Produkte und Dienstleistungen

Röntgenanalyse: Industrielle Mikro-Computertomographie (µCT) und hochauflösende Laminographie (HRCL) z. B. von Leiterplatten

 

Die Mikro-Computertomographie (µCT) und die High Resolution Computed Laminography (HRCL) sind computergestützte bildgebende Röntgenverfahren. Sie werden eingesetzt, um aus gewonnenen Rohdaten Schnittbilder zu erzeugen. Aus den Schnittbildern generiert das Fraunhofer IKTS dreidimensionale Abbildungen für die zerstörungsfreie Materialdiagnostik. In den Aufnahmen werden Materialfehler wie Lufteinschlüsse, Risse und Poren sichtbar, die qualitäts- und sicherheitsrelevant sein können.

Röntgendiagnostik am Fraunhofer IKTS

Radiographie Mikro-Computertomographie (µCT) High Resolution Computed Laminography (HRCL)
Mit der Radiographie werden einfache 2D-Darstellung des Untersuchungsobjekts aus allen Raumrichtungen heraus erstellt. Mit der µCT werden komplexe 3D-Datensätze eines beliebigen Untersuchungsobjekts erstellt. Die HRCL ist ein spezielles CT-Verfahren, bei dem kleine Teilbereiche flacher Baugruppen, z. B. Leiterplatten, hochaufgelöst untersucht werden können.
Typische Anwendungen
  • Einblicke in den inneren Aufbau von Objekten aller Art (z. B. aus Natur, Kunst, Technik) für Vermessungszwecke
  • Voidanalyse von Lotverbindungen (s. Bild)
  • Erkennen von Schwachstellen bei Fügeverbindungen via Schrägdurchstrahlung
  • Sichtbarmachen von Rissen, die durch die Radiographie nicht gefunden werden können
  • Genaue Lokalisierung von Gefügeschwachstellen (Lufteinschlüsse, Risse…)
  • Darstellung von virtuellen Schnittebenen im Untersuchungsobjekt
  • Datensatzerzeugung für Rapid Prototyping
  • Schnelles Sichtbarmachen von Rissen in Fügestellen und Bauelementen elektronischer Schaltungsträger (Leiterplatten) ohne Präparationsaufwand
  • Untersuchung eingebetteter Systeme in CFK-Platten

 

Voidanalyse (flächenbezogen) an BGA-Balls.

Röntgen-CT der Gehörschnecke eines Meerschweins.

Bonddrähte und Bumps mit eingeschlossenen Poren.

Anwendungsgebiete der Mikro-Computertomographie (µCT)

 

Die industrielle Mikro-Computertomographie (µCT) ist ein etabliertes Analyseverfahren für technische und naturwissenschaftliche Anwendungen. Es gewinnt aber auch bei der Untersuchung künstlerischer und kultureller Güter an Bedeutung. Die Mikro-Computertomographie ist ein ideales Verfahren, um Lufteinschlüsse, Risse, Poren und andere Materialinhomogenitäten innerhalb eines beliebig geformten Objekts zu erkennen. Die µCT ermöglicht eine zerstörungsfreie dreidimensionale Prüfung von Objekten mit hoher räumlicher Auflösung.

Das am Fraunhofer IKTS aufgebaute Röntgen-CT-Gerät kann auf die Wünsche der Kunden angepasst werden. So können sowohl sehr kleine Bauteile, beispielsweise aus der Elektronikbranche, als auch große Objekte, wie Kunstgegenständen oder Fossilien untersucht werden.

 

Messprinzip der Mikro-Computertomographie (µCT)

Funktionsweise der Mikro-Computertomographie (µCT).

Das Prüfobjekt wird auf einem Rotationstisch zwischen Röntgenröhre und Detektor positioniert, sodass es ganz oder teilweise durchstrahlt werden kann. Während der Computertomographie dreht sich der Rotationstisch mit der Probe um 360°. Die Drehbewegung erfolgt in 800 bis 1600 Winkelschritten. So erhält man Projektionen in unterschiedlichen Orientierungen. Ein Rechnercluster übernimmt parallel zur Messung die Rekonstruktion des Volumenmodells des Prüfkörpers.

Unmittelbar nach dem Messvorgang steht ein 3D-Volumendatensatz zur Auswertung zur Verfügung. Der Volumendatensatz repräsentiert im Wesentlichen die räumliche Dichteverteilung der Probe. Innerhalb des 3D-Volumendatensatzes können räumliche Schnittbilder in beliebiger Orientierung gelegt werden. Dies ermöglicht eine präzise Bewertung des Prüfkörpers hinsichtlich seiner inneren Struktur (Poren, Risse, Lufteinschlüsse, Materialinhomogenitäten, etc.).

Der erzeugte 3D-Volumendatensatz erlaubt eine geometrische Vermessung von Strecken, Winkeln, Kreisbögen und Oberflächen oder die Bestimmung von Teilvolumina verschieden dichter Bereiche, die sich in unterschiedlichen Grauwerten manifestieren. Zusätzlich ist es möglich, Oberflächendaten des Prüfobjekts zu extrahieren und mit Hilfe von 3D-CAD-Programmen weiterzuverarbeiten. Die gewonnenen 3D-Daten dienen so als Grundlage für Rapid-Prototyping-Anwendungen. Die Dokumentation der CT-Untersuchungen erfolgt in Form von Schnittbildern oder 3D-Animationen in den Standardformaten TIF, JPG, AVI bzw. MPEG.

Gerätespezifika der Mikro-Computertomographie (µCT)   Sie erhalten von uns
  • 225 kV Mikrofokus-Röntgenröhre
  • 2048 x 2048 Pixel-Flächendetektor
  • Max. reale Auflösung: > 900 nm
  • Max. Probengröße: < 600 mm (größte Ausdehnung); bei Prüfungen von Teilbereichen auch größer
  • Max. Probengewicht: < 6 kg
  • Zerstörungsfreie Untersuchung
  • Vollständig rekonstruierter Datensatz im Format Ihrer Wahl
  • Support im Umgang mit der Datenbetrachtungssoftware
  • Auf Wunsch eine individuelle Auswertung der Messdaten

Beispiele aus der Medizin und Biologie

Röntgen-CT des Wurzelkanals eines Zahns.

Röntgen-CT einer menschlichen Felsenbeinpyramide (links: Knochenstruktur; rechts: Gehörgang; Mitte: Kombination).

Röntgen-CT eines Libellenkopfs.

Beispiele aus Kunst und Kultur

Röntgen-CT einer Einzeiger-Halsuhr, gefertigt um 1600 (Ausstellungsstück der Staatlichen Kunstsammlungen Dresden). Die Mikro-CT legt das Uhrwerk frei und zeigt die Funktionsweise und präzise Verarbeitung.

Röntgen-CT eines schamanischen Kultgegenstands, Klapper. Die Mikro-CT erlaubt zerstörungsfrei den Blick ins Innere.

Röntgen-CT eines historischen Gefäßes der Chimú-Kultur. Mit der Mikro-CT wird im undurchsichtigen Gefäß der Inhalt sichtbar ohne das Kulturgut zu zerstören.

Beispiele aus Technik und Konstruktion

Röntgen-CT einer Batterie.

Röntgen-CT eines Mobiltelefons.

Röntgen-CT eines Getriebedeckels.

Beispiele aus der Materialwissenschaft

Röntgen-CT einer keramischen Filterstruktur.

Röntgen-CT einer Keramiktasse.

Röntgen-CT eines Betonbohrkerns.

Anwendungsgebiete der High Resolution Computed Laminography (HRCL)

 

Die Röntgen-Computertomographie (CT) bietet eine sehr komfortable Möglichkeit, etwa 90 Prozent aller Untersuchungsgegenstände zerstörungsfrei zu analysieren. Kleinste Fehler auf großflächigen Strukturen lassen sich mit der Röntgen-CT nur dann entdecken, wenn der entsprechende Bereich aus dem Prüfobjekt herausgetrennt wird. Ein Beispiel dafür sind elektronische Leiterplatten, die aufgrund ihrer meist großflächigen Probengeometrie in nur unzureichend guter Auflösung untersucht werden können. Der Abstand zwischen Röntgenquelle und Probe ist bei der Messanordnung einer Röntgen-CT meist zu groß, um kleine Teilbereiche genauer zu untersuchen.

Das Fraunhofer IKTS hat für dieses Problem ein Röntgentomographieverfahren entwickelt, welches Teilbereiche großflächiger Schaltungsträger, wie Leiterplatten, hochaufgelöst und zerstörungsfrei analysieren kann. Die sogenannte High Resolution Computed Laminography, kurz HRCL. Mit der HRCL verfügt das Fraunhofer IKTS über ein Alleinstellungsmerkmal, bei dem der Prüfling hochauflösend (bis zu 1,5 µm³) und mit nur einer Drehung untersucht werden kann. Umfangreiche Probenpräparationen entfallen.

 

Messprinzip der High Resolution Computed Laminography (HRCL)

Funktionsweise der High Resolution Computed Laminography (HRCL).

Bei der High Resolution Computed Laminography (HRCL) handelt es sich um eine Optimierung des Kegelstrahl-Tomographieverfahrens. Aufgrund der veränderten Ausrichtung von Röntgenröhre und Röntgendetektor erlaubt es die HRCL, den flächigen Prüfling sehr nahe an der Röntgenquelle zu positionieren, wobei die volle Rotationsfreiheit erhalten bleibt. Durch den veränderten Messaufbau und einen optimierten Rekonstruktionsalgorithmus stellt die hochaufgelöste Untersuchung von Leiterplatten beliebiger Größe kein Problem mehr dar.

So können beispielsweise Steuerplatinen für Automotive- oder Leistungselektronik sowie eingebettete Systeme zerstörungsfrei analysiert werden, obwohl für die Darstellung kleiner Bereiche der großflächigen Prüflinge eine sehr hohe Ortsauflösung nötig ist. Die HRCL ist ein adäquater Ersatz für die Probencharakterisierung mittels metallurgischer Schliffe. Die Prüflinge können direkt nach der Messung zur weiteren Charakterisierung oder wieder am Einsatzort verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil der High Resolution Computed Laminography (HRCL) ist das Extrahieren von Oberflächendaten, die mit 3D-CAD-Progammen weiterverarbeitet werden können. Die gewonnenen 3D-Daten dienen wie bei der µCT als Grundlage für Rapid-Prototyping-Anwendungen.

Gerätespezifika der High-Resolution Computed Laminography (HRCL) Sie erhalten von uns
  • 225 kV Mikrofokus-Röntgenröhre
  • 2048 x 2048 Pixel-Flächendetektor
  • Max. reale Auflösung: > 1,5 µm
  • Max. Probendiagonale: < 300 mm (< 700 mm mit Einschränkungen im Messbereich)
  • Max. Probengewicht: < 6 kg
  • Hochauflösende Untersuchung ohne Präparationsaufwand
  • Vollständig rekonstruierter Datensatz im Format Ihrer Wahl
  • Support im Umgang mit der Datenbetrachtungssoftware
  • Auf Wunsch eine individuelle Auswertung der Messdaten

Beispiele aus der Elektronik

Röntgenstabanode über einem BGA zur Rissdetektion der Lötverbindung.

3D-Visualisierung eines durch Risse und Voids durchzogenen BGA-Balls.

Riss durch den Interposer eines BGAs.

Fehlerhafte Anbindung eines Vias zum Lötball. Abriss eines Lötballs von der Kontaktbahn.

Herstellungsbedingter Fehler am Übergang zum Restring eines Vias.

2D-Ansicht eines 100 %-Risses in einem BGA-Ball.

3D-Röntgen: Hochaufgelöste Computertomographie (CT) an Leiterplatten | Laminographie (HRCL)

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Die Mikro-Computertomographie (µCT) und ihre Weiterentwicklung die High-Resolution-Computed Laminography (HRCL) sind computergestützte bildgebende Röntgenverfahren. Sie werden eingesetzt, um aus gewonnenen Rohdaten Schnittbilder zu erzeugen. Aus diesen Schnittbildern generieren wir im Fraunhofer IKTS dreidimensionale Abbildungen für die zerstörungsfreie Materialprüfung. In den Aufnahmen werden Materialfehler wie Lufteinschlüsse, Risse und Poren sichtbar, die qualitäts- und sicherheitsrelevant sein können.