Größeneinfluss in Mikromaterialien u. Lasersystementwicklung

Miniaturisierte Systeme, wie integrierte Schaltkreise, spezielle Sensoren und Mikromaschinen sind wesentliche Komponenten in Automobil- und Telekommunikationsindustrie. Sie machen sich Strukturmaterialien (in Form von dünnen Filmen, Folien, Membranen, Drähten und Lötverbindungen) zunutze, deren relevante mechanische Eigenschaften im Mikrometerbereich dimensionsabhängig werden. Es fehlt sowohl am quantitativen Verständnis dieser Größeneffekte, als auch an konsistenten Daten, was die Wahl des jeweils geeignetsten Materials behindert. Daher setzt sich das Projekt zum Ziel, grundlegende Methoden im Dickenbereich 1 bis 200 Mikrometer zur Bestimmung ausgewählter mechanischen Eigenschaften wie elastischer und plastischer Daten von Standardmaterialien zu entwickeln, darunter Einkristalle, Vielkristalle mit unterschiedlichem Verhältnis von Korngröße und Dicke. Eingehend soll das Ermüdungsverhalten, zyklische Plastizität, Lebensdauer und Rißausbreitung sowie das Bruchverhalten dünner Strukturen untersucht werden (z.B. Folien und Bondingdrähte). Dann sollte in Kombination mit Ergebnissen jüngst speziaisierter Methoden zur Charakterisierung der Mikrostruktur (mesoskopische Versetzungsstruktur mittels Channelling-Kontrast Technik im Rasterelektronenmikroskop (REM), lokale Kornorientierungen aus Elektronen-Rückstreu-Patterning im REM) es ermöglichen, Modelle für die zyklische Verformung zu erstellen und mechanische Mikrorißkriterien einzuführen, um die Verläßlichkeit von Mikrosystemen vorherzusagen und zu erhöhen. Darüberhinaus sollten die Ergebnisse als Basis von Standardisierungstechniken für mechanische Daten von Mikromaterialien herangezogen werden können. Eine Lösung dieser Aufgaben wird nur durch die Verwendung und Optimierung von berührunglosen Laserdehnungssensoren auf Grundlage der Laserspeckle-Technik ermöglicht, wobei besondere Bedeutung der Entwicklung eines auf hohe Lokalisierung spezialisierten Dehnungssensors beizumessen ist, der neue Information über die lokale Verformungcharakteristik zugänglich macht und neue Anwendungsgebiete erschließt. Ein Erreichen der Projektziele ist ausschließlich interdisziplinär durch intensive Kooperation von Wissenschaftlern aus unterschiedlichen Disziplinen, ausgehend von Materialwissenschaften (Institut für Materialphysik der Universität Wien) bis hin zu optischer Meßechnik und digitaler Datenverarbeitung (Institut für Elektrische Meßtechnik und Signalverarbeitung der Technischen Universität Graz) in enger Zusammenarbeit mit der einschlägigen Industrie möglich.

Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente (wie integrierte Schaltkreise, spezielle Sensoren und Mikromaschinen, wesentliche Komponenten in der Automobil- und Telekommunikationsindustrie) stellt die Mikrosystemtechnik vor die Aufgabe, neue Materialien und Materialkombinationen in Mikro- und Nanostrukturen zu entwickeln, ihre Eigenschaften zu beherrschen und so die Zuverlässigkeit der fertigen Produkte zu garantieren. Die fehlerfreie Funktion solcher Produkte, wie z. B. Airbags, Navigationssysteme, Mobiltelefone etc. ist unbedingt erforderlich. Während des Betriebes sind diese Systeme mechanischen Stößen, Vibrationen und Temperaturschwankungen ausgesetzt, die an die verwendeten Materialien hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Lebensdauer stellen. Um diese aber ermitteln zu können, müssen die mechanischen und thermischen Materialeigenschaften gut bekannt sein. Diese lassen sich aber für kleine Strukturen (Filme, Folien, Drähte, Fasern) nicht von Makromaterialien ableiten (Größeneffekt, "size effect"), sondern erfordern die Bestimmung dieser Eigenschaften von Mikrokomponenten in deren realen Dimensionen. Dieser Größeneffekt wurde im vorliegenden Projekt sowohl aus Sicht der Grundlagenforschung sowie auch aus jener der technischen Relevanz untersucht und damit auch ein aktuelles Gebiet der Materialwissenschaften weiterentwickelt. Für die untersuchten Geometrien und Materialien konnte der Größeneffekt quantitativ bestimmt und durch die Einführung charakteristischer Materialgrößen beschrieben werden. Damit werden dem Konstrukteur von mikrotechnischen Systemen Parameter des elastischen, plastischen und thermischen Verhaltens und der Materialermüdung zur Verfügung gestellt, die für das Design und die steigenden Anforderungen an Verlässlichkeit erforderlich sind und somit eine weitere Miniaturisierung elektronischer Bauelemente ermöglichen. Die Messaufgaben des abgeschlossenen Projektes wurden erst durch die Entwicklung neuer, berührungsloser Dehnungssensoren auf Grundlage der Laser-Messtechnik erfüllt. Solche Sensoren werden heute auch bereits von anderen Forschungsstätten verwendet, denn es ist möglich geworden, sogar Dehnungen in kleinsten Bereichen (tausendstel Millimeter) zu messen. Es ist diesem Projekt gelungen, die Bedeutung von Größeneffekten und deren Behandlung auf ein Vielzahl anderer technischer Problemstellungen (z.B. Verbindungstechnik, Medizintechnik) auszuweiten und damit den Weg für die zukünftige technische Realisierung noch kleinerer Strukturen (Nanotechnologie) vorzubereiten. Die Projektziele konnten nur durch eine intensive, interdisziplinäre Kooperation von Wissenschaftlern der Materialwissenschaften, der optischen Messtechnik und der digitalen Datenverarbeitung in enger Zusammenarbeit mit der einschlägigen Elektronikindustrie erreicht werden.