Zuverlässigkeitsuntersuchungen mit Hilfe der FEM
Numerische Zuverlässigkeitsuntersuchungen an Siliziumstrukturen


Reliability Test by using FEM
Numerical Reliability Test with Silicon Structures

 

Sascha Dietrich

25.09.2007

 

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 Masterarbeit sollen Zuverlässigkeitsuntersuchungen an Siliziumstrukturen durchgeführt werden. Silizium ist das am meisten verwendete Material für mikro- elektromechanische Systeme (MEMS) in der Oberflächenmikromechanik der Gegenwart und in der Zukunft. Es sollen für komplexe Bauteile die Festigkeit und die Zuverlässigkeit basierend auf der Weibull- Theorie und der Größeneffekt-Theorie für spröde Werkstoffe vorhergesagt werden. Grundlage hierfür sind Versuche an einfachen Teststrukturen wie Zugversuche und Biegeversuche. Ausgehend davon werden die Festigkeiten und Versagenswahrscheinlichkeiten für Mikrostrukturen in der Entwurfsphase unter definierten Lastbedingungen vorausgesagt bzw. für die Auswertung der Experimente an komplexeren Strukturen eingesetzt. Dieser Zuverlässigkeitsentwurf ist neuartig in der Mikrosystemtechnik und wird von der Industrie zunehmend nachgefragt. In der Arbeit geht es darum, basierend auf bereits vorliegenden Messresultaten, aber auch mit theoretischen Annahmen Zuverlässigkeitsuntersuchungen mit verschiedenen Methoden durchzuführen und die Ergebnisse zu bewerten. Grundlage dafür ist das Programm Cares/ Life, eine Entwicklung der NASA.
Daraus ergeben sich die folgenden Teilaufgaben:

  • Studium der Literatur zu Zuverlässigkeitsuntersuchungen an spröden Werkstoffen und im Speziellen an MEMS
  • Entwicklung von Finite- Elemente- Modellen verschiedener Teststrukturen, Sensitivitätsstudie zu den Auswirkungen der Qualität des Modells auf Zuverlässigkeitssaussagen
  • Berechnung und Auswertung von Beispielen zu Zuverlässigkeitsuntersuchungen an MEMS basierend auf experimentellen und künstlichen Daten (Nutzung der Programmsysteme ANSYS und Cares/ Life)
  • Verwendung verschiedener Methoden der zeitabhängigen und zeitunabhängigen Berechnung von Zuverlässigkeiten

 

Zielstellung

Um Zuverlässigkeitsuntersuchungen Siliziumstrukturen vornehmen zu können, sollen zunächst Grundlagenversuche durchgeführt werden. Anhand er gewonnenen Daten wird die Durchführbarkeit der Vorhersage von Werkstofffestigkeiten mit Hilfe der Probabilistik untersucht. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse sollen Ansätze erarbeitet werden, wie die probabilistische Methode der Bestimmung von Zuverlässigkeiten praktisch angewendet werden kann.

 


 

Problem

This master thesis will deal with numerical tests on Silicon structures. Silicon is currently and will be in the future the most widely used materialfor micro-electro-mechanical-systems (MEMS) i n surfacemicro technology. On the basis of WeibullTheory and Size Effect for brittle materials strength and reliability of complex micro structures shall be predicted. This approach is based on tests with simple test structures like tensile and bending tests. Based on these tests strength and probability of failure can be predicted for microstructures subjected to defined Load constraints. Furthermore, results from those tests can be used for the evaluation of experimental results of more complex structures. This concept is novel in micro technology and is more and more requested from the industry. Based on experimental data and theoretical assumptions this thesis will investigate and assess several approaches for reliability analysis. For those investigations the CARES/Life Software will be widely used, which is developed by the NASA.
This yields to the following three subtasks:

  • Studying the literature about reliability analysis with brittle materials and especially with MEMS
  • Developing finite element models of several test structures, conducting sensitivity studies to assess the effect o f the quality o f the model on the reliability conclusions.
  • Solving and evaluating of examples of reliability tests with MEMS based on experimentaland theoretical data (using Ansys and CARES/Life)
  • Using several methods for time-dependent and time-independent calculation of probabilities of failure.

Goal

By means of basic test on simple silicon structures shall be investigated the Size Effect as well as Weibull Statistics. It shall be investigated the sensitvity of various parameters, which haven an influence on the accuracy of material strength pedictions using the Weibull approach. As a result will be assessed whether those predictions are feasible for brittle materials like silicon. On the basis of these evaluations shall be developed possible strategies, which show applications of the Weibull approach.

 

Einführung

Mikro-Elektro-Mechanische-Strukturen (MEMS) und Mikrochips werden in immer mehr Industrien und Anwendungen eingesetzt, um Tätigkeiten wie Sensierung oder Datenspeicherung zu übernehmen. Der Vorteil, welcher sich durch die Miniaturisierung ergibt ist eine Gewichts- und Energieeinsparung. Bisher war es im Entwicklungsprozess das Ziel die Anforderungen bezüglich der Funktion von MEMS zu erfüllen. Dabei hat man vergleichsweise hohe Ausschussraten in Kauf genommen. Da man die Miniaturisierung inzwischen sehr gut im Griff hat, ist man nun danach geneigt, die Zuverlässigkeit der Bauteile zu verbessern. Dadurch ergeben sich vielfältige Anforderungen an Festigkeit, Lebensdauer, Wärmebeständigkeit, etc. Diese Anforderungen gilt es nun im Entwicklungsprozess und insbesondere bei der Optimierung von MEMS und Mikrochips einfließen zu lassen. Das Material Silizium ist bei der Herstellung von solchen Mikrostrukturen das am meisten verwendete Material. Die Problematik hinsichtlich der Strukturoptimierung, die durch die Verwendung von Silizium entsteht, ist das Festigkeitsverhalten. Silizium besitzt ein sprödes Versagensverhalten, welches bei Raumtemperatur keine Ermüdungserscheinungen zeigt. Eine plastische Verformung tritt nicht. Stattdessen versagt das Material sehr plötzlich. Zusätzlich können durch den Bearbeitungsprozess die Festigkeitswerte in einem sehr breiten Band streuen. Aufgrund dieser schwer zu erfassenden Eigenschaften ist eine deterministische Einschätzung der möglichen Belastung nicht sinnvoll und würde zu unzuverlässigen Aussagen führen. An dieser Stelle soll der Inhalt dieser Arbeit anknüpfen. Es soll ein probabilistischer Ansatz vorgestellt und untersucht werden, um Zuverlässigkeitsaussagen für Strukturen bei stark streuenden Festigkeiten machen zu können. Dazu wird insbesondere der statistische Ansatz von Waloddi Weibull (1887 - 1979) Anwendung finden. Zusammen mit diesem Ansatz wird der Größeneffekt Anwendung finden, welcher bei Siliziumstrukturen besonders ausgeprägt ist. Dieser besagt, dass mit größer werdendem belastetem Volumen eine Verringerung der Festigkeit auftritt.


Abb.1
Abbildung 1 (http://www.cs.ualberta.ca)


Zunächst werden einfache Dreipunkt- und Vierpunktbiegeversuche an Siliziumstrukturen durchgeführt. Anhand dieser Versuche sollen probabilistischen Materialparameter ermittelt und der Größeneffekt untersucht werden. Diese Versuche werden in Form von FE-Modellen abgebildet, um die Spannungen, und speziell deren Verteilung, in der Struktur zu ermitteln. Anhand der Ergebnisse der Versuche werden anschließend Sensitivitätsstudien bezüglich der Vorhersagegenauigkeit der Bruchwahrscheinlichkeit von Siliziumstrukturen durchgeführt. Dadurch soll eingeschätzt werden, welche Größen die Vorhersagegenauigkeit maßgeblich beeinflussen können. Anschließend wird die Anwendbarkeit von Zuverlässigkeitsaussagen überprüft werden. Dazu sollen die Ergebnisse der Dreipunktbiegeversuche verwendet werden, um Zuverlässigkeitsvorhersagen über die Vierpunktbiegung zu treffen. Diese Vorhersagen werden anschließend mit den Ergebnissen der realen Versuche zur Vierpunktbiegung überprüft. Als Ergebnis der Untersuchungen wird der probabilistische Ansatz im Produktoptimierungsprozess vorgestellt werden. Im anschließenden Kapitel werden mögliche Anwendungen dieses Ansatzes in Form eines Beispiels zur Zuverlässigkeitsoptimierung eines Chip-Labels vorgestellt werden. In Form von drei Fallbeispielen werden dabei unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten durchgespielt. Abschließend wird anhand eines Beispiels eines Masseschwingers der Einfluss des Größeneffektes, aufgrund herstellungsbedingter Variationen der Bauteilgeometrie, auf die Vorhersagegenauigkeit untersucht werden. Unter zu Hilfenahme von Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie werden die Geometrieabweichungen festgestellt und das FE-Modell angepasst. Durch dynamische Versuche zur Ermittlung der Eigenwerte soll das Berechnungsmodell auf Validität untersucht werden. Dieser Ansatz der FE-Modell-Optimierung ist in der Mikrosystemtechnik neuartig und soll zeigen, dass eine möglichst genaue Abbildung der realen Geometrie im FE-Modell wichtig sein kann, um gute Zuverlässigkeitsaussagen zu erhalten. Zusätzlich soll an diesem Beispiel gezeigt werden, wie man Messungenauigkeiten hinsichtlich der Bestimmung der Materialparameter bewerten kann.

 

Zum Stand Der Technik - State of the art

Festigkeitsuntersuchungen für Bauteile auf Mikroebene verlangen ein zum Teil etwas anderes Herangehen als man es von der Makroebene kennt. Dazu zählt z.B. der Versuchsaufbau, bei welchem die Handhabung kleiner Bauteile sich schwierig gestalten kann. Wie [SHAR-05] in seiner Arbeit über Mikroproben aus Siliziumkarbid darlegt, liegt die Schwierigkeit bei Zugversuchen darin Spannungsspitzen an den Aufnahmen zu vermeiden. Loch - Bolzen Aufbauten erweisen sich aufgrund der Positionierbarkeit als ungünstig. Vielmehr wurde ein keilförmiger Formschluss umgesetzt. Wie sich jedoch herausstellte, kam es dennoch bei bestimmen Probengeometrien zu Spannungsspitzen, sodass eine zuverlässige Bestimmung der Versagenseigenschaften nicht möglich war. Ziel dieser Arbeit war es zusätzlich zu zeigen, wie zuverlässig die Versagensvorhersage unter Verwendung des Größeneffektes mit der Software CARES/Life funktionierte. Dabei ergab sich, dass für Probengeometrien, bei welchen es zu Spannungsspitzen an den Aufnahmen kam, eine zuverlässige Versagensvorhersage nicht möglich war. Dennoch konnte ein Größeneffekt bei den untersuchten Proben nachgewiesen werden, da die Festigkeit der Proben bei kleiner werdendem Volumen und gleichem Lastfall sich erhöhte.

In der Arbeit von [BORO-06] wurden Festigkeitsuntersuchungen mit Teststrukturen aus Polysilizium sowohl mit Dreipunktbiegeversuchen als auch mit Zugversuchen durchgeführt. Darin wurde untersucht, wie sich eine Änderung der Geometrie und des Lastfalls auf die Festigkeitswerte auswirken. Die Änderung der Festigkeitswerte sollte mit Hilfe des Größeneffektes vorhergesagt werden. Zusätzlich sollte die Genauigkeit der Vorhersagen festgestellt werden. Der Vergleich der Vorhersagegenauigkeit führte zu unterschiedlichen Werten bezogen auf Volumenfehler und Oberflächenfehler. Da sich für unterschiedliche Proben unterschiedliche Werte für die Streuung m ergaben, konnte außerdem eine Abhängigkeit der Vorhersagegenauigkeit von der Art der der Fehler festgestellt werden.

In der Arbeit von [JADA-07] wurden die Festigkeitseigenschaften für Membranen unter statischem Druck untersucht. Dies wurde unter dem Gesichtspunkt der Bestimmung der Weibullparameter durchgeführt, um anschließend unterschiedliche Herstellungsprozesse nach ihrem Einfluss auf die Versagenseigenschaften zu untersuchen. Dafür wurden FE-Berechnungen mit Ansys durchgeführt. Zur Bestimmung von Versagenseigenschaften wurde die Software CARES/Life zusammen mit Weibpar verwendet. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass die Prozesse, welche zu den höchsten Festigkeitswerten führten, jedoch eine sehr große Streuung aufwiesen, wohingegen Prozesse mit geringen Festigkeitswerten eine geringere Streuung zeigten. Dies ist ein wichtiger Faktor, um eine richtige Auswahl des Herstellungsprozesses zu treffen. Zusätzlich wurde aufgezeigt, dass aufgrund der großen Streuung der Festigkeitswerte eine probabilistische Designmethode angebrachter war als die traditionelle deterministische Methode.

In [SCHO-07] wurden Untersuchungen, hinsichtlich des Einflusses unterschiedlicher Werkstofftrennverfahren auf die Festigkeitseigenschaften, an dünnen Siliziumstreifen durchgeführt. Dabei wurden Proben untersucht, welche Dicken von 200 µm - 48 µm aufwiesen. Eine Besonderheit, welche hier ebenfalls untersucht wurde, war das ausgeprägte nichtlineare Strukturverhalten bei dünnen Proben. Dies wurde mit Hilfe der Analytik, als auch durch Verwendung der Finiten-Element-Methode (FEM) abgebildet. Für die FE-Rechnung wurden zweidimensionale Plane-Elemente verwendet. Das obere Auflager, welches die Kraft einleitet, wurde ebenfalls im Modell berücksichtigt. Der Kontakt zwischen dem oberem Auflager und der Probe wurde als reibungsfrei definiert, da man den Einfluss der Reibung als gering eingestufte [SCHO-07]. Für das untere Auflager wurde ein fester (Rigid) Kontaktpunkt definiert. Bei der Auswertung der Ergebnisse konnte insbesondere die Auswirkung der Probendicke auf das Strukturverhalten herausgestellt werden. Für eine Probendicke von 200 µm verhielten sich die Messwerte linear, wohingegen Proben mit einer Dicke von 48 µm eine ausgeprägte Nichtlinearität aufwiesen (Abbildung 2). Dies machte sich daran bemerkbar, dass sich die Proben bei einer geringen Durchbiegung linear verhielten. Bei größer werdender Durchbiegung wurde das Probenverhalten steifer, was auf das Wandern des Tangentenpunktes und der damit einhergehenden Verkürzung der Auflagerlänge zurückgeführt werden konnte. Bei weiterer Durchbiegung begannen sich die Proben weicher zu verhalten, da sie an den Auflagern zu rutschen begannen und somit der Auflagerabstand wieder größer wurde. Bei der Auswertung der Festigkeitswerte wurde charakteristische Festigkeiten von 641 MPa für die 200 µm dicken Proben (gesägt) und bis zu 2782 MPa für 48 µm dicken Proben (Trockenätzen) ermittelt. Daran ist zum einen ein Größeneffekt erkennbar und zum anderen eine Verbesserung der Festigkeit aufgrund eines anderen Werkstofftrennprozesses. Die Auswertung der Streuung der Festigkeitswerte ergab sehr unterschiedliche Werte. Für Proben mit einer Dicke von 200 µm (gesägt) wurde je nach untersuchter Probenseite ein Weibullmodul von 4,4 bzw. 8,1 ermittelt, wohingegen Proben mit einer Dicke von 48 µm (Trockenätzen) eine wesentlich höhere Streuung von 1,9 bzw. 2,5 ergaben.

 

Abb.2
Abbildung 2

In der Arbeit von [HAUC-05] wurde ein Ansatz zur Vorhersage von Zuverlässigkeiten durch Kombination von Flächen- und Kantenfehlern vorgestellt. Als Untersuchungsobjekt dienten dabei Mikrochips aus Silizium. Durch den Waferbearbeitungsprozess (Ätzen, Schleifen) lagen Oberflächenfehler vor. Aufgrund des Sägeprozesses wurden Kantenfehler in das Bauteil eingebracht. Somit lagen zwei verschiedene Ursachen von Versagen vor, welche sich auch in den Messergebnissen widerspiegelten. Als Versuchsaufbau wurden ein Ball-On-Edge-Aufbau, für die Untersuchung der Versagensursache durch Kantenfehler, und ein Ball-On-Ring-Aufbau, für die Untersuchung von Oberflächenfehlern, verwendet. Zur Bestimmung der auftretenden Bruchspannungen wurden FE-Modelle der Versuchskonfigurationen erstellt. Dabei wurden die Auflager (Krafteinleitung und Stützen) entsprechend modelliert und mittels einer Kontaktdefinition mit dem Chipmodell verbunden. Bei der Auswertung der Messergebnisse ergaben sich je nach Art der Fehler (Kantenfehler, Oberflächenfehler) zwei verschieden Verteilungsfunktionen. Zur Bestimmung der Versagenswahrscheinlichkeit wurden beide Verteilungsfunktionen überlagert und es konnte eine Optimierung der Chipstruktur vorgenommen werden.

 

 

Zur Theorie

Ausgehend der Kenntnisse aus der technischen Mechanik, findet die Bestimmung von zulässigen Spannungen anhand von Sicherheitsfaktoren statt, wonach die Bauteildimensionierung vorgenommen wird. Dies setzt voraus, dass die Festigkeitseigenschaften von Werkstoffen einer geringen Streuung unterworfen sind, so dass man diese als konstant annehmen kann. Z.B. besitzt ein S185 Stahl eine Zugfestigkeit von 290 MPa bzw. eine Streckgrenze von 185 MPa. Diese Werte können in einem bestimmten Temperaturbereich als konstant angenommen werden.
Da in der Mikrosystemtechnik sehr oft Silizium als Werkstoff verwendet wird, muss man sich bei der Auslegung von Mikrostrukturen mit zwei abweichenden Verhaltensweisen dieses Materials auseinandersetzen. Zum einen können die Werkstoffeigenschaften in einen großen Band streuen. Zum andern tritt der Effekt auf, dass die Festigkeit eines Bauteils von dessen belasteten Volumen abhängig ist. Je größer das belastete Volumen ist, des geringer ist die Festigkeit der Struktur. Diesen Effekt nennt man Größeneffekt und muss bei der Dimensionierung sowie bei einer Änderung des Lastfalls beachtet werden. Das belastete Volumen repräsentiert dabei das mit positiven Spannungen (Zug) beaufschlagte Volumen.
Um der großen Streuung der Werkstofffestigkeit Rechnung zu tragen, muss anstatt eines deterministischen Ansatzes ein probabilistischer Ansatz verwendet werden, um Aussagen über die Haltbarkeit eines Bauteils bzw. einer mikromechanischen Struktur zu treffen. Die bedeutet, dass in Form von einem Versuchen einzelne Festigkeitswerte bestimmt werden müssen. Über die Streuung dieser Werte wird anschließend eine Verteilungsfunktion gelegt, welche die Verteilung der ermittelten Festigkeitswerte möglichst gut abbildet. Als sehr praktikabel erweist sich dabei die Verteilungsfunktion nach Weibull (Waloddi Weibull 1939). Diese Funktion wurde empirisch ermittelt, um die Versagenseigenschaften von Werkstoffen abzubilden. Der Vorteil dieser Funktion liegt darin, dass man sie sehr gut anpassen kann. Somit lässt sie es zu, den Lebensdauerverlauf von Bauteilen abzubilden (Badewannenkurve).
Aus der Auswertung der experimentell ermittelten Daten erhält man zwei wichtige Parameter, welche als probabilistische Werkstoffparameter gelten. Der Weibullmodul sagt aus, wie groß die Streuung der Festigkeitswerte ist. Ein großer Wert bedeutet dabei eine geringe Streuung, ein kleiner Werte respektive eine große Streuung. Der zweite Werkstoffparameter repräsentiert die charakteristische Spannung, bei welcher 63,21 % der Proben im Experiment versagten. Ausgehend von diesem Wert und dem Maß für die Streuung lassen sich nun weitere Bruchwahrscheinlichkeiten oder auch zulässige Spannungen bestimmen. Des Weiteren ist es mit Hilfe der ermittelten Daten möglich eine Überführung der Vorhersage auf eine andere Struktur bzw. einen anderen Lastfall durchzuführen. Dazu wird aus dem effektiven Volumen der Struktur aus dem Experiment, dem Weibullmodul und der charakteristischen Spannung ein Skalierungsfaktor bestimmt. Dabei ist zu beachten, dass die Streuung der Festigkeitswerte vom Bearbeitungsprozess abhängig ist, welchem die Struktur ausgesetzt wurde. Demnach ist eine Überführung mit dem Skalierungsfaktor nur möglich wenn der Bearbeitungsprozess und die Prozessparameter identisch sind.

Verteilungsfunktion nach Weibull
Verteilungsfunktion nach Weibull

Ergebnisse

Mit Hilfe von Dreipunkt- und Vierpunktbiegeversuchen wurden anhand von jeweils 30 Proben die Werkstoffeigenschaften von Chipwafern aus monokristallinem Silizium bestimmt. Um die auftretenden Bruchspannungen zu bestimmen, wurden FE-Berechnungen mit Ansys 10 durchgeführt. Anhand der ermittelten Daten wurden die einzelnen Eigenschaften der Weibullverteilung und des Größeneffektes untersucht, um eine Know-How-Basis für spätere Festigkeitsaussagen zu schaffen.
Als erster Punkt wurde untersucht, welche Auswirkung die Vernetzung in der FE-Berechnung auf die Bestimmung des effektiven Volumens hat. Dabei wurde festgestellt, dass insbesondere in Bereichen mit einem hohen Spannungsgradienten die Abbildung dieses Gardienten möglichst genau sein muss, was bedeutet, dass das FE-Netz in solchen Bereichen eine höhere Feinheit haben sollte. Dazu ist eine Konvergenzuntersuchung hinsichtlich des effektiven Volumens und der Netzdichte notwendig. Ein weiterer Punkt, war die Auswirkung der Anzahl der untersuchten Proben auf die Güte Festigkeitsaussage. Es wurde nachgewiesen, dass eine relativ hohe Anzahl von Proben notwendig ist, um sinnvolle Festigkeitsaussagen auf probabilistischen Wege machen zu können. Als Indikator dafür wurde das Vertrauensintervall der aufgestellten Verteilungsfunktion verwendet. Je kleiner dieses ist, desto besser ist die Festigkeitsaussage, was dem Gesetz der großen Zahl entspricht.
Anschließend wurden die Daten der Dreipunktbiegung verwendet, um die Verteilungsfunktion und letztendlich Festigkeitsaussagen über die Vierpunktbiegung treffen zu können. Somit konnte die Anwendbarkeit der Weibullverteilung und des Größeneffektes untersucht werden. Dabei ergab sich, dass die getroffenen Vorhersagen innerhalb der Vertrauensintervalle korrekt waren.
Anhand von zwei Beispielen wurde die Anwendung dieses Ansatzes vorgestellt. Dabei konnte ein Ansatz erarbeitet werden, was es einem Konstrukteur ermöglicht auf einfache Weise eine Dimensionierung vorzunehmen. Dies wurde dadurch erreicht, indem eine Verteilungsfunktion bestimmt wurde, deren Verlauf von den einzelnen Dimensionierungsparametern abhängt.
VierpunktbiegungMasseschwinger
Vierpunktbiegung (FEM) - 1. HauptspannungMasseschwinger (Komplexstruktur)

 

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, welche Besonderheiten bei der Verwendung der Weibullverteilung zu beachten sind. Dabei ergab sich, dass die Anzahl der verwendeten Proben für die Grundlagenversuche sowie die Bestimmung der effektiven Volumens mit Hilfe der Finiten-Element-Methode und der Software CARES/Life einen maßgeblichen Einfluss auf die Güte der Vorhersage haben.
Es konnte nachgewiesen werden, dass die Vorhersage von Versagenseigenschaften mit Hilfe des probabilistischen Ansatzes möglich ist. Somit konnte anschließend der probabilistische Ansatz im Produktoptimierungsprozess vorgestellt werden. Anschließend wurde dieser Ansatz und seine mögliche Anwendung anhand von Beispielen vorgestellt.

Ausblick

Während dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass eine Abschätzung bzw. Vorhersage der Festigkeit von komplexen Mikrostrukturen durchgeführt werden kann. Im Weiteren gilt es nun zu untersuchen inwieweit sich Nichtlinearitäten im Festigkeitsverhalten auf die Vorhersagegenauigkeit auswirken können. Dieser Effekt kommt insbesondere dann zum tragen, wenn die Strukturen sehr dünn sind und sehr große Verforungen auftreten können. Des Weiteren wurden während dieser Arbeit sich änderene Materialeigenschaften aufgrund von Temperatureinwirkung nicht untersucht.


Quellen

R. Boroch et al. 2006
R. Boroch et al: Characterization of strength properties of thin polycrystalline silicon films for MEMS applications / von R. Boroch, J. Wiaranowski, R. Mueller-Fiedler, M. Ebert, J. Bagdahn. – 2006
Büttgenbach 1991
Büttgenbach, Stephanus: Mikromechanik : Einführung in Technologie und Anwendungen / von Stephanus Büttgenbach. – Stuttgart : Teubner, 1991
Gross 2001
Gross, Dietmar: Bruchmechanik : mit einer Einführung in die Micromechanik. / Dietmar Gross ; Th. Seelig. – 3., neu bearb. Und erw. Aufl.. – Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris ; Singapur ; Tokio : Springer,2001
Hauck 2005
Hauck, Torsten et al: Weibull Statistics for Multiple Flaw Distributions and its Application in Silicon Fracture Prediction / von Torsten Hauck, Christina Bohm, Wolfgang H. Müller. – EuroSimE 2005, Berlin, German, p. 242 – 247
Jadaan 2007
Jadaan, Osama et al: Strength and Weibull Characterization of Polysilicon Membranes for MEMS Applications. / von Osama Jadaan, Joseph Palko, Moel N. Nemeth, Anna Dubnisheva, Shuvo Roy, Aaron Fleischman. – Ceramic Engineering and Science Proceedings ; Vol. 27 ; S. 557 – 568 ; 2007
Schönfelder et al. 2007
Schoenfelder, Stephan et al: Investigations of the influence of dicing techniques on the strength properties of thin silicon / von Stephan Schoenfelder, Matthias Ebert, Christof Landesberger, Karlheinz Bock, Jörg Bagdahn. – Microelectronics Reliability ; Vol. 47 ; S. 168 – 178 ; 2007
Scharpe et al. 2005
William N. Scharpe, Osama Jadaan, Glenn M. Beheim, Georg D. Quinn, Noel N. Nemeth: Fracture Strength of Silicon Carbide Microspecimens. – Journal of Microelectromechanical Systems ; Vol. 14 ; S. 903 – 913 ; 2005

 

Originalarbeit

Download der Originalarbeit.

 

Über den autor

Passbild

Über den Autor


Sascha Dietrich M.Eng., M.Sc., B.Sc., geboren am 25.01.1982 in Leipzig.

1992-2000F.A. Brockhaus Gymnasium Leipzig
2001-2007Maschinenbaustudium HTWK Leipzig und University of Paisley

 

Impressum

Autor

Sascha Dietrich


info(at)sascha-dietrich.com
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 (Fraunhofer)

Dr.-Ing. Matthias Ebert
Fraunhofer- Institut für Werkstoffmechanik
Mikromechanische Komponenten
Heideallee 19
06120 Halle (Saale)
eb(at)iwmh.fhg.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]