Elektro-mechanische Ermüdung in dünnen Metallschichten auf Polymersubstraten

In der Wissenschaft und der Technologie zeigte sich in den letzten Jahrzehnten ein genereller Trend zur Miniaturisierung von elektronischen Komponenten und Bauteilen. Diese Tendenz veranlasst Werkstoffwissenschaftler zur Entwicklung neuer Untersuchungsmethoden, welche die gezielte Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von solchen mikro- und nanostrukturierten Strukturen erlauben. Eine weitere vielversprechende, neuaufkommende Technologie zur Herstellung von elektronischen Bauteilen auf flexiblen Substraten erfordert zudem eine gezielte Einbindung von dünnen Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften (harte und spröde Barriereschichten, duktile Metalle, visko-elastische Polymersubstrate). Obwohl die mechanischen Eigenschaften der jeweils einzelnen Verbundwerkstoffbestandteile bereits ausführlich untersucht wurden, fehlt bisher das grundlegende Verständnis zum Ermüdungs- und Bruchverhalten des gesamten Verbundsystems. Das Ziel des beantragten Projektes ist die systematische und übergreifende Untersuchung der Ermüdungseigenschaften von Metall-Polymer-Dünnschicht-Verbundwerkstoffen. Der Schwerpunkt soll dabei auf dem generellenErmüdungsverhalten, der Schadeninitiierung undder weiteren Schadensentwicklung mit steigender Belastungszyklenzahl liegen. Eine Kombination aus abwechselnd zyklischer mechanischer Belastung und korrespondierenden mikrostrukturellen Untersuchungen soll als erweitertes Charakterisierungsverfahren dienen. Die Ermüdungslebensdauer von zwei unterschiedlichen Metallen (Au, Cu) auf zwei unterschiedlichen Polymersubstraten soll bestimmt und die auftretenden Schadensmechanismen charakterisiert werden. Alle Ermüdungsexperimente werden zudem mit einer zeitgleichen Widerstandsüberwachung der Proben durchgeführt und die entstandenen Schädigungen sollen sowohl mikroskopisch (Extrusionen, Intrusionen und Rissen) als auch elektrisch (Zunahme des elektrischen Widerstands) charakterisiert werden. Ein 2-D Finite Elemente Modell soll zur Simulation des Stromflusses in einer Metall-Schicht mit eingebrachten Rissen dienen, um daraus den Einfluss der Rissparameter (z.B. Rissdichte) auf den Gesamtwiderstandes des Films ermitteln zu können. Daran anschließend sollen diese Ergebnisse aus den Simulationen mit experimentell bestimmten Rissdichten und Widerstanden verglichen werden, um das Zusammenspiel von strukturellen und elektrischen Veränderungen besser verstehen zu können. Abschließend sollen die Ermüdungseigenschaften von dünnen, senkrecht zur Belastungsrichtung angeordneten Metalllinienrastern untersucht werden. Aufgrund der großen Elastizitätsmodulunterschiede könnten gerasterte Metallstrukturen auf Polymeren eine höhere Ermüdungslebensdaueralsdurchgängige Metallschichtenzeigen. Zur Beschreibung des Spannungsübertrags von einem Polymerwerkstoff auf eine gerasterte Metallstruktur soll ein Modell entwickelt werden, indem verschieden, gestaltete Metallmuster zyklisch belastet werden und die entsprechend der Belastung aufgetretenen Schäden innerhalb der Metallraster untersucht werden. Eine erfolgreiche Ausführung des Projektes wird das Verständnisder fundamentalen Ermüdungseigenschaften vondünnen Metallschichtensowie metallisierten Rasterlinien auf Polymersubstraten deutlich erweitern und verbessern.

Das Projekt untersuchte Metallschichten auf Polymersubstraten unter zyklischer mechanischer Belastung und verfolgte das Ziel, die durch diese Belastung hervorgerufenen Prozesse der strukturellen Veränderungen und der Entwicklung von Schädigung zu verstehen. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich in drei Meilensteine zusammenfassen. Der laut Forschungsstand widersprüchliche und teilweise nicht hinlängliche verstandene Effekt von Korngrenzenmigration und Kornvergröberung bei Raumtemperatur wurde systematisch untersucht. Die Analyse der experimentellen Daten erlaubte die Formulierung eines neuen Modells. Dieses Modell erklärt die Kornvergröberung durch die Existenz einer treibenden Kraft, die auf der lokalen Differenz von elastischen Dehnungen zwischen einzelnen Körner beruht. Als zweiter Meilenstein wurde mithilfe einer Kombination von Finite-Element-Modellierung und direkten experimentellen Messungen ein mathematisch eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Wachstum von elektrischem Widerstand bei dünnen Schichten und den Parametern von Rissmustern (Rissdichte und Risslänge) gefunden. Ein besonderer Schwerpunkt des vorliegenden Projekts war die systematische Untersuchung von Mechanismen, die für die Entstehung von Ermüdungsschädigung verantwortlich sind. Dafür wurden insgesamt 22 Dünnschichtsysteme mit unterschiedlichen Parametern (wie Material, Dicke, Textur und Korngröße) hergestellt, mechanisch getestet und systematisch beschrieben. Zusammenfassend konnten vier unterschiedliche Mechanismen zur Entstehung von Ermüdungsschädigung formuliert werden. Es zeigte sich, dass die Korngröße, die Textur und der Anteil von kohärenten Zwillingskorngrenzen in Hinblick auf die vier unterschiedlichen Mechanismen die wichtigsten Parameter für die Entstehung von Ermüdungsschädigung sind. Die wegweisenden Ergebnisse der vorliegenden Studie wurden in insgesamt sechs Artikel in internationalen Peer-Review Zeitschriften publiziert. Ein weiterer Artikel wurde bereits eingereicht und wird zu diesem Zeitpunkt von Gutachtern beurteilt. Zudem befinden sich noch drei weitere Artikel in Arbeit. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse auf elf internationalen Konferenzen präsentiert und diskutiert. Neben dem wissenschaftlichen Nutzen führten die Ergebnisse auch zu einer Vielzahl an technischen Entwicklungen. So konnte die Technik der digitalen Bildkorrelation für kontaktlose Dehnungsmessungen erfolgreich angewandt werden. Ein in-situ Heizsystem, das die mechanischen Testungen bei Hochtemperatur bei gleichzeitigem Messen des Widerstands ermöglicht, wurde konzipiert.