Professur Werkstoffe und Zuverlässigkeit mikrotechnischer Systeme

Forschung

Arbeitsgebiete

Überblick

Die Zuverlässigkeit als wissenschaftliche Disziplin beschäftigt sich mit der Analyse, Bewertung und Vorhersage der Lebensdauer von mikrotechnischen Systemen (z. B. der Aufbau-und Verbindungstechnik in der Mikroelektronik, MEMS, etc.)

Die Hauptherausforderungen sind dabei die Handhabung der Komplexität mikrotechnischer Systeme (System-Zuverlässigkeit), die Korrelation der Degradation zur Nanostruktur der Werkstoffe (Nano-Zuverlässigkeit) und die Generierung von Lebensdauermodellen zur Korrelation zwischen Labor- und Feldbelastung (Definition von beschleunigten und kombinierten Tests).

Eine Zuverlässigkeitsprognose steht und fällt mit der Gültigkeit und Genauigkeit des Lebensdauermodells für den jeweiligen Fehlermechanismus. Die Forschung umfaßt daher die Entwicklung von Lebensdauermodellen für mikrotechnische Systeme von der Werkstoff- bis zur Systemebene. Grundlage hierfür ist das physikalische Verständnis von Werkstoffen in Bezug auf ihre Eigenschaften und Fehlermechanismen als Funktion des strukturellen Aufbaus und externer Randbedingungen ('Physics-of-Failure').

 
Bild 1: Molekulardynamiksimulation von vernetzten Epoxidharz auf SiO2 mit H2O Molekülen zum Studium von Feuchtediffusion und Hafteigenschaften unter verschiedenen Temperaturen und Drücken, um Struktur-Eigenschafts-Korrelationen zu gewinnen.

Kompentenzfelder

Werkstoffcharakterisierung
Die Forschung umfasst die thermische und mechanische Charakterisierung von Werkstoffen und Werkstoffverbünden mikrotechnischer Systeme unter typischen applikationsrelevanten Lastbedingungen wie z.B. Temperatur, Feuchte oder Vibration. Dabei werden insbesondere Grenzflächeneigenschaften betrachtet und z. B. mittels bruchmechanischer Methoden untersucht. Wichtig sind hierbei auch Prozesseinflüsse auf das Material- und Schädigungsverhalten.
Simulation
Für die rechnergestützte Lebensdauerprognostik wird in der Regel ein Fehlerparameter berechnet, welcher den zu erwartenden lokalen Schaden als Funktion externer Lastbedingungen definiert. Um Zuverlässigkeitsaussagen über komplexe Systeme treffen zu können, kommen Multiskalen und Feldkopplungs-Ansätze zur Anwendung. Methoden der Molekulardynamik werden zur Struktur-Eigenschafts-Korrelation im Mikro/Nano Übergangsbereich eingesetzt ('Nano-Reliability'), bzgl. der Bruchmechanik oder im Kontinuum handelt es sich hauptsächlich um Finite-Elemente Simulationen zur Kopplung thermischer, mechanischer und fluidischer Felder.
Experimentelle Analytik
Simulationsergebnisse müssen auf jeder Komplexitätsebene verifiziert werden. Dazu kommen auf Werkstoffebene moderne struktur- und mikrodeformationsanalytische Verfahren zum Einsatz, um Degradation, Risse oder Eigenspannungen auch in kleinsten Bereichen nachweisen zu können (z. B. microDAC im Verbund mit REM, AFM oder FIB). Auf Prüfkörperebene wird u.a. an verschiedenen Methoden zur Bestimmung von Rissparametern geforscht. Dabei werden die Proben verschiedenen bzw. kombinierten thermo-mechanischen Belastungen ausgesetzt.

Bild 2: Finite-Elemente-Simulation eines asymmetrischen Rissspitzen-Spannungsfeldes, um das Risswachstum im Mixed-Mode am Interface zwischen SiO2-gefülltem Epoxidharz und einer Kupferoberfläche zu untersuchen. 		 
Bild 3: IR-Phasen-Bild eines mK-Temperaturfeldes erzeugt während unterkritischer zyklischer Belastung eines Risses in PMMA. Ermöglicht bspw. die genaue Bestimmung der Rissspitzen-Position.