Charakterisierung und Analytik

Zur Bestimmung der Lebensdauer mikro- und leistungselektronischer Komponenten und Baugruppen mittels Finite-Elemente-Simulation (FE) müssen deren Materialeigenschaften präzise bekannt sein. Dies erfordert die Erfassung von Materialdaten und die Bestimmung mechanischer Eigenschaften an kleinen Materialvolumina und bei erhöhten Temperaturen unter Berücksichtigung der Herstellungsprozesse und des Alterungszustandes.

Die Entwicklung von Präparations- und Herstellungsverfahren von Probengeometrien, an denen klassische Zug-, Druck- oder Biegeversuche durchgeführt werden können, ermöglicht die Materialdatenbestimmung an Werkstoffen der Elektronik. Der Vorteil hierbei ist die Verwendung etablierter Messmethoden und Auswertungsroutinen. Allerdings lässt sich das Prozess- und Alterungsverhalten der Werkstoffe mit diesen nur schwer nachbilden. Eine Alternative besteht darin, am Bauteil selbst, welches Belastungstests unterzogen wurde (zum Beispiel Thermoschock oder Lastwechseltests), Prüfverfahren für kleine Flächen und Präparationstechniken einzusetzen, bei denen Materialdaten direkt aus dem Material des Bauteils gewonnen werden, beispielsweise durch Nanoindentation oder Mikro-Kompressionstests im Rasterelektronenmikroskop (REM). Diese Methoden ermöglichen die Bestimmung lokaler, prozessabhängiger Eigenschaften. Werden Messmethoden mit bildgebenden Verfahren kombiniert, können Dehnungen begleitend durch digitale Bildkorrelation (digital image correlation, DIC) bestimmt werden.

Die prozessabhängigen Materialeigenschaften resultieren aus der Mikrostruktur eines Werkstoffes, wobei Parameter wie Korngröße, Kornorientierung und Porosität eine Rolle spielen. Diese können mit Techniken wie Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und der fokussierten Ionenstrahl-Tomografie (Focused Ion Beam, FIB) analysiert werden. Darüber hinaus liefern zerstörungsfreie Messverfahren wie Ultraschallmikroskopie, laserakustische Analysatoren und Röntgen-Computertomografie (CT) wertvolle Informationen über elastische Eigenschaften, Mikrostruktur und materialbedingte Veränderungen vor und nach der Durchführung von Zuverlässigkeitstests.

Kernthemen:

• Gewinnung von Materialdaten für Finite-Elemente-Simulationen (FE) und methodische Weiterentwicklung von Experimenten und Datenauswertemethoden
• Bestimmung prozessabhängiger Materialeigenschaften: Korrelation von Mikrostruktur zu Prozess
• Analyse von Materialänderungen durch Betriebsbelastungen und Umwelteinflüsse sowie von Werkstoffalterung
• Zerstörungsfreie Analyseverfahren komplementär zur Analytik mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM)
• Experimentelle Validierung von Finite-Elemente-Simulationen (FE)

Verfügbare Messmethoden:

• Dynamisch-Mechanische Analyse (Zug-, Druck- und Biegebelastung von -60 °C bis 500 °C mit bis zu 500 N im Frequenzbereich von 0.001 bis 200 Hz), Kombination mit digitaler Bildkorrelation (DIC)
• Thermomechanische Analyse (Bestimmung von Ausdehnungskoeffizient, Glasübergangstemperatur, Schwindung)
• Nanoindentation (Bestimmung lokaler Eigenschaften auch an Dünnschichten, E-Modul, Härte, elastisch-plastisches Materialverhalten, Scratch-Tests)
• Rasterelektronenmikroskopie (Elektronenrückstreubeugung (EBSD), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Focused Ion Beam (FIB), mechanische Belastung, Heat-Stage)
• Scher- und Pulltests
• Ultraschallmikroskopie
• Röntgen-Computertomografie (CT) mit Belastungsmodul für thermische oder mechanische Belastungen für Anwendungen mit digitaler Volumenkorrelation (DVC)
• Messung von Waferbow und thermisch induzierten Verformungen an elektronischen Baugruppen durch Profilometrie (-40 °C bis 300 °C)
• Bestimmung von Eigenspannungen mittels Raman-Spektroskopie oder fibDAC-Verfahren
• Materialanalyse im Kryobereich von Raumtemperatur bis 4 K für Materialien im Quanten-Packaging