Aus Lexikon der Kunststoffprüfung
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Mikrozugprüfung

Entwicklung von Miniaturprüfkörpern

Die zunehmende Miniaturisierung von Bauteilen der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik erfordert die genaue Kenntnis des Festigkeits- und Verformungsverhaltens als auch der Schädigungs- und Bruchmechanismen, um die Funktionsfähigkeit derartiger Mikrosysteme und -komponenten zu gewährleisten [1] (siehe auch: Mikroprüftechnik). Für die Auslegung und Konstruktion dieser Mikrobauteile, die Optimierung der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen oder medizinische Applikationen sind zudem für die zuverlässige Simulation der Eigenschaften belastbare mikro- oder nanoskalige Kennwerte erforderlich. Da die Normprüfkörper der Werkstoff- und Kunststoffprüfung zur Erfassung der Materialeigenschaften von Mikrokomponenten ungeeignet sind, andererseits aber geometrieunabhängige Kennwerte (siehe Geometriekriterium) gefordert werden, wurden zunehmend spezielle Miniaturprüfkörper entwickelt, die allerdings prüfmethodisch und auch prüftechnisch hohe Voraussetzungen bedingen. An diese Prüfkörper werden aber auch hohe präparative und geometrische Anforderungen gestellt, da die Güte der Oberfläche und Geometriekonstanz sich erheblich auf das Kennwertniveau auswirken können. Zugleich haben Eigenspannung und Orientierungen sowie strukturell-morphologische Inhomogenitäten aufgrund des Spannungszustandes der Miniaturprüfkörper einen größeren Einfluss als bei der Verwendung von Normprüfkörpern. Dadurch verlieren bewährte Aus- und Bewertungskonzepte der Kontinuums- und Bruchmechanik für Mikroprüfkörper ihre Gültigkeit, weshalb der Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften von den Prüfkörperabmessungen eine essentielle Bedeutung zukommt.

in-situ-Experimente im ESEM

Die Anforderungen dieser Miniaturprüfkörper an die Handhabung und Prüftechnik sind dementsprechend sehr hoch. Während Mikroprüfeinrichtungen als Zubehör für in-situ-Experimente im ESEM (Enviromental Scanning Electron Microscope) schon den Standard darstellen (Bild 1) sind externe Prüfeirichtungen erst in den letzten Jahren konzipiert und gebaut wurden.

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Bild 1: Mikrozugprüfsystem MT5000 von Deben, Surfolk, UK als Zusatz zum ESEM Quanta 600 FEG von FEI, Eindhoven, Niederlande

Mikroprüfmaschinen

Als Mikroprüfmaschinen bezeichnet man Prüfsysteme mit eine Nennlast <100 N, die bei einer Genauigkeitsklasse von 0,5 % je nach eingesetzter Kraftmessdose mindestens ab 0,5 N zuverlässige Messergebnisse produzieren. Diese Prüfmaschinen existieren als Zusatzsysteme für konventionelle Universalprüfmaschinen oder als Stand-alone-Gerät. Ein typischer Vertreter einer unabhängigen Mikroprüfmaschine ist die inspekt micro LC100N der Fa. Hegewald & Peschke GmbH, Nossen, die sowohl für quasistatische als auch dynamische Versuche (siehe: Ermüdung) einsetzbar ist (Bild 2).

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Bild 2: Mikroprüfsystem inspekt-micro LC100N von Hegewald & Peschke, Nossen

Dieses Prüfsystem verfügt neben der internen Wegmesseinheit über eine integrierte Videoaufzeichnung und ist optional mit einem ESPI (Laser-Speckle-Extensometer) aufrüstbar. Das Mikroprüfsystem erlaubt quasistatische Zug-, Druck und Biegeversuche als auch Scherversuch mit einer maximalen Prüfgeschwindigkeit von 120 mm/s bei einem Messweg von 10 mm. Die Wegauflösung beträgt 20 nm bei einer Genauigkeit von 3 µm. Die kleinste Kraftmessdose hat mit 10 N eine Genauigkeit von 0,05 N. Damit lassen sich Zugversuche an Mikroprüfkörpern und Bonddrähten, Scherversuche an Lötverbindungen als auch registrierende Härteprüfungen und Druckversuche an unterschiedlichsten Werkstoffen realisieren. Im dynamischen Versuchsmodus mit bis zu 50 Hz können auch Bauteiltests z. B. an Mikroschaltern oder biomedizinischen Materialien durchgeführt werden.

Der Mikrozugversuch

Eine spezielle Variante der Mikroprüftechnik stellt die von Dr. Wazau Mess- und Prüfsysteme GmbH, Berlin, vertriebene Mikrozugprüfmaschine dar, da sie als Zusatzeinrichtung für eine Universalprüfmaschine konzipiert wurde (Bild 3).

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Bild 3: Mikrozugprüfmaschine MZP, adaptiert an eine INSTRON 1362

Der Zugversuch an Mikrozugprüfkörpern (Länge: 15 mm, Durchmesser: < 0,5 mm, Querschnitt: 1 mm2) unter Verwendung konventioneller Prüfeinrichtungen ist auf Grund des dominanten Auftretens von Einspanneffekten wie Querkräfte und Biegeeinfluss schwierig zu realisieren (siehe: Prüfkörpereinspannung). Eine perfekte axiale Positionierung des Prüfkörpers in der Lastlinie ist nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen, weshalb Papiermasken mit eingeklebten Prüfkörpern als Einspannhilfe verwendet werden (Bild 4).

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Bild 4: Verwendete Mikrozugprüfkörper

Nach dem Einspannen wird die Papiermaske in der Mitte beidseitig getrennt und der Zugversuch kann anschließend durchgeführt werden.
Mit dem im Bild 3 dargestellten Messaufbau einer Mikrozugprüfmaschine können, neben geringen Kräften im mN-Bereich mit Hilfe induktiver Wegaufnehmer, auch geringe Dehnungswerte mit einer messtechnischen Auflösung von 100 nm exakt ermittelt werden. Die Messsysteme erlauben eine präzise reproduzierbare kraft- und dehnungsgeregelter Versuchsführung bei quasistatischer Beanspruchung (Bild 5).

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Bild 5: ZWICK Z020 mit adaptierter Mikrozugprüfmaschine MZP Wazau

Mit dieser Mikrozugprüfmaschine kann der Elastizitätsmodul sowie das Festigkeits- und Deformationsverhalten von Mikrozugprüfkörpern, Faserbündeln oder Einzelfasern z. B. für die Ermittlung von Daten für Simulationsrechnungen effizient ermittelt werden. Zyklische Versuche bei niedrigen Frequenzen (LCF) an Kleinstbauteilen oder zum Bondverhalten von feinsten Drähten sind im Zugschwellbereich (siehe: Ermüdung) ebenfalls realisierbar, wobei der Antrieb der Universalprüfmaschine in jedem Belastungsfall mit den maschinentechnischen Anforderungen der Mikrozuprüfmaschine konform sein muss.


Literaturhinweis

[1] Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 683–687 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)