Delaminationen, Lufteinschlüsse und Risse können die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen beeinträchtigen, obwohl ihre Oberflächen äußerlich einwandfrei erscheinen. Gerade bei Halbleitergehäusen, MEMS-Bauteilen und modernen 3D-Packages reichen optische Prüfverfahren häufig nicht aus, um kritische innere Grenzflächen zu beurteilen.
Ein Scanning-Akustikmikroskop (SAM) nutzt Ultraschall, um ausgewählte Strukturen und Grenzflächen im Inneren eines Bauteils sichtbar zu machen. Das Verfahren unterstützt die zerstörungsfreie Qualitätskontrolle, die Fehleranalyse und die Zuverlässigkeitsbewertung in der Halbleiterfertigung. Zu den möglichen Anwendungen gehören die Untersuchung von Chips, Wafern, mehrschichtigen Systemen und Bonding-Grenzflächen. [1]
Für Produktionsverantwortliche, Qualitätsingenieure und technische Einkäufer ist jedoch nicht allein die Bildauflösung entscheidend. Frequenz, Prüftiefe, Probengeometrie, Auswertungsmöglichkeiten und Prüfzeit bestimmen gemeinsam, ob ein System zur konkreten Anwendung passt.
1. Was ist ein Scanning-Akustikmikroskop (SAM)?
Ein Scanning-Akustikmikroskop ist ein Ultraschallprüfsystem, das die Wechselwirkung akustischer Wellen mit inneren Materialstrukturen auswertet. Im Gegensatz zur optischen Mikroskopie kann SAM bestimmte verdeckte Grenzflächen untersuchen, ohne das Bauteil für die Messung aufschneiden zu müssen.
Das ist besonders relevant, wenn Bauteile zerstörungsfrei geprüft, für weitere Untersuchungen erhalten oder vor und nach definierten Belastungstests miteinander verglichen werden sollen.
Das Funktionsprinzip
Ein Ultraschallwandler sendet kurze Schallimpulse in Richtung der Probe. An Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien oder an Fehlstellen wird ein Teil der Schallenergie reflektiert. Der Wandler erfasst die zurückkehrenden Signale; das System wertet unter anderem deren Laufzeit und Amplitude aus und ordnet sie den jeweiligen Scanpositionen zu.
Bei vielen Anwendungen erfolgt die akustische Kopplung über Wasser oder eine geeignete Flüssigkeit. Sie ermöglicht die Übertragung der Ultraschallenergie zwischen Wandler und Prüfobjekt. Luftspalte zwischen Wandler und Oberfläche würden die Übertragung stark beeinträchtigen. Deshalb müssen Probenhandhabung, Flüssigkeitsführung und Materialverträglichkeit bei der Systemauswahl berücksichtigt werden.
Während des Scans werden zahlreiche Messpunkte erfasst. Aus den Signalen entstehen Bilder, die Unterschiede innerhalb der Probe darstellen können. Welche Strukturen erkennbar sind, hängt unter anderem von den Materialeigenschaften, der Geometrie, der Tiefe des Prüfbereichs, dem verwendeten Wandler und den Messparametern ab.
Wichtig: Ein auffälliger Bildkontrast ist zunächst ein Prüfbefund, der fachlich interpretiert werden muss. Nicht jeder Kontrast entspricht automatisch einem Defekt. [1][2]
A-, B- und C-Scan: Welche Darstellung wird benötigt?
Die Scan-Darstellung bestimmt, welche Informationen sich aus einer Messung ablesen lassen. Bei der Auswahl eines SAM-Systems sollte deshalb geklärt werden, welche Ansichten und Auswertungen für die jeweilige Prüfaufgabe erforderlich sind.
- A-Scan: Zeigt das empfangene Ultraschallsignal an einer einzelnen Messposition. Die Darstellung unterstützt die Beurteilung reflektierender Grenzflächen und ihrer Tiefenlage.
- B-Scan: Stellt Messinformationen entlang eines Schnitts dar. Damit lassen sich Tiefenverläufe und Schichtstrukturen untersuchen.
- C-Scan: Bildet einen ausgewählten Tiefenbereich als zweidimensionale Fläche ab. Diese Darstellung wird häufig verwendet, um die räumliche Verteilung auffälliger Bereiche, beispielsweise möglicher Delaminationen, zu beurteilen.
Nicht jedes System bietet dieselben Messmodi und Auswertungsmöglichkeiten. Vor der Beschaffung sollte geklärt werden, ob die benötigten Darstellungen direkt verfügbar sind oder zusätzliche Software beziehungsweise spezielle Messabläufe erfordern.
2. Welche Fehler lassen sich mit SAM erkennen?
Der praktische Nutzen der akustischen Mikroskopie liegt vor allem in der Untersuchung innerer Auffälligkeiten, die sich mit einer rein visuellen Kontrolle nicht zuverlässig beurteilen lassen. Die Ergebnisse können helfen, Prozessabweichungen einzugrenzen, auffällige Bauteile gezielt zu analysieren und mögliche Ursachen späterer Ausfälle zu untersuchen.
Die tatsächliche Nachweisbarkeit hängt jedoch vom Bauteilaufbau, den Materialeigenschaften und den Prüfbedingungen ab.
Delaminationen und Grenzflächenfehler
Als Delamination wird die Trennung oder unzureichende Verbindung zwischen ursprünglich miteinander verbundenen Materialschichten bezeichnet. Sie kann beispielsweise zwischen einem Chip und einer Verbindungsschicht, zwischen Formmasse und Chipoberfläche oder innerhalb eines mehrschichtigen Packages auftreten.
Bei der C-SAM-Delaminationsprüfung kann ein Luftspalt oder eine gelöste Verbindung ein anderes Ultraschallsignal erzeugen als eine intakte Materialgrenze. In der Bilddarstellung können dadurch Bereiche sichtbar werden, die auf eine mögliche Delamination hinweisen.
Die Interpretation muss allerdings die Bauteilkonstruktion berücksichtigen. Auch reguläre Materialübergänge, Geometrien und unterschiedliche akustische Eigenschaften können Kontraste erzeugen. Referenzproben und nachvollziehbare Bewertungskriterien sind deshalb wichtig. [2][3]
Voids, Lufteinschlüsse und Risse
Hohlräume und Lufteinschlüsse können in Kleb-, Bonding- oder Verbindungsschichten auftreten. Je nach Lage und Ausdehnung können sie die mechanische Stabilität, Wärmeübertragung oder Zuverlässigkeit einer Baugruppe beeinflussen. Risse können ebenfalls an Grenzflächen oder innerhalb einzelner Materialien entstehen.
Bei der Halbleiterprüfung ist daher nicht nur entscheidend, ob eine Fehlstelle erkennbar ist. Auch ihre Position, Ausdehnung und die betroffene Funktionsschicht sind relevant.
Ein akustisches Bild liefert Hinweise, ersetzt aber nicht automatisch eine vollständige Ursachenanalyse. Bei komplexen Befunden können ergänzende Verfahren wie Röntgenprüfung, optische Mikroskopie oder Querschliffanalyse erforderlich sein. [4]
Veränderungen durch Feuchtigkeit und thermische Belastung
Feuchtigkeit und thermische Belastungen können bei bestimmten Kunststoffgehäusen und elektronischen Packages Probleme an inneren Grenzflächen begünstigen.
Ein Vergleich von Proben vor und nach definierten Belastungszyklen kann zeigen, ob sich auffällige Bereiche verändern. Voraussetzung sind reproduzierbare Prüfbedingungen und eine sorgfältige Dokumentation der Messparameter.
3. Typische Anwendungsbereiche
Halbleitergehäuse und Chip-Packages
Bei Halbleitergehäusen kann SAM zur Untersuchung verdeckter Grenzflächen und möglicher Delaminationen beitragen. Die Methode ist besonders interessant, wenn die äußere Oberfläche keine Hinweise auf den inneren Zustand liefert.
Je nach Aufbau können beispielsweise Grenzflächen zwischen Chip, Verbindungsschicht und Verkapselungsmaterial untersucht werden. Welche Package-Strukturen zuverlässig geprüft werden können, muss anhand des konkreten Aufbaus und repräsentativer Proben bewertet werden. [1][2]
Flip-Chip, Wafer und 3D-Integration
Bei Flip-Chip-Strukturen und dreidimensional integrierten Systemen können mehrere Material- und Verbindungsebenen dicht übereinanderliegen. Die akustische Mikroskopie kann die Untersuchung ausgewählter Grenzflächen unterstützen.
Je nach Tiefe des Prüfbereichs und akustischer Dämpfung können höhere Anforderungen an Wandler, laterale Auflösung und Signalverarbeitung entstehen. Daraus folgt jedoch nicht, dass die höchstmögliche Frequenz immer die beste Wahl ist. Entscheidend ist, wie tief der relevante Prüfbereich liegt und welche Materialschichten der Schall durchdringen muss. [5]
MEMS und Sensoren
Bei MEMS-Bauteilen können innere Strukturen und Grenzflächen für die Fehleranalyse und Zuverlässigkeitsbewertung relevant sein. Die Eignung der akustischen Mikroskopie hängt dabei von der Konstruktion des Bauteils, den Materialien und der Lage der zu untersuchenden Strukturen ab.
Für aussagekräftige Ergebnisse muss geprüft werden, ob der relevante Bereich akustisch zugänglich ist und sich mit den verfügbaren Messparametern ausreichend darstellen lässt. [6]
Leistungselektronik und Zuverlässigkeitsprüfung
Leistungshalbleiter und elektronische Module können im Betrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Schwächen in Verbindungsschichten oder im Package-Aufbau können die Lebensdauer beeinträchtigen. Die akustische Mikroskopie kann zur Untersuchung entsprechender struktureller Auffälligkeiten beitragen.
Für Qualitäts- und Reliability-Teams ist insbesondere der Vergleich zwischen dem Ausgangszustand und dem Zustand nach definierten Belastungstests interessant. Wiederholte Messungen können Hinweise darauf geben, ob sich auffällige Bereiche verändern oder zusätzliche Bereiche sichtbar werden.
Bei der C-SAM-Delaminationsprüfung sollten die Auswertungsregeln vorab festgelegt werden: Welche Grenzflächen sind relevant? Wie werden Randbereiche bewertet? Welche Größe oder Verteilung eines Befunds führt zu einer weiteren Analyse? Solche Kriterien müssen zum Bauteildesign und zu den vereinbarten Qualitätsanforderungen passen.
4. SAM, SAT und andere Prüfverfahren im Vergleich
Die Bezeichnungen rund um die akustische Mikroskopie werden in der Praxis nicht immer einheitlich verwendet. SAM steht üblicherweise für Scanning Acoustic Microscopy. SAT wird häufig als Scanning Acoustic Tomography bezeichnet. Die genaue Bedeutung und der Funktionsumfang sollten beim jeweiligen Anbieter geprüft werden.
Entscheidend ist weniger die Abkürzung als die Frage, welche Mess- und Auswertungsmöglichkeiten das konkrete System bereitstellt.
| Prüfverfahren | Typische Stärke | Zu beachten |
| Akustische Mikroskopie (SAM) | Untersuchung ausgewählter innerer Grenzflächen und verdeckter Fehlstellen | Flüssigkeitskopplung, akustischer Zugang und fachgerechte Signalinterpretation |
| Röntgenprüfung | Darstellung bestimmter innerer Strukturen, Verbindungen und Geometrien | Materialkontrast, Bauteildicke und Fehlerorientierung beeinflussen die Erkennbarkeit |
| Optische Mikroskopie | Detaillierte Untersuchung zugänglicher Oberflächen | Verdeckte innere Grenzflächen bleiben in der Regel unzugänglich |
| Querschliffanalyse | Direkte Untersuchung des Materialaufbaus an einer Schnittfläche | In der Regel zerstörend und auf die vorbereitete Schnittebene begrenzt |
| Elektrische Prüfung | Nachweis elektrischer Funktions- oder Parameterabweichungen | Liefert nicht zwingend die genaue Position eines strukturellen Fehlers |
SAM ist daher kein pauschaler Ersatz für alle anderen Prüfmethoden. Es ergänzt sie insbesondere dort, wo die Untersuchung innerer Grenzflächen entscheidend ist. Welche Methode geeignet ist, hängt von Bauteil, Material, Fehlerart und Prüfziel ab.
5. Worauf kommt es bei der Auswahl eines SAM-Systems an?
Frequenz, Auflösung und Prüftiefe
Eine höhere Frequenz kann eine feinere laterale Auflösung ermöglichen, wird im Material aber häufig stärker gedämpft. Die passende Konfiguration ist deshalb ein Kompromiss zwischen Detailerkennbarkeit und erreichbarer Prüftiefe.
Entscheidend ist, wo der relevante Fehler liegt und welche Materialschichten der Schall durchdringen muss. Eine geeignete Konfiguration sollte deshalb ausgehend von der konkreten Prüfaufgabe und nicht allein anhand der höchsten verfügbaren Frequenz ausgewählt werden.
Probengröße und Probenhandling
Scanfläche, Bauteilhöhe, Gewicht, Form und Halterung beeinflussen die praktische Eignung eines Systems. Ebenso wichtig ist, ob die Probe mit der vorgesehenen Flüssigkeitskopplung kompatibel ist und sich sicher sowie reproduzierbar positionieren lässt.
Bei empfindlichen oder komplex geformten Bauteilen sollte bereits vor der Beschaffung geklärt werden, wie die Probenaufnahme und der Prüfablauf umgesetzt werden können.
Prüfzeit und Automatisierung
Für Laboranalysen stehen häufig Detailtiefe und flexible Parametrierung im Vordergrund. In wiederkehrenden Qualitätsprüfungen können dagegen reproduzierbare Abläufe, kurze Zykluszeiten und eine einfache Bedienung wichtiger sein.
Bei höheren Prüfvolumina sollten Scanzeit, Probenwechsel, Auswertung und mögliche Automatisierung gemeinsam betrachtet werden. Eine kurze reine Scanzeit bedeutet nicht automatisch, dass der gesamte Prüfprozess entsprechend schnell ist.
Software, Dokumentation und Service
Vor dem Kauf sollte geklärt werden, welche Analysefunktionen, Datenexporte und Dokumentationsmöglichkeiten verfügbar sind. Für den späteren Betrieb sind außerdem Schulung, Wartung, Kalibrierung und technischer Service zu berücksichtigen.
Die Anforderungen sollten anhand des vorgesehenen Prüfablaufs beschrieben werden, statt sich allein auf allgemeine Systemdaten zu stützen.
6. Ein strukturierter Prüfablauf
Ein reproduzierbarer Prüfprozess erleichtert die Vergleichbarkeit der Ergebnisse und reduziert das Risiko, Befunde falsch zu interpretieren.
- Prüfziel festlegen: Bauteil, relevante Grenzflächen, erwartete Fehlerarten und Akzeptanzkriterien definieren.
- Proben vorbereiten: Ausgangszustand dokumentieren, geeignete Halterung auswählen und die Kompatibilität mit der Flüssigkeitskopplung prüfen.
- Messparameter bestimmen: Wandlerfrequenz, Scanbereich, Rasterabstand und auszuwertende Tiefenebenen anpassen.
- Messung durchführen: Daten mit reproduzierbaren Einstellungen erfassen und auffällige Bereiche markieren.
- Ergebnisse bewerten: Befunde mit Referenzproben, Prozessdaten und festgelegten Kriterien vergleichen.
- Folgeaktionen festlegen: Bei Bedarf ergänzende Prüfverfahren einsetzen oder zusätzliche Proben analysieren.
Auffällige Befunde sollten nicht ohne Kontext als Ausschusskriterium verwendet werden. Unterschiedliche Materialien und Grenzflächen können ähnliche Kontraste erzeugen; umgekehrt kann eine kleine Fehlstelle an einer kritischen Position relevant sein. Die Bewertung muss deshalb die Bauteilfunktion und die vereinbarten Qualitätsanforderungen berücksichtigen.
Wenn ähnliche Defekte wiederholt auftreten, lohnt sich außerdem der Abgleich mit Prozessdaten, beispielsweise aus Materialvorbereitung, Bonding, Verkapselung oder thermischer Belastung. So kann die akustische Mikroskopie über die Endkontrolle hinaus zur Prozessverbesserung beitragen.
7. Wie MagnTek bei der Auswahl einer Prüflösung unterstützen kann
Bei der Auswahl eines Scanning-Akustikmikroskops sollten technische Spezifikation und konkrete Prüfaufgabe gemeinsam betrachtet werden. Für eine erste technische Abstimmung sind insbesondere folgende Informationen hilfreich:
- Bauteil: Typ, Zeichnung oder repräsentative Probe
- Prüfziel: Vermutete Fehlerart und Lage der relevanten Grenzfläche
- Nachweisgrenze: Benötigte Mindestgröße erkennbarer Fehlstellen und relevante Prüftiefe
- Probengeometrie: Maximale Probengröße, Form und Handhabungsanforderungen
- Prüfvolumen: Gewünschte Scanzeit, Prüfmenge und Anforderungen an die Automatisierung
- Auswertung: Benötigte Bilddarstellungen, Datenexport und Dokumentation
- Referenzen: Vorhandene Vergleichsbilder oder bekannte Fehlerfälle
Ebenso sollte geklärt werden, ob der Schwerpunkt auf detaillierter Laboranalyse, wiederkehrender Qualitätsprüfung oder einer stärker automatisierten Prüfanwendung liegt.
Die endgültige Konfiguration sollte erst nach Abgleich mit den technischen Spezifikationen und möglichst anhand repräsentativer Proben festgelegt werden.
Sie planen eine SAM-Prüfung für Halbleiter, Leistungsmodule oder andere elektronische Baugruppen?
Beschreiben Sie MagnTek Ihre Probe, die vermuteten Fehlstellen und die gewünschten Prüfergebnisse. So lässt sich die technische Anforderung gezielt eingrenzen und die Eignung einer passenden Prüflösung bewerten.
Weitere Informationen: MagnTek – Produkte und Lösungen
https://www.magntek.de/scanning-acoustic-microscope-sam-sat/
https://www.magntek.de/halbleiter-leistungselektronik/
8. Häufige Fragen zum Scanning-Akustikmikroskop
Was bedeutet SAM in der Halbleiterprüfung?
SAM steht für Scanning Acoustic Microscopy. Das Verfahren nutzt Ultraschall, um innere Strukturen und Grenzflächen zu untersuchen. Es wird unter anderem zur Untersuchung von Delaminationen und Hohlräumen in geeigneten elektronischen Packages eingesetzt. [1][2]
Ist die SAM-Prüfung zerstörungsfrei?
Die akustische Mikroskopie ist grundsätzlich ein zerstörungsfreies Prüfverfahren. Ob die konkrete Anwendung für ein Bauteil geeignet ist, hängt jedoch unter anderem von der Flüssigkeitskopplung, der Materialverträglichkeit und der Probenkonstruktion ab. [1]
Was zeigt eine C-SAM-Delaminationsprüfung?
Eine C-SAM-Darstellung bildet Auffälligkeiten in einem ausgewählten Tiefenbereich ab, die auf eine Trennung zwischen Materialschichten hinweisen können. Die Bildinterpretation muss zwischen tatsächlichen Defekten und regulären Material- oder Geometrieeffekten unterscheiden.
Ist SAM besser als Röntgen?
Nicht grundsätzlich. SAM ist besonders hilfreich bei bestimmten inneren Grenzflächen und Delaminationen, während Röntgen bei anderen Strukturen und Fehlerarten Vorteile haben kann. Die geeignete Methode hängt vom Bauteil, den Materialien und dem Prüfziel ab.
Welche Frequenz eignet sich für die Halbleiterprüfung?
Es gibt keine universell optimale Frequenz. Die Auswahl richtet sich nach der benötigten Auflösung, der Tiefe des Prüfbereichs, der Dämpfung im Material und dem Aufbau der Probe. Eine Prüfung mit repräsentativen Bauteilen ist deshalb sinnvoll.
Was sollte vor dem Kauf eines SAM-Systems geprüft werden?
Wichtig sind das Prüfziel, die Probengröße, die relevanten Fehlerarten, der benötigte Frequenzbereich, die Scanzeit, die Auswertungssoftware und der Datenexport. Zusätzlich sollten Wartung, Service und die Reproduzierbarkeit des geplanten Prüfablaufs berücksichtigt werden.
Fazit
Die akustische Mikroskopie ist ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung verdeckter Strukturen in Halbleitern und mehrschichtigen elektronischen Baugruppen. Sie kann Hinweise auf Delaminationen, Hohlräume und bestimmte Risse liefern, ohne dass die Probe für die Messung aufgeschnitten werden muss. Ihr Nutzen hängt jedoch von einer passenden Messkonfiguration und einer fachgerechten Interpretation der Ergebnisse ab.
Bei der Auswahl eines SAM-Systems sollte deshalb nicht allein die Frequenz oder die nominelle Auflösung ausschlaggebend sein. Entscheidend ist, ob die relevanten Grenzflächen erreichbar sind, die erforderlichen Befunde zuverlässig dargestellt werden können und sich das System in den vorgesehenen Prüfablauf integrieren lässt.
Eine anwendungsbezogene Bewertung mit repräsentativen Proben bildet dafür eine solide Grundlage.
Quellen und weiterführende Literatur
[1] Fraunhofer ENAS, Scanning Acoustic Microscopy.
https://www.enas.fraunhofer.de/en/departments/SP/research/characterization-bonding/scanning-acoustic-microscopy.html
[2] Meshki Zadeh, P.; Brand, S.; Dehghan-Niri, E. (2025). Recent Progress in Structural Integrity Evaluation of Microelectronic Packaging Using Scanning Acoustic Microscopy (SAM): A Review. Sensors, 25(24), 7499.
https://doi.org/10.3390/s25247499
[3] Atkins, S. et al. (1998). Use of C-SAM acoustical microscopy in package evaluations and failure analysis. Microelectronics Reliability, 38(5), 773–785.
https://doi.org/10.1016/S0026-2714(97)00220-5
[4] Fraunhofer IISB, Failure Analysis.
https://www.iisb.fraunhofer.de/en/research_areas/packaging_reliability/failure-analysis.html
[5] Fraunhofer IMWS, Novel Failure Analysis Process for 3D Integration of Microelectronic Systems.
https://www.materials.fraunhofer.de/en/business-areas/Microsystems_technology/novel_failure_analysis_process_for_3d.html
[6] Oberhoff, S. et al. (2016). Application of high frequency scanning acoustic microscopy for the failure analysis and reliability assessment of MEMS sensors. Microelectronics Reliability, 64, 656–659.
https://doi.org/10.1016/j.microrel.2016.07.108