Dünnfilms Delamination - Einfluss der Dundurs-Parameter

In den letzten Jahren hat es einen starken Trend in Richtung moderner flexibler elektronischer Geräte gegeben, wie faltbare Telefone oder tragbare Biosensoren und Elektronik. Diese Geräte bestehen aus zahlreichen dünnen Schichten aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen und müssen rauen Umgebungsbedingungen sowie einer großen Anzahl von Biegungen und Verformungen standhalten. Ein faltbares Smartphone sollte beispielsweise mehr als 100 000 Öffnungs- und Schließzyklen überstehen, ohne dass es zu einem elektrischen oder mechanischen Ausfall kommt. Derart strenge Nutzungsbedingungen stellen nicht nur hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien, sondern auch an die Verbindung zwischen ihnen. Daher muss die Haftung (oft auch Adhäsion genannt) zwischen ungleichen Materialien untersucht werden. Eine Möglichkeit, die Adhäsion zwischen dünner Schicht und Substratmaterial zu quantifizieren, ist die knickinduzierte Delamination, bei den Druckspannungen in der dünnen Schicht zur Bildung eines Knicks und zur Delamination vom Substrat genutzt wird. Die Art der Methode selbst führt jedoch zu einer Kombination aus Normal- und Scherbelastung an der Spitze des Delaminationsrisses, und es ist wichtig, diese beiden Komponenten voneinander trennen zu können. Aus diesem Grund wurde bereits vor 30 Jahren ein Mode-Mixity-Parameter eingeführt, der das Verhältnis zwischen Scher- und Normalbelastung während der Delamination beschreibt. Damals gab es jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Materialkombinationen, die in realen Anwendungen verwendet wurden, so dass man davon ausging, dass der Einfluss der Nichtübereinstimmung zwischen den Materialeigenschaften der Folie und des Substrats als konstant angesehen werden kann, unabhängig von der Nichtübereinstimmung der Materialparameter. Im Gegensatz dazu fördern die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der modernen Materialwissenschaft die Verwendung von stark unterschiedlichen Materialkombinationen, wie z. B. metallische Dünnschichten auf Polymer- oder Keramiksubstraten. Die Einführung solcher Materialien wirft die Frage auf, ob die 30 Jahre alte Vereinfachung immer noch angewendet werden kann. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass dies nicht der Fall ist und die Materialinkongruenz berücksichtigt werden muss. In diesem Projekt werden die numerische Modellierung, analytische Ansätze und experimentelle Messungen der Adhäsion dünner Schichten kombiniert, um das Verhältnis zwischen Normal- und Scherbelastung für stark unähnliche Materialien in Abhängigkeit von den so genannten Dundurs- Parametern zu quantifizieren. Die numerische Modellierung ermöglicht es uns, den Einfluss von Materialfehlanpassungen für endlose Materialkombinationen zu überprüfen. Experimentelle Techniken werden eingesetzt, um Eingangsdaten zu erhalten sowie die Modelle und die Forschungshypothesen zu validieren, was zu einem besseren Verständnis der Materialdelaminationsprozesse und damit zu haltbareren modernen Geräten führt. 1

In den letzten Jahren gab es einen starken Trend hin zu modernen flexiblen elektronischen Geräten wie faltbaren Smartphones oder tragbaren Biosensoren und Elektronikgeräten. Diese Geräte bestehen aus zahlreichen dünnen Schichten aus metallischen und nichtmetallischen Materialien und müssen einer starken Beanspruchung sowie einer Vielzahl von Biegungen und Verformungen standhalten. Ein faltbares Smartphone sollte beispielsweise mehr als 100 000 Öffnungs- und Schließzyklen ohne elektrische oder mechanische Ausfälle überstehen können. Solch strengen Nutzungsbedingungen stellen nicht nur hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien, sondern auch an die Verbindungen zwischen ihnen. Daher muss die Haftung zwischen unterschiedlichen Materialien untersucht werden. Vor und während des Projekts wurde festgestellt, dass es ein großes Missverständnis hinsichtlich der einfachen Annahmen im Zusammenhang mit der knickinduzierten Delaminierungsmethode gab, die zur Messung der tatsächlichen Haftung dünner Schichten verwendet wird - eine 30 Jahre alte und falsche Interpretation der Ergebnisse wurde sogar noch heute bei modernen, fortschrittlichen Materialkombinationen verwendet. Die experimentellen und modellierenden Arbeiten des Projekts bewiesen die Unrichtigkeit solcher Annahmen und führten zu einer geeigneten Methode der Messanalyse, die davon abhängt, welche Materialkombination in dem realen Gerät verwendet wird. Diese verfeinerte Messmethode ermöglicht ein besseres Verständnis der Delaminierungsprozesse auf wissenschaftlicher Ebene, bietet aber auch ein neues Instrument für eine bessere Herstellung mikroelektronischer und flexibler Geräte, wodurch die Kosten gesenkt und deren Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erhöht werden. Darüber hinaus befasste sich das Projekt neben seinem Hauptziel mit einigen weiteren Herausforderungen. Insbesondere ging es um die richtigen Methoden zur Messung der mechanischen Eigenschaften dünner Materialschichten. Im Rahmen dieser Fragestellung wurde ein tieferes Verständnis der Eindrückung von Materialien im Nanometerbereich untersucht, und die Ergebnisse der Nebenarbeiten innerhalb dieses Projekts führten zu neuen Erkenntnissen, die präzisere Messungen mit Eindrückwerkzeugen ermöglichen, die sowohl in der Forschung als auch in der Industrie eingesetzt werden. Präzisere Messungen tragen wiederum zur Senkung der Entwicklungs- und Endproduktkosten bei und ermöglichen eine genauere Abstimmung der Materialien auf eine höhere Zuverlässigkeit.