Entwicklung eines In-Line Prüfgerätes zur Bewertung der Festigkeit von Wafern

 

Design of an in-line testing device for strength testing of silicon wafers

 

Alexander Bohne

30.07.2007

 

Inhaltsverzeichnis

1. Übersicht

2. Einführung

3. Zum Stand Der Technik - State of the Art

4. Zur Theorie

5. Ergebnisse

6. Zusammenfassung

7. Ausblick

8. Quellen

9. Originalarbeit

10. Über den Autor

11. Impressum

 

Übersicht

Problemstellung

In der stetig wachsenden Solarindustrie werden Qualitätsanforderungen in der Festigkeit des Ausgangsmaterials der Siliziumwafer immer größer. Getrieben von der anhaltenden Siliziumknappheit werden die Substrate immer dünner und es kommt in der Prozessierung zu großen Verformungen und Waferbruch. Bisher existieren keine eindeutigen Verfahren zur Messung der Festigkeit und Festlegung erforderlicher Grenzwerte, die für die Prüfung in der Fertigung (In-Line) geeignet sind.

Zielstellung

In dieser Masterarbeit soll eine Prüfapparatur entwickelt werden, welche die Siliziumwafer im laufenden Prozess über die gesamte Waferoberfläche auf Festigkeit hin überprüfen und sortieren kann. Dazu müssen Prüfmethoden der ganzheitlichen Belastung der Wafer entwickelt werden. Dabei muss das Konzept dem Prozessumfeld in der Solarindustrie angepasst werden und leicht integrierbar sein. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass eine zuverlässige und kontinuierliche Festigkeitsmessung möglich ist. Um das gewählte Prinzip zu evaluieren, sind parallel Festigkeitsmessungen durchzuführen. Weiterhin soll ein Finite-Elemente- Modell genutzt werden, um Spannungsverteilungen im Wafer zu bewerten. Mithilfe probabilistischer Methoden werden die Festigkeitsmessungen ausgewertet und verglichen.

 


 

Within the past few years the photovoltaic industry has grown enormously, since the reserves of oil, coal and gas are declining. In 2005, the world production of solar cell modules increased by 34 percent up to 1460 MW compared to the year before. A further increase of 25 % a year is estimated until 2010. Due to the high demand of the rapidly growing solar industry the quality of silicon wafers has to be improved. The lack of available solar grade silicon leads to a decrease in wafer thickness resulting in larger wafer deformation and fracture during manufacturing. The behaviour and mechanism of strength and breakage have to be understood in order to minimize the fracture rate and to optimize the process steps. To this day there have been no clear definitions of standards to measure the strength of thin silicon wafers. The manufacturing process of solar cells must be sensitive enough to process wafer with a low amount of breakage even at high manufacturing velocities. Even though there are high efforts made by the photovoltaic industry, the rate of wafer failure during processing is still significant.

There are two silicon wafer structures that are mainly applied nowadays. Single-crystal silicon and multi crystal silicon have the best cost-performance ratio and are therefore dominating the market by 90 percent. Some new technologies known as sheet growing methods are being developed and will become more important within the next few years.

Single crystalline as well as multi crystalline silicon wafers are manufactured by a sawing process. There, ingots are cut into disc with a thickness of around 200 µm. Less than 100 µm are already possible but have not been applied for mass production yet. By performing the sawing process a defect at the surface emerges that is known as saw damage. Small grooves are produced by a wire, which lowers the strength of the material significantly. They are reduced by etching techniques but still occur while processing the wafers. After the ingots are sawn to wafers they are ready to enter the production line of the solar cell manufacturer, where they will be processed to solar modules. At this link between wafer and solar cell manufacturer, the in-line test device is to be implemented, to eliminate all week samples with critical defects, since they are predicted to fail during processing.

At the present time, there is still a high loss of gains due to wafer failure. The reasons are based upon the material properties of silicon. The wide scattering of strength values as well as the brittle behaviour are the dominating aspects which make failure prediction difficult to accomplish. Another issue can be attributed, as already mentioned, to the lack of availability of the raw material silicon, which leads to an application of thinner wafer structures. This reduces the material per wafer, but increases the risk of failure during processing.

The main focus in this thesis was therefore to develop a method to evaluate the strength of silicon wafers throughout the whole material structure. The chosen method has to generate a homogenous stress field to detect all critical flaws that could cause cracking of the cell during processing. Statistical methods were applied to evaluate the data gained from the experiments.

Another part of this work focused on the development of an in-line testing device based on the results of the examined method beforehand. Some basic issues are addressed that acted as a guide through this work:

  • In order to develop a method, research on already existing strength measurement methods had to be carried out.
  • The examination of these methods led to a test process that best fits the requirement given by the material properties as well as the production process.
  • Finally a design concept was developed as the basis for the in-line testing device

In order to evaluate fracture strength of silicon wafers as well as to evaluate the proof-test procedure, flexural strength measurement methods were compared and evaluated. The four point bend test was determined to generate the most homogeneous stress field over the largest wafer area including the edges of the wafer. Thus a four point bending test rig has been designed to carry out test series on silicon wafers.

Before starting the experiments, some considerations were investigated regarding errors associated with flexural bending tests. The thickness of the wafers could be determined as a major issue for deviation of flexural strength data. Since the deviation is beyond reasonable limits, weighings of each wafer have to be performed prior to testing, in order to obtain reliable results.

By comparison the results of numerical models as well as analytical processing of experimental data, the error of calculating flexural stress as well as misalignment errors could be estimated and evaluated. These errors should be taken into account by performing flexural strength as well as proof-testing.

The evaluation of the experiments indicated a significant influence of wafers handling during testing. Furthermore, a significant difference of fracture strength depending on the saw damage alignment with respect to the test set up could be observed. The strength of the wafer changes with respect to the initial position of the wafer at the test series for monocrystalline wafers. Proof-testing without intermediate handling steps indicated that all critical wafers with fracture strengths beyond the proof-test stress could be eliminated from the test series. No damage could be observed. This leads to the conclusion that proof-testing is applicable to remove reliable defect afflicted wafers prior to solar cell processing.

Future work should focus on the impact of proof-testing regarding crack propagation and damaging of silicon structures, since it could not be reliably excluded in this work. Thus more test series’ should be performed where the proof-test is carried out by more intermediate steps to see whether a change in characteristic strength emerges. The goal should, however, be the construction of the in-line testing device.

 

 

Einführung

Während die Reserven an Öl, Gas und Kohle immer mehr zur Neige gehen, erfreuen sich regenerative Energiegewinnungsverfahren immer größerer Beliebtheit. Besonders die Photovoltaik entwickelt sich weltweit zu einer besonders attraktiven Alternative. So kam es z. B. im Jahr 2005 zu einem weltweiten Produktionsanstieg an Solarmodulen um 34 % auf 1460 MW gegenüber dem Vorjahr, bis 2010 wird ein weiteres jährliches Wachstum von 25 % vorhergesagt. Dabei dominiert momentan die Produktion von mono- und multikristallinen Wafern aufgrund des besten Preis-Leistungsverhältnisses den Markt. Ihr Anteil liegt bei ca. 90 %. Eine weitere kostengünstige Alternative stellt die Dünnschichtzellen-Technologie dar, wobei hier aber geringere Wirkungsgrade erzielt werden. Immer mehr an Bedeutung werden die Bandziehverfahren gewinnen, da ihr großes Potenzial ebenfalls in der hohen Materialausbeute liegt.

Für die ökonomische Herstellung von Solarzellen im industriellen Maßstab müssen diese kostengünstig, mit hohem Anlagendurchsatz und vor allem geringer Bruchquote produziert werden können. Gerade bei aktuellen Taktzeiten von 1,4 Sekunden pro Siliziumwafer, ist dies zurzeit noch relativ schwierig umzusetzen. Trotz enormer Anstrengungen seitens der Solarzellenhersteller sind die Ausfallquoten bei der Waferprozessierung immer noch signifikant. Bei einem aktuellen Siliziumpreis von 40-50 USD/kg kann dies enorme Verluste für ein Solarzellen produzierendes Unternehmen bedeuten.

Dies liegt zum einen an den Eigenschaften des Ausgangsmaterials Silizium selbst. Silizium ist ein sprödes Material, dessen Festigkeitseigenschaften stark streuen. Es zeigt bei Raumtemperatur kein Ermüdungsverhalten wie andere Materialien, sondern versagt plötzlich. Eine Bruchvorhersage allein anhand von Materialparametern ist daher nur unzureichend möglich. Zum anderen zwingt die bestehende Knappheit des Rohmateriales Silizium die Photovoltaikindustrie, immer dünnere Waferstrukturen zu verwenden. Dünnere Wafer sind umso bruchanfälliger, wodurch die Problematik der hohen Ausfallrate verstärkt wird. Ein weiterer wesentlicher Punkt sind hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Beim Handling und Prozessieren werden die Zellen Beschleunigungs- und Stoßkräften ausgesetzt, die die Bruchfestigkeit der Wafer übersteigen können. Ziel dieser Arbeit ist es daher zum einen, eine Festigkeitsprüfmethode zu entwickeln, mit der Wafer ganzheitlich auf ihre Bruchfestigkeit getestet werden können. Durch Verbindung von bruchmechanischen und statistischen Betrachtungen soll es möglich sein, Wafer mit kritischen Defektstrukturen herauszufiltern. Im zweiten Teil steht die Umsetzung der Methode in einer In-Line fähigen Prüfapparatur. Angepasst an das Prozessumfeld der Solarindustrie soll die Prüfapparatur in der Lage sein, Wafer, die den Belastungen der Prozesskette der Solarzellenherstellung aufgrund ihrer geringen Festigkeiten nicht standhalten, herauszufiltern.

 

Zum Stand Der Technik - State of the art

Die Problematik des Eingangstests in der Solarzellenproduktion ist erst seit wenigen Jahren durch die rasante Zunahme der Produktionsraten und die steigende Knappheit an Silizium in den Blickpunkt von Untersuchungen und daraus entstandenen Lösungskonzepten gekommen. Prinzipiell wird zwei verschiedenen Untersuchungsmethoden nachgegangen: mechanischen und optischen.
Optische Verfahren beruhen auf der Grundlage, Risse im Materialgefüge, aufgrund von thermischen, auf Ultraschall basierenden oder rein optischen Prinzipien zu detektieren.

Die Firma Thermosensorik GmbH bietet ein Risserkennungsverfahren an, das Mikrorisse im Material aufgrund der gestörten lateralen Wärmeleitung an der Rissstelle erkennt. Dabei wird durch eine Impulslichtquelle ein Wärmemuster auf dem Prüfkörper erzeugt. Das sich dabei bildende Wärmemuster wird mit einer Infrarotkamera gemessen und kann anschließend entsprechend ausgewertet werden. Prinzipiell konnte die Wirkungsweise durch Versuchsreihen an der Universität Konstanz bestätigt werden. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass sie nicht bei sogenannten „as cut“ (Zustand der Wafer nach dem Sägen) Wafern eingesetzt werden kann. In diesem Zustand ist die Absorption des infraroten Lichtes noch zu gering, um auswertbare Daten zu erhalten. Erst nach Aufbringen des Aluminiumrückkontaktes ist genügen Lichteinkopplung und damit Wärmeweiterleitung möglich. Interessant ist dieses Verfahren daher besonders für Qualitätskontrollen am Ende der Prozesskette, um Aussagen über die mechanische Stabilität von Modulen treffen zu können. Eine weitere Methode, um Wafer auf Defekte zu untersuchen, ist die am Max-Planck Institut in Halle entwickelte Lock-in Thermographie. Dabei werden Siliziumwafer durch eingekoppelte Ultraschallwellen zum Schwingen angeregt. Sind Risse vorhanden, erwärmen sich diese durch lokale Reibung an den Rissflächen. Mittels einer Thermographiekamera lassen sich diese Wärmeherde detektieren und auswerten. Die hohe Empfindlichkeit wird dabei durch die Anwendung des Lock-in Verfahrens erreicht. Dabei gibt eine Ultraschallquelle gepulste Signale im Bereich von 1-10 Hz ab. Die so entstandenen Wärmebilder müssen anschließend mittels Lock-in Thermographie ausgewertet werden. Bei Untersuchungen an der Universität Konztanz wurde eine 80-90 %-ige Erkennungsrate festgestellt. Jedoch benötigte man eine Messzeit von mehreren Minuten, um die Defekte zu identifizieren.

Um Siliziumwafer mechanisch auf ihre Qualität beurteilen zu können, wird derzeit ein Verfahren angeboten, das auf der Basis der Twist-Test Methode beruht. Basierend auf Untersuchungen an der Universität Konstanz wurde die Umsetzbarkeit an Produktionslinien der Firma QCells in Thalheim getestet. Es hat sich gezeigt, das 31 von 1200 Wafern während der In-Line Tests brachen. Unklar hierbei ist jedoch, wie eindeutig sichergestellt wird, dass auch die mit einem kritischen Defekt behaftete Stelle, das sogenannte „Weakest-Link“, mit der vorgegebenen Spannung belastet wird, bzw. dass diese im Spannungsfeld liegt. Prinzipiell muss man dabei davon ausgehen, dass sich der kritische Defekt an den belasteten Zonen an den Eckenpunkten in Auflagernähe befindet. Daher scheint diese Methodik als zuverlässiger Eingangstest schwer umsetzbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Patentrecherche in den Datenbanken des Deutschen Patent- und Markenamtes (DPMA), des Europäischen Patentamts sowie des United States Patent and Trademark Office durchgeführt. Dabei wurden Patentanmeldungen gefunden, die sich auf In-Line Tests für Siliziumwafer beziehen. Dabei handelte es sich um optische Verfahren. Für In-Line Tests, die auf der Grundlage von mechanischen Verfahren beruhen, konnte keine Patentanmeldung in den Datenbanken gefunden werden.

 

Zur Theorie

Zur Bestimmung von Materialparametern dienen mechanische Experimente. Dabei beschreiben Bruchspannungen die Festigkeiten von Bauteilen. Für die Ermittlung der Festigkeiten für plattenähnliche Proben, zu denen auch Siliziumwafer gehören, werden in der Literatur diverse Prüfmethoden beschrieben, die hier nachfolgend kurz aufgeführt werden sollen: Drei- und Vier-Punkt Biegung: charakterisiert durch einen uniaxialen Spannungszustand. Doppel-Ring Versuch, Kugel-Ring Versuch und Piston-on-3-balls test: charakterisiert durch einen biaxialen Spannungszustand. Twist Test: charakterisiert durch einen multiaxialen Spannungszustand.

Zur statistischen Auswertung der Festigkeiten von spröden Materialien wird die Weibull-Verteilung herangezogen. Diese basiert auf dem sogenannten „Weakest-Link“ Modell und wird dabei über die Weibull-Parameter m und Sigma-theta beschrieben. Das Weibullmodul m lässt dabei eine Aussage über die Streuung der ermittelten Festigkeiten zu. Die charakteristische Bruchspannung ist die Spannung, bei der 63,5% aller Proben versagen.

Um letztendlich kritische Wafer aus der Prozesskette der Solarzellenherstellung herausfiltern zu können, dient die Proof-Test Methodik. Dabei werden alle Wafer, die in die Prozesskette einfließen, sollen zuvor mit einer Proof-Spannung beaufschlagt, die höher ist, als die maximal auftretende Belastung während der Produktion. Wafer mit geringeren Festigkeiten werden somit versagen. Geht man davon auf, dass die Belastung während der Herstellung die Proof-Spannung nicht übersteigt und dass keine Schädigung der Wafer durch das Verfahren entsteht, wird es zu keinem weiteren Versagen während der Herstellung kommen.




Abbildung 1 (links:Vier-Punkt Biegung; mitte: Doppel-Ring Versuch; rechts: Twist Test)

Ergebnisse

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung eines In-Line fähigen Prüfgeräts, um Siliziumwafer, wie sie in der Solarzellenindustrie verwendet werden, auf ihre Festigkeit untersuchen zu können.

Dazu waren Festigkeitsuntersuchungen von Siliziumwafern notwendig. Hier hat sich die Vier-Punkt Biegung als geeignetes Verfahren herausgestellt, da sie der Forderung nach der Erzeugung eines möglichst homogenen Spannungsfeldes am nächsten kam. Im Vergleich zu anderen mechanischen Prüfverfahren kann hier eine gesicherte Aussage über die Bruchfestigkeit im Bereich der reinen Biegung, einschließlich der in diesem Bereich liegenden Außenkanten, vorgenommen werden.

Die Grundlage dieser Untersuchung bildete dabei die im Rahmen dieser Arbeit konstruierte Vier-Punkt Biegevorrichtung, mit der die Bruchfestigkeitsuntersuchungen sowie das Proof-Testing durchgeführt wurden. Bevor man diese Untersuchungen jedoch durchführen konnte, musste die Problematik von messwertverfälschenden Einflussfaktoren geklärt werden. Hier konnte die Varianz der aufgrund des Herstellungsprozesses streuenden Waferdicken als eine Haupteinflussquelle für Abweichungen in den ermittelten Spannungen identifiziert werden. Um diesen Fehler minimieren zu können, ergibt sich die Forderung der Dickenbestimmung jedes einzelnen Wafers, um die tatsächlich erzeugte Spannung der entsprechend gemessenen Kraft zuordnen zu können. Dazu wird die Wägung der Wafer empfohlen, da diese über die bekannten Waferdimensionen und Dichte eine schnelle Bestimmung der gemittelten Dicken ermöglicht. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass Sägeschäden bruchfestigkeitsbeeinflussend wirken. Da diese eine richtungsabhängige Festigkeitsminderung erzeugen, ist hier die Ausrichtung der Wafer während der Tests von wesentlicher Bedeutung. Hier konnten signifikante Bruchfestigkeitsunterschiede festgestellt werden.

Anhand von numerischen Untersuchungen wurde eine fehlerhafte Auflager- und Waferausrichtung als mögliche Fehlerquelle ermittelt. Schon bei kleinen Ausrichtungsfehlern konnten hier Spannungsabweichungen berechnet werden, die der realen Bruchfestigkeits-werte deutlich übersteigen.

Durch den Vergleich zwischen experimentell ermittelten Daten, analytischen und numerischen Berechnungen konnte eine höhere Genauigkeit der numerischen Modelle gegenüber den analytischen Berechnungen nachgewiesen werden. Der Fehler ist zwar als gering einzuschätzen, will man diesen jedoch minimieren, sollten hier Spannungs-auswertungen mit numerischen Modellen erfolgen.

Die Ermittlung der Bruchfestigkeiten für mono- sowie multikristalline Wafer auf der Basis der Weibull-Theorie, bildete die Grundlage der durchzuführenden Proof-Tests. Damit war es möglich, repräsentative Spannungen festzulegen, die mit entsprechenden Versagenswahrscheinlichkeiten korrelierten. In dieser Arbeit wurde eine Versagenswahrscheinlichkeit von 50 % gewählt. Es wurde festgestellt, dass die Handhabung einen entscheidenden Einfluss auf das Festigkeitsverhalten von Siliziumwafern hat. Dies wurde bei der ersten Proof-Test Messreihe deutlich, da hierbei die Wafer zwischen dem Proof-Test und der anschließenden Bruchkraftermittlung in Transportboxen zwischengelagert wurden. Einige Wafer zeigten anschließend Schädigungen, die in Form von geringeren Bruchspannungen als die zuvor angewandte Proof-Test Spannung, nachgewiesen werden konnten. Ohne den Zwischenhandhabungsschritt konnten bei den nachfolgenden Proof-Test Messreihen keine Bruchkräfte unterhalb der Proof-Test Spannung ermittelt werden. Dies deutet darauf hin, das Proof-Testing die Wafer nicht schädigt. Alle kritischen Wafer konnten herausgefiltert werden, was für eine Umsetzung als In-Line Eingangstest spricht. Allerdings wurde eine signifikante Abweichung der Ausfallwahrscheinlichkeit bei den zwei Messreihen festgestellt, die auf eine abweichende Experimentieranordnung zurückzuführen sein könnte.

Zusammenfassung

Als Ergebnis dieser Arbeit hat sich die Vier-Punkt Biegung als das Verfahren herausgestellt, welches das größte Potential zur Umsetzung der Proof-Test Methodik (In-Line fähig) bietet. Die Proof-Test Methodik ist prinzipell an mono- sowie multikristallinen Wafern durchführbar, auch wenn der Einfluss auf die Siliziumstruktur nicht gänzlich beschrieben werden konnte. Dies soll das Ziel weiterer Arbeiten sein. Ein Konzept für das In-Line Prüfgerät wurde entwickelt, kann aber aus patentrechtlichen Gründen hier nicht vorgestellt werden.

Ausblick

Perspektivisch sollte die Proof-Test Methodik weiterführend analysiert werden, da in dieser Arbeit der Einfluss der mechanischen Belastung auf das Festigkeitsverhalten nicht gänzlich geklärt werden konnte. Hier könnte man gestaffelte Proof-Test Messreihen durchführen, indem man mit beginnend kleinen Spannungen testet und sich langsam dem eigentlichen repräsentativen Wert nähert. Dadurch wäre eine noch aussagefähigere Betrachtung des Einfluss der Proof-Test Methodik auf das Materialverhalten möglich. In zukünftigen Arbeiten sollte jedoch die konstruktive Umsetzung des In-Line fähigen Konzepts stehen.


Quellen

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[ASTM-06] ASTM C 1161-02c: Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature
DE 699 29 688 T2, 2006

[Berg-05] W. Bergmann, Werkstofftechnik 1, 5. Auflage, Carl Hanser Verlag, 2005

 

[Bütt-91] S. Büttgenbach, Mikromechanik-Einführung in Technologie und Anwendungen, Stuttgart, B.G. Teubner Stuttgart, 1991

 

[Chen-85] C.P. Chen, M.H. Leipold, Stress Rate and Proof Testing of Silicon Wafers, J. Am. Ceram. Soc., 1985, 68 [2] C-54 – C-55

 

[Chen-88] C. P. Chen, Analytical Determination of Critical Crack Size I n Solar Cells, California Institute of Technology, 1988

 

[Cook-88] R. F.Cook, Strength and sharp contact fracture of silicon, Journal of Materials Science, 2006, 41, 841-872

 

[Dank-95] H. Dankert, J. Dankert, Technische Mechanik, 2. Auflage, B.G. Teubner Stuttgart, 1995

 

[Dubb-97] Dubbel-Taschenbuch für den Maschinenbau, 19. Auflage, Springer Verlag, 1997

 

[Gros-01] D. Gross, T. Seelig, Bruchmechanik, 3. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 2001

 

[Hahn-92] H.G. Hahn, Technische Mechanik fester Körper, 2. Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien, 1992

 

[Moll-05] H.J. Moller, C. Funke, M. Rinio, S. Scholz, Multicrystalline silicon for solar cells, 2005, Thin Solid Films, 487, 179-187

 

[QCel-06] QCells-Produktdatenblatt, Q6L TT, www. qcells.de.html, 18.06.07, 2005

 

[Schö-06] S. Schönfelder, Überblick zu Methoden der Festigkeitsmessung von Wafern, Report, Fraunhofer IWM, 2006

 

[Ther-07] Thermosensorik GmbH, CrackTec-Risserkennungs-System, Produktbeschreibung, http://www.thermosensorik.de, 10.06.02

 

Originalarbeit

Download der Originalarbeit.

 

Über den autor

Über den Autor


 

Alexander Bohne, geboren am 09.02.1975 in Altenburg.

 

  • Polytechnische Oberschule (1981-1991)
  • Studium bis zum Vordiplom (2001-2003):  HTWK - Leipzig
  • Bachelorstudiengang (2003-2004):  University of Paisley
  • Joint-Degree Masterstudiengang (2004-2007):  HTWK - Leipzig / University of Paisley
  • seit 2007-wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik in Halle

 

Impressum

Autor

Alexander Bohne
Am Stadtwald 8
D-04600 Altenburg
alexbohne(at)gmx.net
Betreuer (HTWK)

Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn
Technische Mechanik / Rechneranwendung
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
kloehn(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer (HTWK)

Prof. Dr.-Ing. habil. Silvio Simon
Konstruktionsgrundlagen / CAD
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
simon(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer (Paisley)

Jim Thompson BSc (Hons), PhD, Lecturer in Mechanical Engineering
Devision of Design & Engineering
University of Paisley
Highstreet
Paisley, PA1 2BE
UK, Scotland
jim.thompson(at)paisley.ac.uk
Betreuer ( Betrieb )

Dr.-Ing. Jörg Bagdahn
Leiter: Komponenten der Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Photovoltaik
Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik
Walther-Hülse-Str.1
D 06120 Halle
joerg.bagdahn(at)iwmh.fraunhofer.de

State of the Art - Zum Stand der Technik

Charakterisierung von Hybridstrukturen

Ein Hybrid besteht aus mindestens zwei oder mehreren Komponenten, die durch den gleichzeitigen Einsatz in einem Systemverbund ein neues Eigenschaftsprofil besitzen. Je unterschiedlicher die Werkstoffkategorien ursprünglich sind, desto größer ist das erzielbare Verbesserungspotenzial, wenn dabei jeweils die Vorteile der einen Komponente die Nachteile der anderen ausgleichen können. Ein solches unterschiedliches Portfolio an Eigenschaften zeigen Kunststoffe und Metalle. Zum Beispiel weisen Metalle hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, hingegen sind Kunststoffe mit hohen Bruchdehnungen gutmütiger für Verformungen. Die Automobilindustrie erkannte das Potential der Werkstoffkombination. Audi führte mit dem Frontend des Audi A6 1998 das erste Großserien-Hybridbauteil ein. Damit konnten Gewichtseinsparungen von 15 % erreicht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Herstellungskosten um 10 % [3].

Das Ziel der Hybridkonstruktion liegt darin, eine kosten- und ressourcensparende Lösung zu entwickeln, die Vorteile kombiniert und Nachteile kompensiert. In Tabelle 2.1 sind die Eigenschaften der beiden Verbundpartner dargestellt.

 

Tab. 2.1: Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen [4,5]