Innovative Methoden
Am MCL werden unterschiedlichste Methoden zur Charakterisierung von physikalischen Parametern von mikroelektronischen Komponenten und Materialien entwickelt. Der Schwerpunkt dabei liegt in der Kopplung von Experiment und Simulation, welche eine schnelle und sichere Methodenentwicklung und eine tiefgehende Analyse ermöglichen.
Die Methodenentwicklungen für die Mikroelektronik erstrecken sich auf die Bereiche Materialanalytik zur Erstellung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Ultraschallmethoden und der Methodenentwicklung, sowie Zuverlässigkeitsforschung mit dem Schwerpunkt thermisches Management und Testentwicklung. Intensiv werden für die Test- und Methodenentwicklung Simulationsmethoden eingesetzt und weiterentwickelt.
In-situ-Charakterisierung von Struktur & Eigenschaft
Struktur-Eigenschaftsbeziehung bilden die Basis für das Verständnis von Materialeigenschaften unter Einsatzbedingungen. Unter anderem arbeitet das MCL gemeinsam mit Partnern von der Montanuniversität Leoben und der North Carolina State University, intensiv am Thema Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Piezokeramiken. Diese Keramiken bilden aufgrund ihrer Eigenschaft, einen externen mechanischen Stimulus im elektrischen Strom und eine angebrachte Ladung in mechanische Dehnung zu übersetzen, die Basis für viele Aktoren und Sensoren. Die Materialien werden mittels in-situ-Diffraktion mit Synchrotron Strahlung währen einer gekoppelten mechanischen und elektrischen Belastung untersucht. Durch das gleichzeitige Beobachten von Spannungen, Textur und Phasenzusammensetzung während der externen Belastung ergibt sich ein beinahe vollständiges Bild der Einflüsse unterschiedlicher Strukturbausteine auf die Funktion.
Durch den Einsatz dieser Methoden konnte zum Beispiel die Auswirkung der angelegten mechanischen Spannung auf die Textur, welche signifikant die Funktion beeinflusst, charakterisiert und interpretiert werden. Wir haben erkannt, dass eine einmalige Überlastung eine dauerhafte Veränderung im Orientierungsvermögen auslöst. Des Weiteren konnten wir festgestellen, dass die Texturausbildung eine der maßgeblichen Bestandteile der Spannungs-Dehnungs-Hysterese der Bauteile darstellt. Mit diesen Informationen können nun gezielt weitere Materialien entwickelt und die Betriebszustände eingestellt werden.
Kontakt: Marco Deluca
Moderne zerstörungsfreie Werkstoffprüfung
Die Charakterisierung von elastischen Materialparameter in dünnen Schichtsystemen, die zerstörungsfreie Identifikation von Fehlermoden in hochkomplexen, 3D-integrierten Strukturen oder neuartigen Leiterplatten im Kontext zu „Rapid Learning“ stellt eine große Herausforderung in der Mikroelektronik dar. Dabei repräsentieren Ultraschall-Wellen eine hocheffiziente Möglichkeit zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Materialeigenschaften und Fehlern. Man kann zwischen bildgebenden und nicht-bildgebenden Verfahren unterscheiden. Beispiele sind die sogenannte Scanning Acoustic Microscopy (SAM) oder der Laser induzierte Ultraschall (LiUS).
Das MCL entwickelt in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern wie PVATepla, Fraunhofer IMWS oder dem IMEC neue Mess- und Analyse-Ansätze basierend auf der SAM-Methode. Zusätzlich werden in Zusammenarbeit mit der Universität Graz neue Konzepte in Richtung kontaktloser Charakterisierung von Materialparametern unter Verwendung der Laser induzierten Ultraschall-Methode entwickelt. Das Ziel ist es, Methoden für eine genaue, prozessbegleitende Fehler- und Materialcharakterisierung bereitzustellen.
Die Analyse von komplexen und kleinen Strukturen, die zum Beispiel in der Mikroelektronik oder in modernen Energiespeicher-Systemen vorkommen, stellt eine sehr große Herausforderung dar. Auf Tomographie basierende Methoden wie z.B. die Röntgen-Computer-Tomographie (XCT), Synchrotron-Tomographie oder die FIB-Nanotomographie bieten die Möglichkeit, Geometrien dreidimensional darzustellen. Jedoch ist die genaue Analyse der gemessenen 3D-Daten wegen auftretender Messartefakte, der Rekonstruktionsproblematik, eingeschränkter Auflösung und magelhaftem Kontrast oft ein großes Problem. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, entwickelt das MCL Algorithmen zur Segmentierung von definierten Grauwertbereichen z.B. für Poren, Einschlüsse etc.. Wir verwenden moderne, kommerziell erhältliche Bildbearbeitungsprogramme und nutzen auf Tomographie basierende Methoden, um möglichst verlässliche 3D-Daten erzeugen zu können.
Zusätzlich wendet das MCL Vernetzungs-Ansätze an erzeugten 3D Daten an. Diese vernetzten Daten werden bei numerischen Verfahren wie CFD und FEM verwendet, um Simulationen an möglichst realen Geometrien durchführen zu können. Unser Ziel ist, möglichst rasch genaue Information bezüglich der Struktureigenschaften für Materialdesign und Materialentwicklung liefern zu können.
Kontakt: Roland Brunner
Zuverlässigkeitsforschung & Testentwicklung
Die Kopplung von Simulation und Experiment bildet die Basis für die Entwicklung von Zuverlässigkeitstests am MCL. Besonders bei Komponenten wie High-Power LEDs geht der Trend immer mehr dahin, lange Lebensdauern zu gewährleisten (>50.000h). Um diese Qualitätsmerkmale sicherzustellen, müssen aufwändige und lang andauernde Lebensdauertests durchgeführt werden.
Am MCL wurde ein beschleunigter, thermo-mechanischer Test entwickelt, der den zeitaufwändigen elektrischen Ein/Aus-Schalttest (SST) ersetzt. Wird eine LED im SST-Test betrieben, so erfährt das Bauteil eine thermische Belastung, die sich schlussendlich als mechanischer Stress zeigt. Die Methode umfasst eine auf finite Elemente basierende Simulation, welche die Dehnungen und Spannungen während eines Stresszyklus im Bauteil berechnet. Die experimentelle zyklische Belastung erfolgt dann entsprechend den Simulationsergebnissen mittels einer dynamisch-mechanischen Prüfeinrichtung.
Mit dem ATMT-Test wurden nicht nur die gleichen Fehlermoden bei vergleichbaren Testzyklen wie beim SST-Test ausgelöst, auch die Ausfallstatistik entspricht dem Standard-SST-Test.
Kontakt: Elke Kraker
