Materialcharakterisierung an metallischen LIGA-Proben

Materialcharakterisierung an metallischen LIGA-Proben
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K. Bade , A. Janssen , J. Aktaa , J.-Th. Reszat , D. Exner , C.A. Volkert
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IMT / Forschungszentrum Karlsruhe
IMF II / Forschungszentrum Karlsruhe
Zusammenfassung
Für eine in der Fertigung hohen Präzision im unteren µm-Bereich, einer hohen Zuverlässigkeit und belastbaren Aussagen zu Materialveränderungen im technischen Einsatz ist eine
standardisierte Qualifizierung der Fertigungsprozesse notwendig. Dazu werden über das
LIGA-Verfahren Mikroprüfproben mit präzisen Abmessungen unter Verwendung standarisierter Prozessschritte erzeugt. Nach geometrischer Vermessung werden diese Prüfkörper mit
Mikrozugprüfung mechanisch getestet und mit Rasterelektronen- und fokussierter Ionenstrahlmikroskopie nach dem Bruch untersucht.
To achieve high precision during fabrication in the lower µm regime, high reliability and
meaningful statements concerning material changes during technical application a standardized qualification of the fabrication processes is required. Therefore micro test samples are
being manufactured with precise dimensioning with the LIGA technique using standardized
processing steps. After geometrical verification these samples are mechanically tested with
microsample tensile testing. The fractured samples are analysed by means of scanning electron microscopy and focussed ion beam microscopy.
1.
Motivation
Neben Polymeren und Keramiken werden auch
metallische Materialien für Mikrobauteile und
Werkzeuge der Mikrotechnik eingesetzt. Für
eine in der Fertigung hohen Präzision im unteren
µm-Bereich, einer hohen Zuverlässigkeit und
belastbaren Aussagen zu Materialveränderungen im technischen Einsatz ist eine standardisierte Qualifizierung der Fertigungsprozesse
notwendig. Dabei werden für die Werkzeugtechnik genaue Kenntnisse der durch die Herstellungsprozesse beeinflussten Materialeigenschaften zunehmend wichtig. Gleiches gilt auch für die
Herstellung von Mikrokomponenten.
2.
Herstellung der Mikroprüfproben
Die Mikroprüfproben werden unter Gewährleistung präziser Abmessungen mit dem LIGAVerfahren hergestellt, wobei die realen Fertigungsbedingungen durch die Wahl von Standardsubstraten und Standardmikrostrukturierungsschritten umgesetzt werden. Dazu wurde
ein optimiertes Layout (Abb. 1) entworfen, das
verschiedene Typen von Mikroprüfkörpern für
Zug- und Ermüdungsversuche enthält. Dabei
wurden Erfahrungswerte aus vorherigen Arbeiten eingebracht [1].
Dabei muss sichergestellt werden, dass der
Fertigungsprozess präzise und ohne Veränderungen der Materialkennwerte erfolgt. Deshalb
sind für die Einstellung von Arbeitsfenstern und
für die Qualitätssicherung entsprechend qualifizierte Prüfungen zwingend notwendig. Entscheidend dabei ist, dass die zur Materialprüfung
eingesetzten Prüfkörper unter gleichen Prozessbedingungen und Qualitätsstandards hergestellt
werden, wie die endgültigen Mikrokomponenten.
Die Analyse an standardisierten Mikroproben
erlaubt somit – neben ihrer Verwendung zur
Materialforschung – die Aufdeckung von Prozessfehlern durch die Materialanalyse und ist
damit äußerst wertvoll bei der Aufstellung von
Fehlerketten und deren Vermeidung.
Abb. 1: Layout des modifizierten Mikroprüfkörper-Wafers.
3.
Qualitätssicherung und Maßgenauigkeit
250
a)
b)
Nennspannung N [MPa]
(pro Zahl der intakten Stege)
4 Stege
Mit Hilfe von berührungslosen oder abtastenden
Messverfahren wird die Geometrie der Mikrozugproben bestimmt. Dabei können äußere Beschädigungen erfasst und 3-dimensional abgebildet werden.
3 Stege
2 Stege
1 Steg
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
Dehnung T [%]
Abb. 3: Spannungs-Dehnungsverlauf
Gold-Viersteg-Zugprobe.
4.2
Abb. 2: 3-dimensionales Profil einer maßgenauen (a) und einer vorgeschädigten (b) EinstegMikrozugprobe (M. Blumhofer, IMF I).
4.
Beispiele der Materialprüfung an Mikroproben
Die Kombination von mechanischer Mikroprüfung mit hochauflösenden Analysetechniken
gestattet die gezielte Untersuchung mikroskopischer Abläufe in Korrelation mit den sich daraus
ergebenden Werkstoffkennwerten.
4.1
einer
FIB Untersuchungen an Bruchflächen Versagensanalytik
Zur Untersuchung der bruchmechanischen Ursachen und Prozesse, die zum Versagen der
Mikrozugproben führen, steht am IMF II ein
hochmodernes Dual-Beam-Mikroskop mit REM
und FIB (Focussed Ion Beam Microscope) zur
Verfügung. Die Kombination dieser beiden Mikroskope in einem Gerät eröffnet zusätzliche
Möglichkeiten bei der Analyse von Bruchoberflächen. So erlaubt der Einsatz des FIB nicht nur
die Abbildung von Probenoberflächen anhand
unterschiedlicher Kontrastmechanismen sondern bietet zusätzlich die Möglichkeit Oberflächen zu bearbeiten, wodurch z.B. oberflächennahe Querschnitte für weitere Analyseschritte
freigelegt werden können.
Mikrozugprüfung
Mit der Mikrozugprüfanlage am IMF II können
mechanische Kennwerte wie E-Modul, Festigkeit
und Bruchdehnung last- und dehnungskontrolliert ermittelt werden [2]. Zusätzlich kann mit
einem Videosystem während des Versuchs die
Verformung der Mikroprobe zeitgleich aufgenommen werden. Dadurch war es möglich auch
komplexe Prüfkörpergeometrien zu studieren,
wie z.B. Viersteg-LCF-Mikroproben. Hier konnte
mit Hilfe des Videosystems der Bruchzeitpunkt
eines jeden Steges exakt zugeordnet werden
und so der effektive Spannungs-DehnungsVerlauf rekonstruiert werden (s. Abb. 3).
Literatur
[1] Ilzhöfer, A., „Eine Zugprüfvorrichtung zur
Untersuchung mikrostrukturierter Proben“,
Dissertation, Universität Karlsruhe, 1998
Abb. 4: FIB-Aufnahme der Oberfläche einer
duktil verformten LIGA-Gold-Zugprobe. Die
Kombination des Kontrasts zwischen einzelnen
Körnern (Channeling) und des Topographiekontrasts der Oberflächen erlaubt die Bestimmung
von Bruch- und Verformungsmechanismen.
[2] Schneider, H.; Huber, K.; Aktaa, J., „Investigation if microshaped samples of metallic
materials and carbon fibers“, Proc. MicroMat
2000, Berlin/Dresden, 2000, 740

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