Bestimmung der Festigkeit und Bruchzähigkeit von dünnen Keramiksubstraten

In der Leistungselektronik und in SO(F)C finden verstärkt Substrate aus Si₃N₄-, AlN- und ZrO₂- Werkstoffen Anwendung. Neben der Wärmeleitfähigkeit ist die mechanische Stabilität bei thermozyklischer Belastung eine wesentliche Voraussetzung für eine hohe Lebensdauer der Systeme und die Miniaturisierung von Schalt­kreisen und Baugruppen. Zur Bewertung und Qualitätssicherung der Substrate werden daher Kennwerte wie Festigkeit, Bruchzähig­keit und deren Streuung ermittelt. Bei dünnen Substraten (d < 0,4 mm) kann der standardi­sierte 4-Punkt-Biegeversuch für die Festigkeitsbestimmung aufgrund starker Durchbiegungen nicht ohne aufwendige Korrekturen ausgewer­tet werden. Alternative Verfahren wie Ring-on-Ring- oder B3B-Test bieten eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Probengröße. Zudem werden die Ergebnisse nicht durch die Qualität der Probenkanten beeinflusst. Nachteilig ist das geringe belastete Volumen, das nur einen Bruchteil der Probe umfasst und so tendenziell zu hohe Festigkeitswerte ermittelt. Zur Berech­nung der Festigkeit wird eine FEM-Auswertung benötigt, die die Spannungsverteilung in der Probe liefert. Eine weitere Möglichkeit zur Festigkeitsbestimmung von Substraten ist der Zugversuch, mit dem ein höheres Probenvolu­men geprüft wird (Bild 2). Die Güte der Mess­werte wird dabei wesentlich durch Probenvor­bereitung und -einbau in die Prüfmaschine bestimmt. Ein Vergleich zwischen B3B-Test und Zugversuch zeigte unter Berücksichtigung der belasteten Volumina konsistente Ergebnisse. Damit sind beide Verfahren für die Prü­fung dünner Substrate geeignet. Durch Integration des B3B-Aufbaus in eine Universal­prüfmaschine mit Ofen kann die Festigkeit von 3YSZ-Substraten sogar bei hohen Einsatztemperaturen bis 1000 °C gemessen werden (Bild 1). Der Bruchzähigkeitswert beschreibt die Toleranz der Substrate gegenüber Fehlstellen im Material. Die Bestimmung erfolgt an Proben mit spitzem Kerb, der einen für das Material kritischen Riss darstellt. Am Fraunhofer IKTS wurde eine Methode erarbei­tet, mit der der Anriss in bis zu 90 μm-dünne Substratproben eingebracht werden kann (Bild 3). Nach Vermessung des Kerbs mit dem Stereomikroskop wurden die dünnen Proben dem Biegeversuch unterzogen. Anhand der Geometriedaten und der ermittelten Bruch­kraft wurde die Bruchzähigkeit berechnet. Ein am IKTS durchgeführter Vergleich der Bruch­zähigkeit von wärmeleitfähiger Si₃N₄-Keramik, gemessen an gekerbten Substratproben (d = 250 μm, ISO 21113) und 3 x 4 x 45 mm Biegebruchstäben (SEVNB nach DIN EN ISO 23146) offenbarte eine gute Übereinstimmung der Messergebnisse. Eine Bestimmung der Bruchzähigkeit über Härteeindrücke ist nur dann möglich, wenn die vorliegende Riss­geometrie und die anzuwendende Auswerte­gleichung bekannt sind (Graphik unten). Die durchgeführten Vergleiche zeigen neue Opti­onen der Bestimmung mechanischer Substrat­kennwerte. Mit den am Fraunhofer IKTS ver­fügbaren und speziell auf keramische Substrate angepassten Prüfmethoden können Her­steller und Anwender die Qualität von kerami­schen Substraten unterschiedlicher Dicke einfach und effektiv bewerten.

Leistung- und Kooperationsangebot

• Entwicklung neuer Prüfkonzepte, Validie­rung der Prüfaufbauten und Belastungsregime über begleitende Simulation
• Bestimmung der Festigkeit, Bruchzähigkeit und Härte von Substraten
• Fraktografie: Untersuchung der bruchauslösenden Defekte
• Ermittlung thermo-physikalischer, elektrischer und dielektrischer Kennwerte