Pictures of the Future   Herbst 2007

Spurenlesen im Analytik-Labor

Bevor ein Siemens-Produkt mit elektronischem Innenleben auf den Markt kommt, wird es bei Bedarf im hauseigenen Analytik-Labor gewissenhaft auf schädliche Substanzen wie Blei und Cadmium geprüft. Und auch bei zunächst unerklärlichen Schadensfällen ist das chemisch-physikalische Wissen gefragt. Das Labor hat sogar internationale Teststandards für Umweltgifte definiert.

Der Weg zu den Detektiven führt einen kahlen, fensterlosen Flur entlang, vorbei an dunklen Zimmertüren. Dahinter befinden sich die Labore der Fahndungszentrale. Kommissare und Gerichtsmediziner arbeiten hier allerdings nicht – sondern Chemiker und Physiker. Statt Verbrecher jagen die Spezialisten von Siemens Corporate Technology (CT) in München Dinge, die kaum fassbar sind. Sie suchen nach giftigen Substanzen in Telefongehäusen und Stromkabeln. Sie ergründen die Ursache von Bauteilbrüchen und erforschen, warum Lichtschalter in Autos versagen. Mit einem Millionen Euro teuren Park von höchstempfindlichen chemisch-physikalischen Analysemaschinen weisen sie sogar Verunreinigungen nach, die durch die nanometerfeinen Schichten von Computer-Chips diffundieren – wenn es sein muss, auch einzelne Ionen und Moleküle.

Das Analytik-Labor wird immer dann zu Hilfe gerufen, wenn es in einem Siemens-Bereich klemmt – wenn unerklärliche Defekte auftreten, Produkte ihren Dienst versagen. "Wir betreiben hier Forensik für die Technik", sagt Dr. Klaus Budde, Spezialist für chemische Analytik bei CT. Nicht nur das: Bevor neue Siemens-Produkte auf den Markt kommen, werden sie in den Labors auf Schadstoffe untersucht. Verbotene Substanzen in Produkten können einer Firma das Geschäft verhageln, deshalb wird vor der Einführung getestet. So mussten vor wenigen Jahren die brandneuen Spielekonsolen eines japanischen Unterhaltungselektronik-Konzerns kurz vor Weihnachten weltweit aus den Regalen verschwinden, weil unbeabsichtigt Cadmium in einem Stromkabel verarbeitet worden war. Als man den Fehler schließlich behoben hatte, war das einträgliche Weihnachtsgeschäft längst vorbei.

Derartige Fälle kennen die CT-Fahnder nur zu gut. Vor geraumer Zeit untersuchten sie eine Telefoncharge auf gesetzlich verbotene Substanzen. Die meisten Komponenten bestanden den Test. Doch bei den nur wenige Millimeter langen Gehäuseschrauben wurde Budde fündig. Die winzigen Bauteilchen waren mit Spuren der giftigen Korrosionsschutz-Verbindung Chrom VI beschichtet. Chrom VI ist schon lange weltweit als Krebsauslöser geächtet. Doch ein Schraubenzulieferer aus Fernost hatte das Verbot ignoriert. Budde deckte den Vertragsbruch auf. Dem Zulieferer wurde gekündigt.

Erfahrung zählt. Die Arbeit der Hausdetektive ist eine tägliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Elektronische Produkte enthalten Hunderte kleiner Komponenten. Wie findet man da ausgerechnet jene, die toxische Materialien enthalten? "Vor allem durch langjährige Erfahrung, die Kenntnis der Substanzen und das Wissen darüber, an welchen Stellen bestimmte Stoffe verarbeitet sein könnten", sagt Budde. "In unserer Analytikabteilung haben wir daher ein Durchschnittsalter von fast 50", fügt er lächelnd hinzu. "Das dürfte so ziemlich einmalig sein." Neben den Hightech-Geräten ist vor allem diese gereifte Expertise der 27 Spezialisten der Schlüssel zum Erfolg.

In den Labors geht es längst nicht immer um Gifte. Die Arbeit der CT-Wissenschaftler kann auch auf andere Weise zum Umweltschutz beitragen. Denn häufig lassen sich durch die Analysen mögliche Schadensfälle im Voraus erkennen. Und manchmal erspart die Analyse zu frühen Zeitpunkten sogar teure Rückrufaktionen mit hohem logistischen Aufwand. Dr. Hans Cerva ist Spezialist für solche "Non-conformance"- oder schlicht Schadensfallanalysen. Zu seinen Werkzeugen zählt das TOF-SIMS. Dieses Time-of-Flight Sekundärionen-Massenspektrometer ist so faszinierend, wie sein Name verspricht. Ein glänzender Kubus aus Edelstahl, etwas größer als eine Waschmaschinentrommel, aus dem metallene Zylinder und Kabel ragen.

Das TOF-SIMS gehört zu den ausgefeiltesten Apparaten, die die Analysetechnik heute zu bieten hat. In seinem Innern feuert ein Ionenstrahl mikrometergenau auf die Materialprobe und entreißt ihr ebenfalls Ionen – die Sekundärionen. Diese sausen eine kurze Rennstrecke entlang und werden dann in eine Zeit-Messkammer abgelenkt. Aus der Flugzeit eines Ions ermittelt das TOF-SIMS die zugehörige Masse und daraus wiederum, um welches chemische Element es sich handelt.

Diese Flugzeitbestimmung ist so genau, dass nicht nur reine chemische Elemente, sondern sogar aus verschiedenen Atomen bestehende Moleküle bestimmt werden können. Wie mit einer feinen Nadel bohrt sich der TOF-SIMS-Strahl ins Material und analysiert, welche Schichten aufeinander folgen und welche Substanzen in ihnen stecken.

Unlängst richtete Cerva diesen Ionenstrahl auf die Oberfläche eines ASIC – eines kleinen Steuerchips für ein Sicherheitssystem im Auto. Fahrzeughersteller schicken in der Regel vor dem Start der Serienproduktion in der so genannten Qualifikationsrunde einige Hundert Probefahrzeuge auf Testfahrt. In diesem Fall wartete der Produzent bereits ungeduldig auf die dafür neu entwickelten ASIC. Die fielen aber in der Bauteilqualifikation reihenweise aus. Niemand wusste warum. Dank seines material- und halbleiterphysikalischen Wissens und langjähriger Erfahrung kam Cerva auf die richtige Idee: Er vermutete, dass nicht nur die üblichen Halbleiter-Elemente wie Silizium mit im Spiel waren und führte eine TOF-SIMS-Analyse durch. Sie ergab, dass der Chip eine verdächtig hohe Natrium-Konzentration enthielt. Dieses Leichtmetall ist Gift für Halbleiter-Komponenten, denn seine Ionen vagabundieren umher und bringen den Chip mit seinen Transistoren aus dem Takt.

Cerva gab den entscheidenden Tipp. Der Hersteller überprüfte die ASIC-Produktionsstraßen und entdeckte einen Fehler in der Prozesssteuerung: Im Bruchteil einer Sekunde schaltete sich die Produktionsanlage aus und wieder ein und trieb dabei das aus der Umgebung stammende Natrium tief in den ASIC hinein. Eine einfache Programmkorrektur genügte, um dem Hersteller Tausende von Reklamationen und Tonnen von Elektroschrott zu ersparen. "Wie in diesem Beispiel dreht es sich bei unseren Schadensfällen fast immer um Fehler im Materialherstellungsprozess, um falsche Materialauswahl oder Materialschädigung", sagt Cerva. "Die eigentliche Ursache zu finden, das ist wirkliche kriminalistische Arbeit und das, was uns Spaß macht."

Die Münchener Labors stehen voll mit gefrierschrankgroßen Geräten, die so klangvolle Namen wie Infrarot-Spektrometer und Gaschromatographie-Massenspektrometer tragen. Hier stehen auch raumfüllende Transmissionselektronenmikroskope (TEM). In einem der Räume brummt sogar ein großer Teilchenbeschleuniger, der aus großen Rohren zusammengefügt ist, wie sie für Erdgaspipelines verwendet werden. Hochenergetische Heliumionen werden darin von der Probe mit unterschiedlicher Energie zurückgeworfen. Damit lässt sich die genaue Zusammensetzung auf einer Probenoberfläche höchstempfindlich messen. Im TEM wiederum durchleuchtet ein Elektronenstrahl hauchfeine Materialproben. Damit können die Forscher nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) dünne Schichten analysieren – derartige Präzisionsschichten sind für die Funktionstüchtigkeit und Qualität von Halbleiterbauelementen wie Leuchtdioden oder Diodenlasern wichtig.

"Mit unserer Nanoanalytik verfügen wir über die neuesten am Markt erhältlichen Analysemethoden und eine Expertise, die bei praktisch jeder neuen Material- und Technologie-Entwicklung der Siemens-Bereiche gefragt ist", sagt Dr. Helmut Oppolzer, Leiter des Analytik-Teams. Oppolzer und seine Mitarbeiter sind vor allem für den Siemens-Konzern selbst Dienstleister, denn kein anderes Analytiklabor ist schneller erreichbar oder in vertraulichen Dingen verlässlicher. Oppolzer: "Wenn die Kollegen zu uns kommen, dann stehen sie meist vor einem akuten, für sie unlösbaren Problem, das sofort aus dem Weg geschafft werden muss." Zudem arbeitet die Mannschaft auch für ehemalige Siemens-Ausgründungen wie Epcos oder Infineon.

Weltweit Standards gesetzt. Doch die Kompetenz der Forscher – vor allem im Bereich der Schadstoffanalytik – ist auch extern gefragt: etwa bei der Umsetzung der internationalen EU-Umwelt-Richtlinie RoHS – der Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment ("Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten"). Laut RoHS dürfen solche Produkte seit 2006 höchstens noch Spuren der Schwermetalle Blei, Cadmium, Quecksilber sowie bromierter Flammschutzmittel enthalten. Genaue Angaben, wie die Grenzwerte einzuhalten und die Produkte zu prüfen seien, fehlten anfangs aber. Die Hersteller waren stark verunsichert, weil die Prüfungsmethoden unklar waren. Zugleich bestand die Gefahr, im Zweifelsfalle Produkte wegen versteckter Schadstoffspuren vom Markt nehmen zu müssen. "Ein Damoklesschwert", sagt Klaus Budde. Die Überprüfung einer homogenen Lötpaste erschien noch relativ einfach. Doch wie sollte man eine Leiterplatte mit winzigen Bausteinen wie Widerständen, Kondensatoren und Prozessoren auf Gifte untersuchen?

Die Internationale Elektronik-Kommission IEC in Genf gründete eilends eine Task-Force, um in Expertenrunden internationale Analysestandards festzulegen. Das Ziel der Gruppe war es, pragmatische, verlässliche Untersuchungsmethoden festzulegen und herauszuarbeiten, wie sich die vielfältigen Elektrokomponenten sinnvoll überprüfen lassen. Die Deutsche Kommission Elektrotechnik berief Budde in die internationale Task-Force. Dank seiner langjährigen Erfahrung mit einer Fülle analytischer Verfahren konnte er einiges beisteuern – etwa den Tüpfeltest, eine verblüffend einfache Farbreaktion. Tropft man eine bestimmte ätzende Flüssigkeit auf Oberflächen, färbt sie sich schlagartig violett, wenn Chrom VI vorhanden ist. Obwohl die Tüpfelprobe verglichen mit einem TOF-SIMS ausgesprochen simpel erscheint, ist sie äußerst empfindlich und reagiert bereits bei Chrom-VI-Gehalten von nur wenigen Nanogramm. Für die Grenzwerte der RoHS reicht das allemal.

Budde konnte die IEC vom bis dahin kaum beachteten Tüpfeltest überzeugen. Statt jedes Bauteil durch sündhaft teure Analyse-Apparate zu schicken, sei es sinnvoll, zunächst eine Tüpfelprobe zu machen, um Gut und Böse schnell und billig zu unterscheiden. Heute ist der Tüpfeltest weltweit IEC-Standard. Rückblickend sagt Oppolzer: "Unser Analytik-Labor besteht seit mehr als 30 Jahren. Damit fiel es uns letztlich leicht, geeignete Tests bereitzustellen, mit denen wir unsere Produkte auf RoHS-Konformität überprüfen können." Dass die Expertise der Siemens-Forscher sogar zum Weltstandard wurde, spricht für sich – und für die Schadstoff-Detektive, deren Aufklärungsrate bei Schadensfällen sehr hoch ist. Klaus Budde: "Wir spüren fast alle Abweichungen von der Norm auf."
                                                                                                               Tim Schröder