Mikroprüftechnik

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Mikroprüftechnik

Allgemeines

Für die volle Funktionsfähigkeit von Mikrokomponenten und -systemen aus Kunststoffen und eine geeignete Werkstoffauswahl ist eine umfassende und genaue Kenntnis der Werkstoffeigenschaften von großer Bedeutung. Dabei tritt in zunehmendem Maße das Schädigungsverhalten (z. B. Bruch- und Rissverhalten) unter thermo-mechanischer Belastung in den Vordergrund (siehe: Schadensanalyse and Kunststoffprodukten, VDI-Richtlinie 3822). Weiterhin besteht die Tatsache, dass zur Bewertung der mechanischen und thermischen Zuverlässigkeit mikroelektronischer Bauteile häufig die Methoden der Finiten Elemente (FEM) mit dem Einsatz entsprechender Materialgesetze bzw. theoretischer Werkstoffmodelle herangezogen werden. Die dazu nötigen Materialkenndaten müssen durch entsprechende experimentelle Untersuchungen ermittelt werden. Ein weiteres Ziel der Anwendung der Mikroprüftechnik besteht in der Charakterisierung typischer Defekte und ihrer lokalen Wertung, um effektive Werkstoffeigenschaften aus einer gegebenen mikroskopischen Struktur abzuleiten.

Der Einfluss der Prüfkörpergeometrie

Der Einfluss der Prüfkörperabmessungen auf die Werkstoffeigenschaften ist ein zentrales Problem, da bewährte Konzepte wie die Kontinuumsmechanik und die Bruchmechanik im Mikrobereich ihre Gültigkeitsgrenzen erreichen. Aber auch bei der Dimensionierung von Mikrobauteilen sollten die eingesetzten Kennwerte geometrieunabhängig (siehe Geometriekriterium) sein, um für diese Anwendungen ein Optimum an Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit gewährleisten zu können. Häufig sind dafür jedoch die Normprüfkörper der klassischen Kunststoffprüfung oder Bruchmechanik zur Beschreibung der Materialeigenschaften ungeeignet, da diese das reale Festigkeits- und Verformungsverhalten von Mikrokomponenten nur ungenau wiedergeben können. Des Weiteren sind Normprüfkörper sehr materialintensiv und deshalb für die Entwicklung neuer, optimierter Werkstoffsysteme häufig nicht verfügbar. Weiterhin stehen zur Bewertung von Schadensfällen (siehe Schadensanalyse) für die Entnahme von Prüfkörpern meist nur sehr geringe Mengen an Material zur Verfügung, so dass die Ermittlung der Eigenschaften bei Anwendung miniaturisierter Prüfkörper (Bild rechts) notwendig wird.

Bild:

Anwendungsbeispiel Mikrotechnik (links), schematische Darstellung eines Mikrobauteils (Mitte) und miniaturisierter Prüfkörper (rechts)

Die Übertragbarkeit von Kennwerten auf Mikrokomponenten

Beim Übergang vom Makro- in den Mikrobereich kommt den werkstofflichen Aspekten eine besondere Bedeutung zu. Mit zunehmender Miniaturisierung steigt das Verhältnis zwischen Prüfkörperoberfläche und -volumen sehr stark an. Die ermittelten Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und Verformungsfähigkeit werden in erheblichem Maße von der Güte der Oberfläche bestimmt. Ebenso können Variationen des Prüfkörperquerschnittes Auswirkungen auf das mechanische Eigenschaftsniveau zeigen. So wird z. B. mit abnehmender Prüfkörpergröße eine Zunahme der Festigkeit und der Bruchdehnung nachgewiesen, was darauf zurückzuführen ist, dass mit zunehmender Prüfkörpergröße die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Inhomogenitäten mit geringen Festigkeiten (Mikrorisse, Fehlstellen) zunimmt. Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt im Zusammenhang mit der Miniaturisierung ist die Bedeutung von Eigenspannungen. Im Rahmen der Mikroprüftechnik werden folgende Testmethoden häufig verwendet:

• uniaxiale Mikrozugprüfung,
• Mikrobiegebalkenprüfung,
• Mikrobruchmechanik,
• Nano-Eindringprüfung,
• die biaxiale Bulge-Prüfung.

Es ist jedoch festzustellen, dass die Mikroprüftechnik durch modifizierte Prüfmethoden und Messeinrichtungen dahingehend weiterzuentwickeln ist, dass die ermittelten Kennwerte repräsentativ für das jeweilige Werkstoffverhalten sind und damit die Übertragbarkeit auf Mikrokomponenten und die Abschätzung von deren Funktionsfähigkeit möglich wird.

Literaturhinweis

• Michel, B., Walter, H.: Mikroprüftechnik. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 679–682 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)