Thermomechanische Spannungs- und Verformungseffekte in reaktiven Al/Ni-Multilagen für das Entbonden

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Schaaf
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426206394

In der ersten Projektphase ging es darum, die Auswirkungen mechanischer und thermomechanischer Spannungen auf die Umwandlungsreaktion und die Phasenbildung in reaktiven Ni/Al-Multilagen-Systemen (RMS) zu ermitteln. Dies umfasste sowohl intrinsische und extrinsische Spannungen, die aus mechanischer Belastung resultieren, als auch Spannungen, die durch geometrische Begrenzungen, wie Passivierungsschichten, verursacht werden. Bislang konnte gezeigt werden, dass extrinsisch aufgebrachte Spannungen keinen signifikanten Einfluss auf das Reaktionsverhalten des Al/Ni-Reaktiv-Mehrschichtsystems (RMS) und dessen Phasenbildung haben. Bei den Untersuchungen zeigte sich jedoch, dass es nach bzw. während der Reaktion bei bestimmten Substraten, insbesondere auf einkristallinem Silizium, zu einer Rissbildung bzw. Delamination des reaktiven Multlagensystems kommt. Darüber hinaus wurden die Reaktionsgeschwindigkeit und die Temperatur dadurch Weise verändert. Daher sind die intrinsischen thermomechanischen Spannungen während und nach der Reaktion viel wichtiger als die extrinsischen Spannungen. Die nächste Projektphase wird diese intrinsischen Spannungen berücksichtigen und zielt darauf ab, diese intrinsischen Spannungen für eine selektive Delaminierung der Schichten "auf Knopfdruck" zu nutzen. Dazu müssen die entsprechenden thermomechanischen Eigenschaften weiter charakterisiert und für Debonding-Prozesse maßgeschneidert werden. Debonding- und Delaminationsanwendungen sind für die Demontage und das Recycling im Bereich der Mikrosystemtechnik von großer Bedeutung. Einzelne Komponenten lassen sich nur schwer oder nicht wirtschaftlich vom Gesamtsystem trennen, was die Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft (Ressourcenschonung) stark beeinträchtigt. Im Bereich der Anwendung wird die Integration des RMS in ein mikroelektronisches System notwendig sein. Neben der spannungsinduzierten Delamination sind detaillierte Untersuchungen zur Langzeitstabilität notwendig. Findet eine Alterung des RMS statt und in welchen Zeit-Temperatur-Regimen kann das RMS im System aktiv bleiben, d. h. eine sich selbst verstärkende Hochtemperatursynthese aufrechterhalten. Darüber hinaus kann das RMS in diesem Fall als funktionelle Verbindung betrachtet werden, was Messungen der thermischen, sowie der elektrischen Leitfähigkeit, der mechanischen Eigenschaften des Schichtaufbaus sowie der Verträglichkeit im Rahmen einer klassischen Fügeverbindung mit niedrigschmelzenden Loten (galvanisch oder durch Magnetronsputtern abgeschieden) oder separat während des Fügeprozesses zugegebenen Loten nach sich zieht. Weiter wird untersucht, ob idealerweise ein zweites RMS für den Fügeprzess eingesetzt werden kann. Anschließend wird die Verträglichkeit mit niedrigschmelzenden Loten untersucht (Fügeteil). Schließlich werden Untersuchungen am Gesamtsystem hinsichtlich Zuverlässigkeit und Machbarkeit durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen