Fortschrittliches SAM validiert die Integrität von Diffusionsbindungen

Für die Prüfung der Bindungsqualität bietet die Rasterakustikmikroskopie Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

Branchen mit anspruchsvollen Metallverbindungsanwendungen verlassen sich zunehmend auf das Diffusionsschweißen, eine wesentliche Verbindungsmethode zur Erzielung einer hochreinen Grenzfläche zwischen zwei ähnlichen oder sogar unterschiedlichen Metallen. Bei diesem Prozess werden hohe Temperaturen und Druck auf Metalle ausgeübt, die in einer Heißpresse zusammengefügt werden. Dadurch vermischen sich die Atome auf festen Metalloberflächen und verbinden sich.

Bei ähnlichen Materialien nähert sich die Bindungsstärke dem Basismaterial an. Bei unterschiedlichen Materialien ist es eine Funktion der gebildeten intermetallischen Verbindungen, der Dicke der intermetallischen Zone und mikroskopischer Anomalien, wie z. B. Hohlräumen, an der Grenzfläche. Um die Qualität der Schnittstelle sicherzustellen, müssen Materialingenieure Proben analysieren, um die Qualität der Verbindung zu validieren. Zur Charakterisierung der Grenzfläche und zur Bereitstellung einer quantitativeren Analyse werden Messsysteme eingesetzt.

Wenn eine Seite einer geschweißten oder gelöteten Verbindungsbaugruppe unter Druck stehen kann, kann eine oberflächliche Helium-Leckprüfung durchgeführt werden. Diese Methode ist jedoch eher eine Kunst und eine Wissenschaft, da sie stark von der Benutzerkonfiguration abhängt und oft inkonsistente Ergebnisse liefert. Außerdem kann die Helium-Blei-Prüfung nicht den genauen Ort eines Lecks lokalisieren: Sie liefert nur Gut/Schlecht-Ergebnisse. Heute gibt es bessere Technologien und Methoden.

Aufgrund der Ungenauigkeit der Helium-Leckprüfung entscheiden sich Experten für Diffusionsschweißen dafür, Proben mit einer viel fortschrittlicheren, datengesteuerten Inspektionstechnik zu analysieren: Rasterakustische Mikroskopie (SAM).

SAM ist eine nicht-invasive, zerstörungsfreie Ultraschallprüfmethode. Die Prüfung ist bereits der Industriestandard für die 100-prozentige Prüfung von Halbleiterbauteilen, um Defekte wie Hohlräume, Risse und die Delaminierung verschiedener Schichten in mikroelektronischen Geräten zu erkennen. Jetzt werden die gleichen strengen Qualitätsprüfungen und Fehleranalysen angewendet, um die Integrität diffusionsgebundener Metalle zu validieren.

„Im Gegensatz zur Helium-Leckprüfung zeigt SAM nicht nur an, ob ein Verbindungsfehler vorliegt, sondern zeigt auch den Ort und die Größe an. Es entspricht im Wesentlichen einer Röntgenaufnahme im Inneren des Teils und ist daher eine viel umfassendere Prüfmethode zur Qualitätssicherung“, sagte Hari Polu, Präsident von OKOS, einem in Virginia ansässigen Hersteller von SAM und industrieller zerstörungsfreier Ultraschallprüfung (NDT). ) Systeme. OKOS ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der PVA TePla AG, Deutschland und bietet sowohl manuelle als auch automatisierte Inspektionssysteme für Flachplatten, dünne Platten, kreisförmige Scheiben, Sputtertargets und Speziallegierungen.

Heutzutage bietet das Diffusionsschweißen für verschiedene Branchen erhebliche Vorteile, beispielsweise die Möglichkeit, unterschiedliche Metalle und hochwertige Legierungen zu verbinden. Die Technologie ermöglicht auch vorteilhafte Anwendungen für die konforme Kühlung, die im Spritzguss und Druckguss eingesetzt wird.

Die Bedeutung der Konstruktion einer Verbindung aus unterschiedlichen Metallen liegt oft in dem Wunsch, die richtige Metalloberfläche bestimmten Umgebungsbedingungen auszusetzen, bei denen eine einzelne Legierung möglicherweise nicht so gut funktioniert. Ein weiterer Grund besteht darin, Materialsysteme einzuführen, die leichter sind oder ein Maß an Korrosionsbeständigkeit bieten, das nur durch die „Verpackung“ unterschiedlicher Metalle erreicht werden kann.

Kommerzielle Verfahren von Interesse sind Titan-zu-Eisen-Nickel-Legierungen, Titanlegierungen zu Edelstahl, Kupfer-zu-Stahl und sogar einige Aluminium-zu-Metall-Anwendungen. Das Verfahren ermöglicht auch die Kopplung zwischen verschiedenen Legierungen derselben Materialgruppe, wie z. B. Baustahl, Werkzeugstahl und Al MMC. Infolgedessen hat diese Technologie das Interesse von Designingenieuren in der Halbleiter-, Luft- und Raumfahrt- und Energieindustrie geweckt.

Das Diffusionsbonden bietet auch enorme Einsatzmöglichkeiten für konforme Kühlanwendungen. Das Konzept besteht darin, Schichten zu verbinden, deren Kühlkanalgeometrie zur Wärmeableitung optimiert ist. Verschiedene Geometrien und unterschiedliche Materialien profitieren von einem solchen Ansatz. Abhängig von der Größe der Akzidenzpresse können Lagen bis zu einer Stapelhöhe von 600 mm verklebt werden.

Eine weitere Anwendung im Zusammenhang mit der konformen Kühlung sind Kunststoffspritzgussformen. Konforme Kühlkanäle sind eine technische Lösung, um die Anforderung einer schnellen Kühlung zu erfüllen. Matrizen werden typischerweise in zweischichtiger Ausführung aus Werkzeugstahl und Materialien wie Edelstahl (STAVAX) hergestellt.

Zur Validierung der Integrität von Diffusionsbindungen funktioniert die fortschrittliche Phased-Array-Rasterakustikmikroskopie, indem fokussierter Schall von einem Wandler auf einen kleinen Punkt auf einem Zielobjekt gerichtet wird. Der auf das Objekt treffende Schall wird entweder gestreut, absorbiert, reflektiert oder weitergeleitet. Durch die Erkennung der Richtung gestreuter Impulse sowie der „Flugzeit“ kann das Vorhandensein einer Grenze oder eines Objekts sowie deren Entfernung bestimmt werden.

Um ein Bild zu erzeugen, werden Proben Punkt für Punkt und Zeile für Zeile abgetastet. Die Scanmodi reichen von Einzelschichtansichten bis hin zu Tray-Scans und Querschnitten. Mehrschichtige Scans können bis zu 50 unabhängige Schichten umfassen. Tiefenspezifische Informationen können extrahiert und zur Erstellung zwei- und dreidimensionaler Bilder verwendet werden, ohne dass zeitaufwändige tomografische Scanverfahren und kostspieligere Röntgenaufnahmen erforderlich sind. Anschließend werden die Bilder analysiert, um Fehler zu erkennen und zu charakterisieren, z. B. die Größe und den Ort etwaiger Ablösungen an der Grenzschicht diffusionsverbundener Metallteile.

„OKOS hat die Lehren und strengen Spezifikationen aus der Halbleiterwelt genutzt und unsere SAM-Scansysteme für verschiedene Formfaktoren angepasst, um einzigartige Lösungen für Metalle und Legierungen in den Industriemärkten bereitzustellen“, sagte Polu. „Mit dieser Art von Tests können wir das Inspizieren Sie Materialien auf einem Niveau, das ein bis zwei Größenordnungen besser ist als die Lecksuche mit Helium, um Ablösungsfehler und Defekte [an der Grenzfläche] von nur 50 Mikrometern zu entdecken, die zuvor unentdeckt waren.“

Unternehmen wie OKOS bieten eine Reihe von SAM-Produkten an, von kompakten Tischgeräten bis hin zu vollautomatischen Produktionsliniensystemen.

Wenn für eine 100 %-Prüfung ein hoher Durchsatz erforderlich ist, werden ultraschnelle Einzel- oder Doppelportal-Scansysteme zusammen mit 128 Sensoren für das Phased-Array-Scannen eingesetzt. Für einen höheren Durchsatz können auch mehrere Schallköpfe zum gleichzeitigen Scannen verwendet werden.

„Bei Tests mit einem multinationalen Fortune-500-Unternehmen an einer Probe aus Aluminium und Stahl konnte das Gerät das Material in drei Minuten scannen. Früher brauchten sie für einen Teil 40 Minuten“, sagte Polu.

Ebenso wichtig wie die physischen und mechanischen Aspekte der Durchführung eines Scans ist die Software entscheidend für die Verbesserung der Auflösung und die Analyse der Informationen, um detaillierte Scans zu erstellen. Mehrachsige Scanoptionen ermöglichen A-, B- und C-Scans, Konturverfolgung, Offline-Analyse und virtuelles Nachscannen für Metalle und Legierungen, was über die Inspektionssoftware zu einer hochpräzisen internen und externen Inspektion auf Ablösungsfehler führt.

Verschiedene Softwaremodi können einfach und benutzerfreundlich, erweitert für detaillierte Analysen oder automatisiert für Produktionsscans sein. Für das virtuelle Scannen steht auch ein Offline-Analysemodus zur Verfügung.

„OKOS hat sich schon früh für die Bereitstellung einer softwaregesteuerten, ökosystembasierten Lösung entschieden“, sagte Polu. Die ODIS Acoustic Microscopy-Software des Unternehmens unterstützt einen breiten Bereich von Wandlerfrequenzen von 2,25 bis 230 MHz.

Polu schätzt, dass das softwaregesteuerte Modell es ihnen ermöglicht, die Kosten für SAM-Tests zu senken und gleichzeitig die gleiche Qualität der Inspektionsergebnisse zu liefern. Daher ist diese Art von Ausrüstung selbst für kleinere Prüflabore, Forschungs- und Entwicklungszentren und Materialforschungsgruppen gut erreichbar.

„Jedes Unternehmen wird sich irgendwann dieser Stufe der Prüfung und Qualitätskontrolle von Diffusionsschweißmetallteilen zuwenden, da die Erkennungsstufe der Helium-Lecksuche weit überlegen ist. Die erhöhte Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Vollständigkeit sowie der geringere Kosten- und Zeitaufwand treiben den Wandel voran“, schloss Polu.

Wenn Industriehersteller die Vorteile der höheren Fehlererkennung und -analyse nutzen, verbessern sich die Produktionsausbeute und die Gesamtzuverlässigkeit der Produkte erheblich. Projekte werden beschleunigt und potenzielle Fehlerquellen vor Ort beseitigt.

okos.com