auf alle Aspekte
unserer Technologien vorzubereiten.

Carl Zeiss IQS Deutschland GmbH
Carl-Zeiss-Straße 2273447 Oberkochen

Carl Zeiss Industrial Quality Solutions, LLC6250 Sycamore Lane North
Maple Grove, MN 55369/USAVertrieb
Telefon: +49 7364 20 6336
E-Mail: sales.metrology.de@zeiss.com

Phone: +1 800 327-9735
Fax: +1 763 533-0219
info.metrology.us@zeiss.com

ServiceTelefon: +49 7364 20 6337
E-Mail: info.metrology.de@zeiss.com

www.zeiss.com/metrology

DE_60_010_0043I Created in Germany CZ-VI/2021
Subject to change in design and scope of delivery and as a result of ongoing technical development.

Quelle:https://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publikationen/2020/Februar/ZVEI_TechnischeSauberkeit-in-der-Elektrotechnik_dt_engl/ZVEI_Guideline_Technical-Cleanliness-in-Electrical-Engineering_secondedition_Version-2020.pdfwww.zeiss.de/imt

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