Kleinstrisse erkennen

Im Rahmen des EU-Projektes iStress arbeiten Wissenschaftler des Lehrstuhls für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme an der Entstehung von Rissen im Nanometerbereich.

Bei jedem Produktionsprozess entstehen an der Randzone des Werkstückes Eigenspannungen, die die Lebensdauer bzw. die Leistungsparameter beeinflussen. Bis jetzt ist es noch nicht gelungen, diese Eigenspannung ausreichend zu verstehen und zu messen. "Das Hauptziel dieses Projektes ist es daher, eine innovative, reproduzierbare und automatisierte Methode zur Bestimmung der Eigenspannung auf Submikrometer-Ebene zu entwickeln", erklärt Ass.-Prof. Dr. Rostislav Daniel vom Lehrstuhl für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme (Department Metallkunde und Werkstoffprüfung).

Mit Ionenstrahlen beschießen

Um diese Eigenspannungen messen zu können, werden mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls Messpunkte an der Materialoberfläche erzeugt. Dabei entsteht eine Maskengeometrie zur Verzugsmessung. In jedem weiteren Schritt wird rund um die Maske Material abgetragen. Für jeden Bearbeitungsschritt wird der entstehende Verzug, also die Differenz, mittels digitaler Bildkorrelation durch Messung der Abstände zwischen den Punkten ermittelt. "Mit dieser Methode können wir die Eigenspannung exakt benennen und mögliche Risse im Material voraussagen", ergänzt Daniel.

Praktisch alle Materialien sind diesen Eigenspannungen ausgesetzt, so auch mikroelektronische Bauteile wie Halbleiterchips im Auto. Durch das ständige Schalten von Scheibenwischern, Blinkern und zahlreichen Reglern entstehen durch den Stromfluss durch den Chip thermische Zyklen, die im Verbund mit den schon vorhandenen Eigenspannungen zu Materialschädigung wie z. B. dem Wachsen von kleinsten Rissen führen können. Mit den gewonnenen Erkenntnissen sollen innovative Gestaltungsregeln zur Steuerung der Eigenspannung für die Herstellung von technisch relevanten Materialien mit verbesserter Leistung angestrebt werden.

Projektziele

Hauptziel ist es, eine automatisierte Messmethode zu entwickeln, die auf viele Bereiche anwendbar ist. "Ebenso wollen wir die Beziehung zwischen messbaren Parametern (z. B. Mikrostruktur, Spannungszustand, mechanische und funktionale Eigenschaften) von nano- zu makroskopischen Skalen charakterisieren", so Daniel weiter. Alle Projektpartner sollen diese neue Messmethode an ihren verschiedenen Maschinen anwenden können.

Projektpartner

Als Projektpartner fungieren Universitá degli Studi Roma, University of Oxford, Fraunhofer-Institute, Universität Erlangen-Nürnberg, Technische Universität Darmstadt, National Physical Laboratory Teddington, ETH Zürich, Universität Brescia sowie die vier Industriepartner Robert Bosch, Thales, Tescan und Nanotest.

Das Gesamprojektbudget beträgt 8,4 Millionen Euro. Neben Daniel arbeitet noch ein Dissertant an diesem EU-Projekt, das Anfang des Jahres genehmigt wurde und drei Jahre läuft, mit. Ebenso ist der Lehrstuhl für Materialphysik am Projekt beteiligt.

Weitere Informationen:
Ass.-Prof. Dr. Rostislav Daniel
Lehrstuhl für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme
E-Mail: rostislav.daniel(at)unileoben.ac.at
Tel.: +43 3842 402-4228

Maskengeometrie (a) mit im nächsten Schritt rund um die Maske abgetragenen Material (b)

Am Department Metallkunde und Werkstoffprüfung steht ein Mikroskop, das sowohl über einen fokussierten Ionenstrahl als auch über einen Elektronenstrahl verfügt.

Ass.-Prof. Dr. Rostislav Daniel