Stationäre und mobile RoHS-Messung mittels RFA

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RoHS-Stoffverbote müssen beim Konstruktionsmuster eingehalten werden und in der Produktion muss die Sorgfaltspflicht gewahrt bleiben. Das fordert der Gesetzgeber im Rahmen der RoHS-Richtlinie (2002/95/EG). RoHS-Zertifikate von Lieferanten bieten zwar einen Basisnachweis, sind jedoch häufig unübersichtlich, nach unterschiedlichen Analysenmethoden erstellt und in der Masse nicht nachprüfbar. Viele Firmen ergänzen ihre Fremdzertifikate deshalb durch Stichproben im Wareneingang und an Lagerbeständen. Hierfür kommt in der Regel die schnelle und kostensparende Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA-Methode) mit stationären oder mobilen RFA-Geräten gemäß DIN EN 62321 (Entwurf) zum Einsatz. Der Erfahrungsbericht soll Eignung und spezifische Anwendung beider Geräte-Typen näher beleuchten.??Das Prüfinstitut Hansecontrol in Hamburg hat bereits im Spätsommer 2005 begonnen, sich auf die geltenden RoHS-Beschränkungen einzustellen und entsprechende Analysegeräte angeschafft und weiter optimiert. Die chemische Analyse von Cd, Hg, Pb, Cr-VI, PBB und PBDE war von Anfang an möglich. Für das schnellere RFA-Screening hat sich das Institut für das Niton Xlt 797 (im Vertrieb und Service der Firma Analyticon) entschieden - ein Handgerät, das mobil und einfach zu bedienen ist. Chemische Vergleichsanalysen zeigen zudem, dass es die vorgesehene dreißigprozentige Prozessgenauigkeit der Norm E DIN EN 62321 sicher gewährleistet. Dank des großen Messfensters lässt sich die erforderliche Genauigkeit in der Zählstatistik in ein bis drei Minuten verwirklichen. Die Umstellung von Silber- auf Goldanode erhöht die Zählrate weiter. Das Institut nutzt eine abgeschirmte Probenkammer mit Tischhalterung. Dies erleichtert das Handling kleiner Proben und die Einhaltung von Strahlenschutzauflagen (s. Abb. 1). ??Bei größeren Strukturen wie Platinen erwiesen sich bei diesem System die manuelle Probenzufuhr sowie die fehlende Bildanzeige und -dokumentation als Einschränkung. Dies erschwerte eine exakte Positionierung auf bestimmte Punkte der Probe. Die Ortsauflösung des Messflecks von etwa 0,5 Quadratzentimetern war zudem für kleinere Proben wie einzelne IC-Pins oder feinere Drähte in der eingesetzten Geräteausführung zu ungenau. Um die erwähnten Einschränkungen zu umgehen, entschied sich das Labor im Herbst 2006, als Ergänzung für das stationäre Vollschutzgerät Xdal von Fischer. Mit diesem Gerät lassen sich auch Schichtdicken messen und Schadstoffkonzentrationen für homogene Schichten bestimmen. Die höhere und genauere Auflösung geht allerdings mit längeren Vorbereitungs- und Zählzeiten einher. Der kleinere Fokus im Vergleich zum Niton-RFA hat in den Vergleichmessungen (s. Tabelle 2) z.B. eine fünf- bis zehnfach längere Messzeit erfordert. Auch der Aufwand für die Vorbereitung der Messungen ist höher. Um die vorgegebene Genauigkeit der E DIN EN 62321 zu erreichen, mussten im vorliegenden Fall zudem Vorkalibrierungen mit geeigneten Standards erfolgen. ??Erschwerend kommt hinzu: Sollen Substanzen analysiert werden, die in verschiedenen Kunststoffmatrices gebunden sind, muss zunächst die jeweilige Matrix kalibriert werden. Sonst sind die quantitativen Daten nicht immer reproduzierbar. Für die rein qualitative Entscheidung, ob RoHS-relevante Schadstoffe im Material vorhanden sind, ist der Aufwand akzeptabel. Tabelle 1 vergleicht Vor- und Nachteile beider Geräte. Tabelle 2 zeigt die Messwerte eines zertifizierten Standards mit beiden Geräten. Das Niton-Gerät wurde ohne Vorkalibrierung oder spezielle Softwareeinstellungen im Plastic-Modus betrieben. Für das Fischer-Gerät wurde beim Hersteller eine spezielle Messaufgabe hinterlegt. Mit beiden Geräten ist ein umfassendes und unter Berücksichtigung der Vorgaben der E DIN EN 61321 quantitatives RoHS-Screening realisierbar. Qualitative Aussagen zeigen beide Geräte lediglich bei Kunststoffen mit Dicken größer 0,5 Millimeter. ??Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA)??Bei der Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA) wird die zu untersuchende Probe durch Röntgenstrahlung angeregt, wobei Elektronen von inneren Schalen der Atome auf ein energetisch höheres Niveau gehoben werden. Beim Füllen der entstandenen „Lücken“ emittiert jedes Element eine charakteristische Fluoreszenzstrahlung (s. Abb. 2 links). Diese Strahlung wird detektiert und das Spektrum in Bezug auf das jeweilige Element und dessen Konzentration ausgewertet (s. Abb. 2 rechts). Die RFA analysiert chemische Elemente (unabhängig von der chemischen Bindung), nicht aber Verbindungen und die Wertigkeit der Elemente.??Wichtig für das Analysenergebnis ist primär nicht die Größe des RFA-Gerätes oder die Leistung der Röntgenröhre, sondern die verwertbare Zählrate am Detektor, die spektrale Auflösung sowie eine gute Kalibrierung und leistungsfähige Analysen-Software. Die Detektor-Technologie ist bei beiden Geräten vergleichbar (Si-PIN-Diode). Das Niton-Gerät hat zwar eine geringere Leistung der Röntgenröhre (ungefährt 1 W), aber auch sehr geringe Abstände zwischen Röhre, Probe und Detektor, welche sich quadratisch auf die Zählrate auswirken. Dadurch lassen sich eine ausreichende Zählrate am Detektor und kurze Messzeiten erreichen. ??Das Fischer-Gerät hat hingegen eine höhere Leistung der Röntgenröhre (etwa 50 W), allerdings muss für eine hohe Ortsauflösung mit einem kleinen Kollimator (~1 bis 10 ppm). Beide Geräte sind zur Prüfung der RoHS-Grenzwerte aber ausreichend. Matrixeinflüsse (Absorption und Sekundäranregung) haben erheblichen Einfluss auf das Messergebnis und lassen sich nur über eine geeignete Kalibration korrigieren. Zur Evaluierung eines Gerätes sollte es auch an unabhängigen, zertifizierten Standards überprüft werden, nicht nur an den zum Gerät gehörenden Kalibrationsproben, für die das System optimiert wurde. Wiederholungsmessungen mittels RFA an realen Proben lassen zunächst nur Schlussfolgerungen in Bezug auf Reproduzierbarkeit zu. Ihre Richtigkeit lässt sich nicht direkt sondern nur mit validierten Standards überprüfen. Das Niton-Gerät kommt bei der Messung an kleinen Proben (unter 1 mm²) schnell an seine Grenzen. Das stationäre System analysiert dagegen noch um den Faktor 20 kleinere Proben. Bei Messungen hoher Ortsauflösung (kleinem Messfleck) auf einer größeren Probenmatrix sind die Kollimatorabmessungen allein nicht aussagekräftig. Röntgenstrahlen durchdringen die Probe nicht nur in die Tiefe, sondern breiten sich auch zur Seite aus. So können auch seitlich angrenzende Bereiche zur Analyse beitragen. Entscheidend ist das Wechselwirkungsvolumen der Röntgenstrahlen, das von der Element-Spektrallinie und der Zusammensetzung der Probe abhängig ist. Damit sind auch RFA-Geräten mit feinem Kollimator physikalische Grenzen bei der Ortsauflösung gesetzt. Wenn eine hohe Ortsauflösung erforderlich ist, wird eine Zielpräparation oder Elektronenstrahl-Mikroanalyse unvermeidlich. Hier liegt das Wechselwirkungsvolumen im Mikrometerbereich. Die Analyse von Schichtsystemen, wie sie das stationäre System gestattet, ist bei grenzwertigen Konzentrationen der RoHS-Elemente (meist Pb) nicht einfach und sollte nicht mit Routine-Analysen zur Messung von Schichtdicken bei der Herstellung von Leiterplatten verwechselt werden. Die Schichtparameter an komplexen Bauelementen und Baugruppen sind meist nicht bekannt. Zudem sind grundlegende Kenntnisse der Oberflächen-Technologie und Werkstoffe erforderlich. Diese komplexen Analysen erfordern große Erfahrung.??Fazit??Die Entscheidung, ob die RoHS-Messung stationär oder mobil erfolgen sollte, lässt sich nicht pauschal treffen. Sie ist immer von der konkreten Anwendung abhängig: Eine Gefahr durch Röntgenstrahlung geht bei sachgemäßem Umgang von keinem der eingesetzten Geräte aus. Es empfiehlt sich, beide Geräte und Prüfstrategien an geeigneten Proben in Bezug auf die spezifische Anwendung zu evaluieren.

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