DE102015111328A1

DE102015111328A1 - Prüfvorrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit

Info

Publication number: DE102015111328A1
Application number: DE102015111328.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Roscher; Klaus Vogel; Maik Wiemer; Dirk Schade
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; XYZTEC BV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; XYZTEC BV
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit eines auf einem Substrat aufgebrachten Testmaterials, wobei wenigstens eine Prüffläche eines Prüfkörpers mit einer Fügeoberfläche des Testmaterials durch thermisches Fügen verbunden wird und anschließend über den Prüfkörper eine Zug- und/oder Scherkraft auf das Testmaterial ausgeübt wird, bis das Testmaterial wenigstens teilweise von dem Substrat abgelöst wird. Um den Prüfkörper derart stabil mit dem Testmaterial verbinden zu können, dass das Testmaterial mit Hilfe des Prüfkörpers vom Substrat abgerissen werden kann, und trotzdem eine zuverlässige, unverfälschte Bestimmung der Abreißfestigkeit des Testmaterials zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Prüfvorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Gattung vorgeschlagen, bei welchen auf der Prüffläche und/oder auf der Fügeoberfläche wenigstens zwei miteinander exotherm reagierende Materiallagen vorgesehen sind bzw. aufgebracht werden, und die Materiallagen mit einer Initiiereinrichtung zur Initiierung einer selbstausbreitenden Reaktion der Materiallagen gekoppelt oder koppelbar sind bzw. eine selbstausbreitende Reaktion der Materiallagen initiiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit mit einem auf einem Substrat aufgebrachten und eine Fügeoberfläche aufweisenden Testmaterial und einem wenigstens eine Prüffläche aufweisenden Prüfkörper. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit eines auf einem Substrat aufgebrachten Testmaterials, wobei wenigstens eine Prüffläche eines Prüfkörpers mit einer Fügeoberfläche des Testmaterials durch thermisches Fügen verbunden wird und anschließend über den Prüfkörper eine Zug- und/oder Scherkraft auf das Testmaterial ausgeübt wird, bis das Testmaterial wenigstens teilweise von dem Substrat abgelöst wird.
Prüfvorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Gattung sind insbesondere für die Bauteil- und Materialcharakterisierung von Produkten der Elektronikbranche von Interesse. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Charakterisierung der Haftfestigkeit und der Identifikation von Versagensmechanismen bei auf unterschiedlichen Substraten aufgebrachten Lotbumps, Dünnschichtsystemen, dünnen Metallisierungen, metallischen Fügeverbindungen und Klebeverbindungen auf Chip-, Wafer- oder Panellevel dar. Als Lotbumps werden Lothügel oder Lotbälle bezeichnet, welche nicht zwingend kugelförmig sind, sondern auch ovoid oder unregelmäßig geformt sein können. Ungebondet bedeutet, dass die Lotbumps nur auf einer Oberfläche eines Substrates haften, dieses Substrat aber (noch) nicht mit einem zweiten Substrat oder einem weiteren Gegenstand verbinden. Mit Dünnschichtsystemen und dünnen Metallisierungen sind Schichten oder Schichtfolgen gemeint, welche eine Schichtdicke von weniger als 10 µm, typischerweise von wenigen hundert Nanometern, teilweise sogar von nur wenigen Nanometern, aufweisen können. Die Schichten können dabei Metalle, Isolatoren, wie Gläser, Nitride oder Keramiken, oder auch Polymer(e) sein.
Die Abreißfestigkeit ist auch als Haftzugfestigkeit bekannt. Sie gibt das Ausmaß der Adhäsion eines Materials auf einem Substrat an, also wie fest ein Material oder Testmaterial auf einem Substrat haftet. Zur Ermittlung der Abreißfestigkeit eines auf einem Substrat aufgebrachten Testmaterials mit einem Zugtest wird üblicherweise ein Werkzeug, wie beispielsweise ein Prüfstempel, mittels Klebstoff auf das Testmaterial aufgeklebt, wobei die klebende Fläche durch Trennen der Klebstoffschicht vom Werkzeug an dessen Randflächen genau definiert sein muss. Anschließend wird das Werkzeug abgezogen, wonach ermittelt wird, inwieweit sich das Testmaterial beim Abziehen des Werkzeugs vom Substrat abgelöst hat.
Bei dem Zugtest findet vorzugsweise eine zumindest teilweise Delamination des Testmaterials von dem Substrat statt, wobei das Testmaterial durch die mechanische Krafteinwirkung an der Grenzfläche zu dem Substrat zumindest teilweise von dem Substrat abgelöst wird. Es kann jedoch auch vorkommen, dass die Verbindung von dem Substrat zu dem Testmaterial sehr stark ausgebildet ist und infolgedessen eine Materialermüdung aufgrund des Zugtests zunächst in dem Substrat und/oder in dem Testmaterial auftritt. Dann kann bei dem Zugtest sowohl ein Teil des Testmaterials als auch ein Teil des Substrats von dem Substrat abgelöst werden oder aber lediglich ein Teil des Testmaterials von dem Testmaterial auf dem Substrat getrennt werden. Bei einem Zugtest können auch an dem Material des verwendeten Prüfkörpers alle oben genannten Ablöseerscheinungen nebeneinander vorkommen. Üblicherweise wird nach dem Zugtest eine Auswertung der Ablöseeffekte vorgenommen, also beispielsweise eine optische Charakterisierung einer Oberflächenstruktur des Testmaterials und/oder der Substratoberfläche und/oder des Prüfkörpers. Dadurch können Rückschlüsse auf einen Versagensmechanismus getroffen werden, es wird also anhand eines Modells ermittelt, wie die Materialermüdung in dem Substrat und/oder in dem Testmaterial erfolgt ist.
Das Ausbilden einer Klebeverbindung zwischen dem Prüfstempel und dem Testmaterial bei dem aus dem Stand der Technik bekannten, auf einer Klebeverbindung zwischen Prüfstempel und Testmaterial basierenden Zugtest ist jedoch langwierig, da der Kleber vor dem Zugtest vollständig härten muss. Insbesondere zum Ende des Härtens des Klebers verlangsamt sich der Härteprozess aufgrund einer zunehmenden Viskosität des Klebers und der damit verbundenen verlangsamten Diffusion. Außerdem muss nach dem Kleben üblicherweise ein weiterer Arbeitsschritt durchgeführt werden, nämlich eine Entfernung oder eine Trennung von Klebstoffresten an den Rändern der eigentlichen Fügezone.
Unter thermischem Fügen wird vorliegend ein stoffschlüssiges Verbinden zweier Bauteile verstanden, bei dem die Verbindung der Bauteile durch thermische Energie herbeigeführt wird. Die eingebrachte thermische Energie führt zu einem wenigstens teilweisen Anschmelzen der Bauteile an einer Fügefläche. Die angeschmolzenen Materialien der Bauteile können sich daraufhin miteinander in einer Fügezone zwischen den Bauteilen vermischen. Bei einem anschließenden Abkühlen verfestigt sich in der Fügezone das angeschmolzene Material der Bauteile, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen gebildet wird. Thermisches Fügen kennt man beispielsweise vom Schweißen oder Löten, wobei beim Löten eine Oberflächenlegierung erzeugt wird, aber das Werkstück in der Tiefe nicht aufgeschmolzen wird, da beim Löten im Unterschied zum Schweißen die Liquidustemperatur der zu verbindenden Materialien kaum oder nicht überschritten wird.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Gattung sind aus der Druckschrift DE 10 2013 013 161 A1 bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Haft- und Schichtfestigkeit einer Oberflächenschicht auf einem Metallsubstrat geprüft. Dafür wird ein Prüfkörper mit der Oberflächenschicht zunächst durch ein thermisches Fügeverfahren, nämlich ein Kurzzeit-Widerstandsschweißen oder ein Kurzzeit-Widerstandslöten, verbunden. Anschließend wird über den Prüfkörper eine Zugkraft auf die Oberflächenschicht ausgeübt. Bei dem bekannten Verfahren wird für das thermische Fügen eine elektrische Spannung zwischen dem Prüfkörper und dem Metallsubstrat und/oder der Oberflächenschicht angelegt, wodurch ein Strom mit einer Stromstärke von über 1000 A fließt. Das beschriebene Verfahren ist also auf leitfähige Materialien des Metallsubstrates und/oder der Oberflächenschicht beschränkt. Weiterhin erfolgt durch den sehr hohen fließenden Strom während des Fügens eine enorme, lokal ausgedehnte Erwärmung des Metallsubstrates und der Oberflächenschicht, wodurch sich Veränderungen in einem Gefüge zwischen dem Metallsubstrat und der Oberflächenschicht ergeben können. Dadurch kann die Prüfung der Haft- und/oder Schichtfestigkeit verfälscht werden.
In der Druckschrift US 2011/0277555 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Abreißfestigkeit eines Lotbumps von einer Halbleiteranordnung offenbart, bei dem eine beispielsweise aus Kupfer bestehende heiße Sondenspitze in den Lotbump eingeschmolzen wird. Anschließend wird der Testkörper nicht mehr beheizt, sodass der Lotbump langsam erkaltet und der Testkörper mit dem erstarrten Lot verbunden wird. Daraufhin wird durch den Testkörper eine Zugkraft auf das Lot ausgeübt, wobei die Sondenspitze mit anlegiertem Lotbump vom Untergrund abgerissen wird. Diese Vorgehensweise besitzt den Nachteil, dass durch das Beheizen des gesamten Testkörpers und das Eindrücken in den Lotbump Veränderungen des Lotbumps sowie der Verbindungsstelle des Lotbumps mit der Halbleiteranordnung entstehen können. Insbesondere ist nicht ausgeschlossen, dass die Sondenspitze zu tief in den Lotbump oder gar in das darunter liegende Substrat eindringt. Außerdem wird die Fügestelle durch die Variation der Krafteinleitung beim Abreißen der Sondenspitze dynamisch belastet, sodass auch hierdurch die Messwerte verfälscht werden können und nicht die tatsächliche Bondfestigkeit widerspiegeln. Auch die Versagensmechanismen, die durch diesen Test identifiziert werden, können durch eine zu hohe Temperatur und/oder eine zu hohe Eindringtiefe der Sondenspitze verfälscht sein.
In der Druckschrift US 6,237,422 B1 ist ein Verfahren zum Durchführen eines sogenannten kalten Zugtestes an einem Lotbump auf einem Halbleiterbauteil aufgezeigt, bei dem der Lotbump zangenartig seitlich gegriffen wird und anschließend eine Zugkraft auf den Lotbump ausgeübt wird, um den Lotbump vom Bauteil abzuziehen. Durch das zangenartige Klemmen des Lotbumps wird das Material des Lotbumps von der Seite mechanisch beansprucht, wobei Risse an der Grenzfläche zwischen Lotbump und Bauteil oder auch in den Lotbump selbst eingebracht werden können, wodurch die messbare Zugkraft und beobachtbare Versagensmechanismen verfälscht werden. Ein weiterer negativer Aspekt dieses Verfahrens ist das Wirken unbestimmter seitlicher Scherkräfte auf den Lotbump beim Zugtest.
Darüber hinaus sind in den Druckschriften US 6,341,530 B1 , US 7,905,152 B und EP 2 570 790 A2 Verfahren und Werkzeuge für Lotbump-Schertests enthalten, in welchen eine seitliche Kraft auf einen auf einem Substrat aufgebrachten Lotbump ausgeübt wird. Dabei wird ein Werkzeug nahe der Substratoberfläche positioniert und mit einer horizontalen Bewegung gegen den zu testenden Lotbump oder auch gegen ein Lotbumparray gefahren, wobei unterschiedliche Werkzeuggeometrien, Angriffswinkel und Prozessparameter vorgeschlagen werden.
Zudem ist aus der Druckschrift US 7,555,961 B2 ein Verfahren bekannt, bei dem ein Werkzeug in einen sogenannten Passivierungslayer auf einem Substrat eindringt und damit den Krafteinleitungspunkt für den Schertest näher an die eigentliche Fügezone verschiebt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prüfvorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit eines auf einem Substrat aufgebrachten Testmaterials vorzuschlagen, bei welchen ein Prüfkörper derart stabil mit dem Testmaterial verbunden werden kann, dass das Testmaterial mit Hilfe des Prüfkörpers vom Substrat abgerissen werden kann, und trotzdem eine zuverlässige, im Wesentlichen unverfälschte Bestimmung der Abreißfestigkeit des Testmaterials auf dem Substrat möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Prüfvorrichtung zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit mit einem auf einem Substrat aufgebrachten und eine Fügeoberfläche aufweisenden Testmaterial und einem wenigstens eine Prüffläche aufweisenden Prüfkörper, gelöst, wobei auf der Prüffläche und/oder auf der Fügeoberfläche wenigstens zwei miteinander exotherm reagierende Materiallagen vorgesehen sind, und die Materiallagen mit einer Initiiereinrichtung zur Initiierung einer selbstausbreitenden Reaktion der Materiallagen gekoppelt oder koppelbar sind.
Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung nutzt zur Charakterisierung der Abreiß- bzw. Haftfestigkeit des auf dem Substrat aufgebrachten Testmaterials einen Fügevorgang zum Anbinden des Prüfkörpers an das Testmaterial auf Basis exotherm miteinander reagierender Materiallagen, sogenannten reaktiver Materialsysteme (RMS). Als derartige reaktive Materialsysteme können in einer speziellen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Multilagensysteme, die aus einer Vielzahl von wenigen Nanometern dicken alternierenden Schichten ausgebildet sind, zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial eingesetzt werden.
Zwischen der Prüffläche des Prüfkörpers und der Fügeoberfläche des Testmaterials sind also bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung wenigstens zwei miteinander exotherm reagierende Materialien in Form von Lagen oder Schichten vorgesehen. Im Fall von mehr als zwei Materiallagen sind diese vorteilhafterweise alternierend angeordnet. Die alternierende Anordnung kann dabei übereinander, also als vertikaler Schichtstapel, als auch nebeneinander, beispielsweise in Form von ineinander greifenden Strukturen, vorgesehen sein. Dadurch ist eine Diffusionslänge zwischen den miteinander reagierenden Materiallagen gering, nämlich im Rahmen der Schichtdicke einer Materiallage. Somit ist eine Reaktionszeit der zum thermischen Fügen genutzten Reaktion kurz, wodurch das Fügen nur wenige Millisekunden dauert.
Weiterhin werden die Materialien der sich abwechselnden Materiallagen erfindungsgemäß so ausgewählt, dass diese miteinander exotherm reagieren und die Reaktion sich nach einer Initiierung selbst ausbreitet. Als Materialien für die Materiallagen kommen beispielsweise Al in Kombination mit CuO_x, Fe₂O₃, Ni, Pd, Pt und Zr, aber auch mit Ti/B, Ti/Si, Zr/Si, Ni/Si, Pd/Si, Pd/Sn, Pd/Zn, Pt/Sn und Pt/Zn in Betracht.
Bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist eine Kopplung der Materiallagen mit einer Initiiereinrichtung vorgesehen. Durch die Initiiereinrichtung kann den Materiallagen einmalig Energie zugeführt werden, um die exotherme Reaktion der Materiallagen zu initiieren. Die selbstausbreitende Reaktion kann anschließend eine ausreichend große Reaktionswärme liefern, welche das thermische Fügen ermöglicht. Dadurch wird nur so viel Energie in die Materiallagen eingebracht und durch die Reaktion der Materiallagen freigesetzt, wie es für das thermische Fügen notwendig ist. Somit kann ein Überschuss eines Wärmeeintrages in das Testmaterial und in das Substrat vermieden werden, um Verfälschungen der Abreißfestigkeit zu vermeiden.
So muss beispielsweise bei der vorliegenden Erfindung nur ein kleiner Bereich der Materiallagen oder eines Schichtstapels dieser Materiallagen auf eine für die Initiierung der exothermen Reaktion notwendige Temperatur erwärmt werden. Nach der lokalen Initiierung der exothermen Reaktion werden zu diesem Bereich benachbarte Atome der aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Materiallagen zur Bildung intermetallischer Phasen angeregt. Die Diffusionsrichtung verläuft dabei senkrecht zu den Einzelschichten der Materiallagen. Dabei kann vereinfachend angenommen werden, dass sich die Reaktionstemperatur sehr schnell über die Gesamthöhe der Materiallagen ausbreitet, sodass die Wärme in dieser Richtung einheitlich generiert wird. Die damit erzeugte thermische Energie regt weitere Atome zur Diffusion an, wobei die Wärme entlang der Einzelschichten der Materiallagen weitergeleitet wird. Wird Energie in der entstandenen Reaktionszone schneller generiert, als diese dem System entzogen wird, breitet sich diese mit einem selbst ausbreitenden Charakteristikum durch das unreagierte Material der Materiallagen aus. Für eine Selbstausbreitung ist es bei der vorliegenden Erfindung von Vorteil, aber keine Bedingung, wenn die Vermischungswärme bzw. die Standardbildungsenthalpie der aus den Materiallagen gebildeten Reaktionspartnern mindestens – 30 kJ/mol-Atom beträgt.
Nach Initiierung der Reaktion zwischen den Materiallagen führt die freiwerdende Reaktionswärme zum wenigstens teilweisen Auf- oder Anschmelzen zumindest der Prüffläche des Prüfkörpers und/oder zumindest der Fügeoberfläche des Testmaterials und/oder von wenigstens einer zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial vorgesehenen Weich- oder Hartlotschicht und nach dem nachfolgenden Abkühlen zur Erzeugung einer besonders stabilen, stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial, die vorzugsweise stärker als die Anbindung des Testmaterials auf dem Substrat ist. Wird ein Lot zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial eingesetzt, kann zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial auch wenigstens eine Lotbenetzungsschicht vorgesehen sein.
Aufgrund der Reaktionscharakteristika, wie sehr schnellen Aufwärm- und Abkühlraten und hohen Reaktionsgeschwindigkeiten, erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Wärmeeinbringung ausschließlich in unmittelbarer Nähe der exothermen Reaktion, also genau in den Verbindungsbereich zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial, sodass die bei der Reaktion entstehenden Wärme den zu testenden Verbindungsbereich zwischen dem Substrat und dem Testmaterial wenig bis gar nicht beeinflusst. Dies gilt auch dann, wenn das Testmaterial eine geringe Dicke aufweist oder nur lokal begrenzt auf dem Substrat vorliegt.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die bei der exothermen Reaktion der Materiallagen freiwerdende Wärmemenge durch die Menge des Schichtmaterials, also die Anzahl und Dicke der Materiallagen, begrenzt und kontrolliert werden kann, sodass die für die thermisch induzierte Verbindungsbildung nötige Temperaturerhöhung nur sehr kurzzeitig auftritt. Auf diese Weise kann die Reaktion zwischen den Materiallagen so gesteuert werden, dass eine thermische Schädigung der Verbindungsstelle zwischen dem Substrat und dem Testmaterial und/oder des Testmaterials selbst und/oder des Substrates vermieden werden kann.
Während es grundsätzlich bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung auch möglich ist, als reaktive Materiallagen reaktive Folien einzusetzen, sind bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung die Materiallagen direkt auf der Prüffläche und/oder der Fügeoberfläche abgeschieden. Dadurch können in relativ geringer Zeit die Materiallagen in alterniernder Weise mit hoher Qualität ausgebildet werden. Zudem können die Materiallagen mit äußerst geringer Schichtdicke ausgebildet werden. So sind beispielsweise Materiallagen mit einer Schichtdicke im Nanometerbereich möglich, wodurch die Fügezone zwischen der Prüffläche und der Fügeoberfläche beispielsweise auch weniger als 1 µm dick ausgebildet werden kann, wobei je nach Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung die Fügezone auch dünner oder dicker, also auch beispielsweise 2 µm bis 40 µm dick, sein kann. Ferner ergibt sich durch die Abscheidung der Materiallagen die Möglichkeit, die Materiallagen an eine Geometrie und/oder eine Oberflächenrauheit der Prüffläche und/oder der Fügeoberfläche anzupassen. Dadurch kann vorteilhaft die durch die exotherme Reaktion entstehende Wärme örtlich begrenzt werden. Außerdem können dadurch Geometrien des Prüfkörpers und/oder des Testmaterials verwendet werden, welche mit herkömmlichen Verfahren kaum zu verbinden sind.
Weiterhin können die Materiallagen auch an Positionen des Prüfkörpers außerhalb der Prüffläche abgeschieden sein, beispielsweise an einer Seitenfläche des Prüfkörpers. Besteht eine Verbindung der Materiallagen an der Seitenfläche mit den Materiallagen an der Prüffläche, so ist beispielsweise die Initiierung der exothermen Reaktion der Materiallagen an der Seitenfläche möglich, sodass eine Beeinflussung des Testmaterials oder des Substrats durch die Initiierung verhindert werden kann. Außerdem kann ein Bereich, in dem das thermische Fügen erfolgen soll, in bestimmten Fällen nur schlecht zugänglich sein. Eine von den zu fügenden Flächen entfernte Initiierung kann in einem solchen Fall vorteilhaft von einer besser zugänglichen Position aus erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist das Testmaterial wenigstens eine auf dem Substrat vorgesehene Schicht mit einer Gesamtschichtdicke ≤ 2 µm, bevorzugt von ≤ 500 nm, besonders bevorzugt von ≤ 200 nm. Mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung können also insbesondere auf dem Substrat ausgedehnt aufgebrachte Dünnschichten hinsichtlich ihrer Abreißfestigkeit charakterisiert werden. Derartige Dünnschichten als Testmaterial können beispielsweise Passivierungsschichten, Reflexionsschichten oder auch elektronisch funktionale Schichten eines Transistors sein.
In einer weiteren, ebenfalls sehr vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist das Testmaterial wenigstens ein auf dem Substrat vorgesehener Lothügel mit einem Gesamtdurchmesser von weniger als 100 µm, bevorzugt von weniger als 50 µm, besonders bevorzugt von weniger als 5 µm. Mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung können also in vorteilhafter Weise auch Lothügel mit geringem Durchmesser, wie sie beispielsweise als Lotbumps auf Leiterplatten Verwendung finden, auf ihre Abreißfestigkeit geprüft werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung weist die Prüffläche eine an die Oberflächenform des Lothügels angepasste Form auf. Hierfür weist die Prüffläche vorzugsweise eine konkave Form auf. Hierdurch ergibt sich eine besonders große Kontaktfläche zwischen dem Prüfkörper und als Testmaterial verwendeten Lothügel, sodass eine besonders starke, reißfeste Fügeverbindung zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial ausgebildet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung weist die Initiiereinrichtung wenigstens einen gegen die Materiallagen pressbaren elektrischen Kontakt auf. Besonders bevorzugt kommen hierbei zwei elktrische Kontakte zum Einsatz. Durch den oder die elektrischen Kontakt(e) kann ein Potenzial bzw. eine Spannung an die Materiallagen angelegt werden, sodass ein elektrischer Strom fließen kann. Der elektrische Strom kann dabei vorteilhaft zur Initiierung der exothermen Reaktion führen. In einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung kann die Dauer eines Stromflusses für die Initiierung nur wenige Millisekunden oder sogar weniger als 1 ms andauern.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung weist die Initiiereinrichtung eine Greifeinrichtung zum Wegziehen des Prüfkörpers von dem Substrat auf. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann durch die Initiiereinrichtung nicht nur die Initiierung der exothermen Reaktion zwischen den Materiallagen, sondern auch das Abreißen des Prüfkörpers von dem Substrat realisiert werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist der Prüfkörper in Form eines Prüfstempels, der einen Gegenhalt für die Greifeinrichtung aufweist, ausgebildet. Ein solcher Prüfstempel kann beispielsweise an einem von dem Testmaterial entfernten Ende wenigstens eine Verbreiterung als Gegenhalt aufweisen, beispielsweise T-förmig ausgebildet sein. Die Greifeinrichtung kann eine zu dem Prüfstempel weisende Öffnung aufweisen, welche bei einer Annäherung an den Prüfstempel diesen bzw. einen Teil davon, wie beispielsweise die beispielhaft als Gegenhalt genannte Verbreiterung, umgreifen kann. In der Öffnung weist die Greifeinrichtung dabei bevorzugt ein mit dem Gegenhalt wechselwirkendes Halteelement auf, sodass nach einem erfolgten Umgreifen des Prüfstempels dieser von der Initiiereinrichtung in einer arretierten Stellung fest umgriffen wird. Dadurch kann leicht mithilfe der Initiiereinrichtung der Prüfkörper von dem Testmaterial und dem Substrat weggezogen werden.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit eines auf einem Substrat aufgebrachten Testmaterials gelöst, wobei wenigstens eine Prüffläche eines Prüfkörpers mit einer Fügeoberfläche des Testmaterials durch thermisches Fügen verbunden wird, anschließend über den Prüfkörper eine Zug- und/oder Scherkraft auf das Testmaterial ausgeübt wird, bis das Testmaterial wenigstens teilweise von dem Substrat abgelöst wird, wenigstens zwei miteinander exotherm reagierende Materiallagen eines reaktiven Mehrschichtsystems auf der Prüffläche und/oder auf der Fügeoberfläche aufgebracht werden und eine selbstausbreitende Reaktion der Materiallagen initiiert wird.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass zwischen der Prüffläche des Prüfkörpers und der Fügeoberfläche des Testmaterials wenigstens zwei miteinander exotherm reagierende Materialien in Form von Materiallagen, also Lagen oder Schichten, die unstrukturiert oder strukturiert sein können, angeordnet werden. Die Materiallagen können sehr dünn, beispielsweise mit einer Schichtdicke von jeweils 10 nm bis 1000 nm, ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich in günstiger Weise eine dünne Fügezone zwischen der Prüffläche und der Fügeoberfläche von beispielsweise etwa 1 oder 2 µm bis 40 µm. Die Fügezone kann bei Bedarf auch dünner als 1 µm, beispielsweise ≤ 500 nm, ausgebildet werden. Wenn mehr als zwei Materiallagen aufgebracht werden, so werden diese vorteilhaft alternierend, also abwechselnd angeordnet. Die Materiallagen können als übereinander geschichtete reaktive Folien oder auch als über- oder nebeneinander angeordnete abgeschiedene Schichten oder Schichtstrukturen vorgesehen werden. Dadurch wird eine Diffusionslänge zwischen den miteinander reagierenden Materiallagen klein gehalten, nämlich im Rahmen der Schichtdicke einer Materiallage, die vorzugsweise im Nanometerbereich liegt. Damit ist eine Reaktionszeit der zum thermischen Fügen verwendeten Reaktion kurz, wodurch das Fügen innerhalb weniger Millisekunden beendet werden kann.
Weiterhin werden die Materialien der sich abwechselnden Materiallagen so ausgewählt, dass diese miteinander exotherm reagieren und die Reaktion sich nach einer Initiierung selbst ausbreitet. Als Materialien für die Materiallagen können beispielsweise Al in Kombination mit CuO_x, Fe₂O₃, Ni, Pd, Pt und Zr, aber auch mit Ti/B, Ti/Si, Zr/Si, Ni/Si, Pd/Si, Pd/Sn, Pd/Zn, Pt/Sn und Pt/Zn verwendet werden. Solche Materialkombinationen werden bei entsprechend geringer Materialdicke der Einzellagen im Nanometerbereich auch integrierte nanoskalige und exotherm reagierende Materialsysteme (iRMS) genannt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muss für das thermische Fügen lediglich einmalig von außen Energie zugeführt werden, um die Reaktion der Materiallagen zu initiieren. Die einzelnen Materiallagen bestehen aus Materialien, deren Mischung zu einer exothermen Reaktion führt. Zur Initiierung einer selbstausbreitenden Reaktion muss nur einem kleinen Bereich innerhalb der Materiallagen eine für eine jeweilige Initialreaktion zwischen den Materialien der Materiallagen charakteristische Energie zugeführt werden. Nach der lokalen Initiierung werden Atome aus den benachbarten Materiallagen beispielsweise zur Bildung einer intermetallischen Phase oder zu einer Redoxreaktion angeregt. Die Diffusionsrichtung verläuft dabei senkrecht zu den Materiallagen, also lotrecht zu der Prüffläche. Die Reaktion liefert eine große Reaktionswärme, vorzugsweise ist die Reaktionsenthalpie wenigstens – 30 kJ/mol, kann jedoch auch betragsmäßig geringer sein. Die damit erzeugte thermische Energie regt weitere Atome zur Diffusion und Bildung der intermetallischen Phase bzw. zu der Redoxreaktion an. Die Reaktion breitet sich dadurch selbst durch die Materiallagen aus.
Durch die entstehende Reaktionswärme wird weiterhin das thermische Fügen ermöglicht. Eine Wärmeeinbringung in den Prüfkörper und das Testmaterial erfolgt dabei nur in unmittelbarer Nähe der exothermen Reaktion, da die Reaktion durch sehr schnelle Aufwärm- und Abkühlraten gekennzeichnet ist. Außerdem kann die frei werdende Wärmemenge durch die Anzahl und die Schichtdicke der Materiallagen gesteuert werden. Dadurch kann eine thermische Schädigung temperaturempfindlicher Substrate vermieden werden. Weiterhin wird somit eine Beeinflussung des Substrates und einer Verbindungsschicht zwischen dem Substrat und dem Testmaterial vermieden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Toleranz unterschiedlichster Materialien für den Prüfkörper sowie des Testmaterials und des Substrates. Beispielsweise können die Materiallagen so ausgewählt werden, dass diese während der exothermen Reaktion flüssig werden und somit auch eine Rauheit der Prüffläche und der Fügeoberfläche ausgleichen können. Außerdem erfolgt das thermische Fügen nach einer Initiierung der Reaktionspartner anstelle durch eine Erwärmung des Prüfkörpers und/oder des Testmaterials. Im Gegensatz zum Widerstandslöten oder -schweißen ist somit eine Leitfähigkeit des Prüfkörpers, des Testmaterials und/oder des Substrates vernachlässigbar. Als Substrat(e) können also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise Stahlträger, Bleche, Gläser, Leiterplatten (z. B. FR4, LTCC), Polymerfolien (z. B. PMMA, PDMS) und/oder schwer lötbare Materialien (z. B. Al), aber auch mikroskopische Bauteile, wie beispielsweise Leuchtdioden, Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme (MEMS) aller Art (z. B. Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Neigungssensoren, Feuchtesensoren), Mikro-Opto-Elektro-Mechanische-Systeme (MOEMS) aller Art (z. B. Mikrospiegel, Mikrobolometer, optische Schalter) und Wafer (z. B. Si, Glas, GaAs, Keramik, LiTaO₃, LiNbO₃, Quartz) mit optional unterschiedlichen Funktionsschichten (z. B. PZT, Leitbahnen (z. B. Al, Au, Cu, Pt), GaAs) und/oder Strukturen (z. B. MEMS, MOEMS) verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktion der Materiallagen elektrisch, thermisch, elektro-magnetisch, magnetisch, mechanisch und/oder optisch initiiert. Für die Initiierung der exothermen Reaktion wird also Energie in die Materiallagen eingetragen. Die Art der Initiierung, also wie die Energie in die Materiallagen eingetragen wird, kann auf die verwendeten Materiallagen und/oder die zu fügenden Materialien des Prüfkörpers und des Testmaterials abgestimmt werden. Es bestehen somit vielfältige Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren auf unterschiedlichsten Materialien anzuwenden.
Bei einer Option des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es von Vorteil sein, wenn auf das Testmaterial vor dem thermischen Fügen wenigstens eine Lot- und/oder wenigstens eine Benetzungsschicht aufgebracht wird. Die Lot- und/oder Benetzungsschicht kann vorteilhaft die Fügeverbindung verbessern. Beispielsweise kann Gold als Benetzungsschicht auf das Testmaterial aufgetragen werden, da Gold gute Benetzungseigenschaften einerseits und einen niedrigen Schmelzpunkt andererseits aufweist. Somit ist es sehr gut zum thermischen Fügen geeignet.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird/werden die Prüffläche und/oder die Fügeoberfläche vor dem thermischen Fügen durch Erhebungen und/oder Vertiefungen strukturiert. Dadurch ergibt sich eine vergrößerte Oberfläche zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial, wodurch die Fügeverbindung eine höhere Festigkeit aufweist als bei einer planen, nicht strukturierten Prüffläche und/oder Fügeoberfläche. Es kann somit eine Scherfestigkeit von 30 MPa bis 400 MPa erreicht werden. Insbesondere bei der Ermittlung der Abreißfestigkeit einer Lotkugel von einem Substrat ist eine derartig strukturierte Prüffläche von Vorteil.
Vorteilhafterweise werden die Materiallagen durch chemische und/oder physikalische Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung, elektrochemische Abscheidung und/oder ein Druckverfahren erzeugt, wobei die Materiallagen in einer Abscheidung oder in wenigstens zwei nacheinander erfolgenden Abscheidungen erzeugt werden. Durch die chemische und physikalische Gasphasenabscheidungen, auch chemical vapor deposition (CVD) und physical vapor deposition (PVD) genannt, können sehr dünne Materiallagen im Nanometerbereich erzeugt werden. Die Atomlagenabscheidung, auch atomic layer deposition (ALD) genannt, ist ein Spezialfall der CVD und ermöglicht sogar eine hinsichtlich einer entstehenden Schichtdicke der Materiallage nanometergenaue Abscheidung von Dünnschichten. Insbesondere bei der ALD sind die benötigten Gasmengen sehr hoch. Die CVD, PVD und ALD müssen jeweils in Inertgas- oder Vakuumkammern durchgeführt werden. Bei der elektrochemischen Abscheidung können in einem Elektrolysebad durch Elektrolyse ebenfalls gezielt Dünnschichten abgeschieden werden, wobei die Dicke der Schicht durch die Stromstärke und die Zeitdauer der elektrochemischen Abscheidung kontrolliert werden kann. Das Substrat muss hierfür leitfähig oder leitfähig beschichtet sein. Bei einem Druckverfahren zur Erzeugung der Materiallagen können beispielsweise Vorstufen der Materialien für die Materiallagen in Lösung oder Dispersion auf dem Substrat aufgebracht werden, wobei die Materiallage in einem anschließenden Reaktionsprozess gebildet wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile sind im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
1 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit einem Prüfkörper mit darauf aufgebrachtem Mehrschichtsystem über einem auf einem Substrat befindlichen Testmaterial vor einem thermischen Fügen in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
2 schematisch eine Detailansicht des zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial angeordneten, aus mehreren abwechselnden Materiallagen aufgebauten Mehrschichtsystems der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung aus 1 in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
3 schematisch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung aus 1 und 2 bei einer Initiierung einer exothermen Reaktion zwischen Materiallagen des Mehrschichtsystems in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
4 schematisch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung aus den 1 bis 3 nach der exothermen Reaktion mit einer zwischen dem Prüfkörper und dem Testmaterial ausgebildeten Fügezone in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
5 schematisch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung aus den 1 bis 4 nach einem Zugtest in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
6 schematisch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung aus den 1 bis 4 mit anderen Materialeigenschaften als in 5 nach einem alternativen Zugtest in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
7 schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit einem Prüfkörper mit Mehrschichtsystem über einem auf einem Substrat befindlichen Testmaterial, welches von einer Benetzungsschicht bedeckt ist, vor einem thermischen Fügen in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
8 schematisch eine Ausführungsform eines bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung verwendbaren Prüfkörpers mit einer an einen Lothügel als Testmaterial angepassten Prüffläche in einer Seitenansicht zeigt; und
9 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit einem Prüfkörpers in Form eines Prüfstempels mit einem Gegenhalt sowie einer mit dem Prüfstempel verbundenen Initiiereinrichtung, welche eine Greifeinrichtung zum Umgreifen des Prüfstempels aufweist, in einer Querschnittsdarstellung zeigt.
1 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 10. Die Prüfvorrichtung 10 weist in dem Ausführungsbeispiel von 1 als hinsichtlich seiner Abreißfestigkeit zu testendes Testmaterial 2 ein auf einem Substrat 1 aufgebrachtes Testmaterial 2 in Form einer ausgedehnten Dünnschicht auf. Eine derartige Dünnschicht kann eine Schichtdicke von weniger als 500 nm aufweisen. Eine substratabgewandte Oberfläche des Testmaterials 2 ist als eine Fügeoberfläche 5 ausgebildet. Die Fügeoberfläche 5 ist also die Oberfläche des Testmaterials 2, welche von außerhalb zugänglich ist, beispielsweise für eine Materialprüfung. Die Dünnschicht kann beispielsweise eine Passivierungsschicht, eine Reflexionsschicht oder auch eine elektronisch funktionale Schicht eines Transistors sein.
Ferner weist die Prüfvorrichtung 10 einen benachbart zu der Fügeoberfläche 5 angeordneten Prüfkörper 4 auf. Der Prüfkörper 4 ist also in dem Beispiel von 1 oberhalb des Substrates 1 und des Testmaterials 2 vorgesehen. An einer dem Testmaterial 2 zugewandten Seite des Prüfkörpers 4 weist dieser eine Prüffläche 3 auf. Für eine Prüfung der Abreißfestigkeit des Testmaterials 2 von dem Substrat 1 mit dem Prüfkörper 4 wird erfindungsgemäß eine Verbindung zwischen der Prüffläche 3 des Prüfkörpers 4 und der Fügeoberfläche 5 des Testmaterials 2 hergestellt. Dafür weist die Prüfvorrichtung 10 zwischen der Prüffläche 3 und der Fügeoberfläche 5 ein reaktives Mehrschichtsystem 7 auf.
Das reaktive Mehrschichtsystem 7 kann in einer exothermen Reaktion ein thermisches Fügen der Prüffläche 3 mit der Fügeoberfläche 5 bewirken, wodurch der Prüfkörper 4 mit dem Testmaterial 2 stoffschlüssig verbunden wird. Das Mehrschichtsystem 7 erstreckt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel außer an der Prüffläche 3 weiterhin in einem unteren, seitlichen Bereich des Prüfkörpers 4, welcher dem Testmaterial 2 zugewandt ist. Das reaktive Mehrschichtsystem 7 ist dabei durchgehend ausgebildet, der mit der Prüffläche 3 in Kontakt stehende Bereich des reaktiven Mehrschichtsystems 7 ist also mit den an den seitlichen Bereichen des Prüfkörpers 4 angeordneten Bereichen des Mehrschichtsystems 7 verbunden.
In 2 ist ein detaillierter Ausschnitt des zwischen dem Prüfkörper 4 und dem Testmaterial 2 angeordneten reaktiven Mehrschichtsystems 7 entsprechend dem Ausführungsbeispiel aus 1 gezeigt. Das reaktive Mehrschichtsystem 7 besteht aus alternierend übereinander angeordneten, miteinander exotherm reagierenden Materiallagen 6, 6‘, wovon in 2 beispielhaft nur einzelne Materiallagen 6, 6‘ dargestellt sind. Tatsächlich ist das Mehrschichtsystem 7 aus einer Vielzahl von Materiallagen 6, 6‘ ausgebildet. Eine erste Materiallage 6 erstreckt sich entlang der Kontur des Prüfkörpers 4, bedeckt dabei die Prüffläche 3 und reicht an wenigstens einer Seitenfläche des Prüfkörpers 4 über die Prüffläche 3 hinaus. Entlang dieser ersten Materiallage 6 erstreckt sich eine zweite Materiallage 6‘, wobei die zweite Materiallage 6‘ der Kontur der ersten Materiallage 6 folgt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurden die Materiallagen 6, 6' auf dem Prüfkörper 4 abgeschieden, um der Kontur des Prüfkörpers 4 zu entsprechen. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen können die Materiallagen 6, 6‘ zusätzlich oder alternativ auf dem Testmaterial 2 abgeschieden sein oder werden oder vollkommen ohne eine Abscheidung zwischen der Prüffläche 3 und der Fügeoberfläche 5, beispielsweise in Form eines Stapels reaktiver Folien, angeordnet werden oder sein.
In 3 ist die Prüfvorrichtung 10 aus 1 gezeigt, wobei an einer Seitenfläche des Prüfkörpers 4 ein Energieeintrag in das reaktive Mehrschichtsystem 7 erfolgt. Der Energieeintrag dient zur Initiierung einer exothermen Reaktion der Materiallagen 6, 6‘ und kann beispielsweise mechanisch, elektrisch, optisch, magnetisch, elektromagnetisch und/oder thermisch erfolgen. Aufgrund der Initiierung an der Seitenfläche des Prüfkörpers 4 kann anschließend das gesamte Mehrschichtsystem 7 in einer selbstausbreitenden Reaktion exotherm reagieren, also Wärme frei setzen. Diese entstehende Reaktionswärme schmilzt den Prüfkörper 4 an der Prüffläche 3 und das Testmaterial 2 an der Fügeoberfläche 5 oberflächlich an. Die geschmolzenen Bereiche können anschließend ineinander diffundieren. Nach einer Abkühlung erfolgt eine Erstarrung der angeschmolzenen Bereiche, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Prüfkörper 4, den Materiallagen 6, 6‘ und dem Testmaterial 2 hergestellt wird. Die entstehende Reaktionswärme ist durch die Anzahl der Materiallagen 6, 6‘ sowie deren jeweilige Schichtdicke begrenzt und abgestimmt auf den zu fügenden Prüfkörper 4 und das zu fügende Testmaterial 2 gezielt einstellbar.
Das Vorhandensein des reaktiven Mehrschichtsystems 7 an der Seitenfläche des Prüfkörpers 4 ist insbesondere für die Initiierung vorteilhaft, da diese so ebenfalls an der Seitenfläche des Prüfkörpers 4 erfolgen kann und nicht zwischen den zu fügenden Flächen, der Prüffläche 3 und der Fügeoberfläche 5, erfolgen muss. Damit kann eine Beeinflussung des Testmaterials 2 und des Substrates 1 durch den Energieeintrag bei der Initiierung ausgeschlossen werden. Zweckmäßigerweise soll eine Verbindung zwischen dem Substrat 1 und dem Testmaterial 2 möglichst wenig beeinflusst werden. Außerdem kann die Seitenfläche des Prüfkörpers 4 für die Initiierung wesentlich besser zugänglich sein als die Prüffläche 3 oder die Fügeoberfläche 5. Grundsätzlich kann jedoch auch das reaktive Mehrschichtsystem 7 bei der vorliegenden Erfindung auch nur zwischen dem Prüfkörper 4 und dem Testmaterial 2 vorgesehen sein.
In 4 zeigt die Prüfvorrichtung 10 aus den 1 bis 3 nach der exothermen Reaktion der Materiallagen 6, 6‘ in einer Querschnittsdarstellung. Zwischen dem Prüfkörper 4 und dem Testmaterial 2 liegt nun eine Fügezone 71 vor, welche den Prüfkörper 4 mit dem Testmaterial 2 stoffschlüssig verbindet. Die Fügezone 71 ist aus dem thermischen Fügen der Materiallagen 6, 6‘ hervorgegangen, enthält also als Material ein Gemisch aus den Materialien der Materiallagen 6, 6‘ sowie des Testmaterials 2 und des Prüfkörpers 4. Zur Ermittlung der Abreißfestigkeit des Testmaterials 2 von dem Substrat 1 kann nun über den Prüfkörper 4 eine Zug- und/oder Scherkraft auf das Testmaterial 2 vermittelt werden.
Ein mögliches Resultat eines solchen Zugtests an der Prüfvorrichtung 10 ist in 5 im Querschnitt dargestellt. Durch ein Wegziehen des Prüfkörpers 4 von dem Substrat 1 und dem Testmaterial 2 wurde eine Zugbelastung auf das Testmaterial 2, die Verbindung zwischen dem Testmaterial 2 und dem Substrat 1 sowie das Substrat 1 so lange ausgeübt, bis sich das Testmaterial 2 wenigstens teilweise von dem Substrat 1 abgelöst hat. In dem in 5 gezeigten Beispiel erfolgte dieses Ablösen innerhalb des Testmaterials 2, es haftet also ein Bruchstück von dem Testmaterial 2 an der Fügezone 71 an dem Prüfkörper 4, während an dem Substrat 1 beschädigtes Testmaterial 2 verbleibt. Das Bruchstück des Testmaterials 2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel unregelmäßig geformt, weist insbesondere Zacken und Grate auf. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass das Ablösen auch innerhalb des Substrates 1 erfolgen kann, sodass an der Fügezone 71 an dem Prüfkörper 4 Bruchstücke des Testmaterials 2 sowie des Substrates 1 haften.
Ein weiteres mögliches Ergebnis eines Zugtests an einer hinsichtlich der Materialieneigenschaften gegenüber der Ausführungsform aus 5 modifizierten erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 10‘ ist in 6 gezeigt. In 5 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den 1 bis 4 gleiche oder ähnliche Komponenten, wobei an dieser Stelle auf die vorhergehenden Ausführungen zu diesen Komponenten verwiesen wird. Bei der Prüfvorrichtung 10‘ wurde das Testmaterial 2 in dem Bereich, in dem es durch die Fügezone 71 mit dem Prüfkörper 4 verbunden ist, durch eine Delamination von dem Substrat 1 getrennt. Es verbleibt also lediglich in Regionen, in denen das Testmaterial 2 nicht mit dem Prüfkörper 4 oder der Fügezone 71 verbunden ist, Testmaterial 2 auf dem Substrat 1. In dem Bereich, wo das Testmaterial 2 mit der Fügezone 71 verbunden ist, wurde das Testmaterial 2 restlos von dem Substrat 1 abgelöst. Eine derartig genaue Ablösung des Testmaterials 2 von dem Substrat 1 ist insbesondere dann möglich, wenn das Testmaterial 2 vor dem Zugtest um den Prüfkörper 4 bzw. um die Fügezone 71 herum bis auf das Substrat 1 eingeschnitten wird. Dadurch kann sehr genau die Abreißfestigkeit des Testmaterials 2 von dem Substrat 1 in einem festgelegten Bereich ermittelt werden.
In 7 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 10a in einer Querschnittsdarstellung gezeigt. Wiederum bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten wie in den vorangegangenen Figuren, weshalb hier auf die obige Beschreibung dieser Komponenten verwiesen wird. In der Prüfvorrichtung 10a ist im Unterschied zu den Prüfvorrichtungen 10, 10‘ eine Benetzungsschicht 8 auf dem Testmaterial 2 angeordnet. Anstelle oder zusätzlich zu der Benetzungsschicht 8 kann auch wenigstens eine hier nicht gezeigte Lotschicht zwischen dem Prüfkörper 4 und dem Testmaterial 2 vorgesehen sein. Als Material für die Benetzungsschicht 8 kommen beispielsweise Au, Ag oder Sn in Betracht. Die Benetzungsschicht 8 kann vorteilhafterweise vor dem thermischen Fügen auf das Testmaterial 2 aufgebracht werden, beispielsweise durch eine Abscheidung. Die Benetzungsschicht 8 kann die Verbindung zwischen dem Testmaterial 2 und dem Prüfkörper 4 verbessern, etwa durch einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Testmaterial 2, wodurch das thermische Fügen mithilfe des Mehrschichtsystems 7 vereinfacht werden kann. Außerdem können durch die Benetzungsschicht 8 Unregelmäßigkeiten der Fügeoberfläche 5 des Testmaterials 2 ausgeglichen werden.
8 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 10, 10‘, 10a verwendbaren Prüfkörpers 4 in einer Seitenansicht. Der Prüfkörper 4 weist in dem gezeigten Beispiel eine konkave Prüffläche 3 auf, deren Form an eine hier nicht gezeigte konvexe Fügeoberfläche eines Testmaterials 2‘, das in Form eines Lothügels ausgebildet ist, angepasst ist. Grundsätzlich ist es bei der vorliegenden Erfindung auch möglich, andere geometrischen Anpassungen zwischen dem Prüfkörper 4 bzw. dessen Prüffläche 3 und der Fügeoberfläche 5 des Testmaterials 2, 2‘ vorzunehmen. Beispielsweise können hierfür an der Prüffläche 3 Erhebungen und/oder Vertiefungen vorgesehen sein. Die Erhebungen 9 sind quader- oder zylinderförmig ausgebildet und die Vertiefungen 10 sind als Zwischenräume zwischen den Erhebungen 9 mit einer gleichen Tiefe bzw. Höhe wie die Erhebungen 9 ausgebildet. Alternativ können die Erhebungen 9 und die Vertiefungen 10 voneinander verschiedene Höhen bzw. Tiefen aufweisen. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform können die Erhebungen 9 auch T-förmig oder F-förmig ausgebildet sein, sodass die Erhebungen 9 wenigstens einen Vorsprung aufweisen, welcher parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der Prüffläche 3 verläuft. Durch die Erhebungen 9 und die Vertiefungen 10 wird die Prüffläche 3 strukturiert, wodurch sich die Prüffläche 3 vergrößert. Eine vergrößerte, strukturierte Prüffläche 3 liefert vorteilhaft eine festere Fügeverbindung mit dem Testmaterial 2, 2‘ als eine nicht strukturierte Prüffläche 3. Es ist außerdem ohne weiteres vorstellbar, dass die Fügeoberfläche 5, 5‘ ebenfalls strukturiert ausgebildet sein kann, um eine Festigkeit der Fügeverbindung zwischen dem Prüfkörper 4 und dem Testmaterial 2, 2‘ zu erhöhen.
In 9 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 10b schematisch in einer Querschnittsdarstellung gezeigt. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten wie in den vorangegangenen Figuren, auf deren obige Beschreibung hiermit verwiesen wird. Bei der Prüfvorrichtung 10b wird ein auf einem Substrat 1 angeordnetes Testmaterial 2‘ in Form eines Lothügels hinsichtlich seiner Abreißfestigkeit von dem Substrat 1 geprüft. Der Lothügel oder auch Lotbump besitzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Form eines breit gelaufenen Tropfens, ist also ein im Wesentlichen ovoider Körper. Dadurch ist die Fügeoberfläche 5‘ des Testmaterials 2‘ eine konvex gekrümmte Oberfläche.
Oberhalb des Testmaterials 2‘ ist ein in dem gezeigten Beispiel ankerförmiger Prüfkörper 4 angeordnet. Der Prüfkörper 4 weist zum Testmaterial 2‘ gewandt einen breiten Flansch 41 auf, an dessen Unterseite sich eine Prüffläche 3 des Prüfkörpers 4 befindet. Der breite Flansch 41 und die Prüffläche 3 sind planparallel zu einer dem Prüfkörper 4 zugewandten Oberfläche des Substrates 1 ausgerichtet. Entlang der Prüffläche 3 sowie entlang der weiteren Oberflächen des breiten Flansches 41 ist ein reaktives Mehrschichtsystem 7 vorgesehen. Der Prüfkörper 4 weist weiterhin einen zweiten, schmalen Flansch 42 an einer dem Testmaterial 2‘ abgewandten Seite auf, wobei der schmale Flansch 42 einen Gegenhalt 14 ausbildet. Der breite Flansch 41 und der schmale Flansch 42 sind durch einen Schaft 43 miteinander verbunden, wobei dieser Schaft 43 senkrecht zu den beiden Flanschen 41, 42 verläuft.
Das reaktive Mehrschichtsystem 7 ist von einer der Prüffläche 3 gegenüber liegenden Oberfläche des breiten Flansches 41 über elektrische Kontakte 12 mit einer Initiiereinrichtung 11 verbunden. Die elektrischen Kontakte 12 können flexibel sein, beispielsweise in Form von Drähten. Durch die elektrischen Kontakte 12 ist durch die Initiiereinrichtung 11 eine elektrische Spannung an das reaktive Mehrschichtsystem 7 anlegbar, woraufhin ein elektrischer Strom in dem reaktiven Mehrschichtsystem 7 fließen kann. Aufgrund eines elektrischen Widerstandes des reaktiven Mehrschichtsystems 7 kommt es bei einem Stromfluss zu einer Erwärmung der Materiallagen 6, 6‘. Somit kann eine exotherme Reaktion von Materiallagen 6, 6‘ des reaktiven Mehrschichtsystems 7 mithilfe der Initiiereinrichtung 11 gemäß der Ausführungsform nach 9 elektrisch und/oder thermisch initiiert werden, wobei die Initiierung entfernt von den zu fügenden Flächen 3, 5‘ erfolgt.
Die Initiiereinrichtung 11 ist in 9 in einem oberen Bereich als ein Block ausgebildet, wobei von zwei gegenüber liegenden Außenbereichen der Initiiereinrichtung 11 zangenartig ausgebildete äußere Stege 110 zu dem Substrat 1 weisend ausgebildet sind. Die äußeren Stege 110 sind an einer zu dem Substrat 1 weisenden Unterseite über die elektrischen Kontakte 12 mit dem reaktiven Mehrschichtsystem 7 auf dem Prüfkörper 4 verbunden.
Zwischen den äußeren Stegen 110 reichen weitere, fingerartig ausgebildete innere Stege 111 von der Initiiereinrichtung 11 in Richtung des Substrates 1. Die inneren Stege 111 weisen an einem unteren Ende eine Greifeinrichtung 13 auf, welche zur Aufnahme eines an dem Prüfkörper 4 vorgesehenen Gegenhaltes 14 an den Gegenhalt 14 formangepasst ausgebildet ist. Die beiden inneren Stege 111 sind mit Ausnahme des blockartigen oberen Bereiches der Initiiereinrichtung 11 nicht miteinander verbunden, um für eine Aufnahme des Gegenhalts 14 in der Greifeinrichtung 13 voneinander weg biegbar zu sein. Die Greifeinrichtung 13 ist in Form von den inneren Stegen 111 nach innen weisender Ausstülpungen 112, 113 ausgebildet. Eine obere Ausstülpung 112 dient jeweils als Anschlag für den Gegenhalt 14, eine untere Ausstülpung 113 dient zum Hintergreifen des Gegenhalts 14 und somit zum Sichern des Prüfkörpers 4 in der Greifeinrichtung 13. Nach einer Aufnahme des Gegenhalts 14 des Prüfkörpers 4 durch die Greifeinrichtung 13 kann der Prüfkörper 4 durch die Initiiereinrichtung 11 von dem Substrat 1 und dem Testmaterial 2‘ weggezogen werden und/oder kann durch die Initiiereinrichtung 11 eine Scherkraft über den Prüfkörper 4 auf das Testmaterial 2‘ ausgeübt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013013161 A1 [0007]
US 2011/0277555 A1 [0008]
US 6237422 B1 [0009]
US 6341530 B1 [0010]
US 7905152 B [0010]
EP 2570790 A2 [0010]
US 7555961 B2 [0011]

Claims

Prüfvorrichtung (10, 10‘, 10a, 10b) zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit mit einem auf einem Substrat (1) aufgebrachten und eine Fügeoberfläche (5, 5‘) aufweisenden Testmaterial (2, 2‘) und einem wenigstens eine Prüffläche (3) aufweisenden Prüfkörper (4), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Prüffläche (3) und/oder auf der Fügeoberfläche (5, 5‘) wenigstens zwei miteinander exotherm reagierende Materiallagen (6, 6‘) vorgesehen sind, und die Materiallagen (6, 6‘) mit einer Initiiereinrichtung (11) zur Initiierung einer selbstausbreitenden Reaktion der Materiallagen (6, 6‘) gekoppelt oder koppelbar sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiallagen (6, 6‘) direkt auf der Prüffläche (3) und/oder der Fügeoberfläche (5, 5‘) abgeschieden sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmaterial (2) wenigstens eine auf dem Substrat (1) vorgesehene Schicht mit einer Gesamtschichtdicke ≤ 2 µm ist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmaterial (2‘) wenigstens ein auf dem Substrat (1) vorgesehener Lothügel mit einem Gesamtdurchmesser von weniger als 100 µm ist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüffläche (3) eine an die Oberflächenform des Lothügels angepasste Form aufweist.
Prüfvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Initiiereinrichtung (11) wenigstens einen gegen die Materiallagen pressbaren elektrischen Kontakt (12) aufweist.
Prüfvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Initiiereinrichtung (11) eine Greifeinrichtung (13) zum Wegziehen des Prüfkörpers (4) von dem Substrat (1) aufweist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (4) in Form eines Prüfstempels, der einen Gegenhalt (14) für die Greifeinrichtung (13) aufweist, ausgebildet ist.
Verfahren zur Ermittlung einer Abreißfestigkeit eines auf einem Substrat (1) aufgebrachten Testmaterials (2, 2‘), wobei wenigstens eine Prüffläche (3) eines Prüfkörpers (4) mit einer Fügeoberfläche (5, 5‘) des Testmaterials (2, 2‘) durch thermisches Fügen verbunden wird und anschließend über den Prüfkörper (4) eine Zug- und/oder Scherkraft auf das Testmaterial (2, 2‘) ausgeübt wird, bis das Testmaterial (2, 2‘) wenigstens teilweise von dem Substrat (1) abgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei miteinander exotherm reagierende Materiallagen (6, 6‘) eines reaktiven Mehrschichtsystems (7) auf der Prüffläche (3) und/oder auf der Fügeoberfläche (5, 5‘) aufgebracht werden und eine selbstausbreitende Reaktion der Materiallagen (6, 6‘) initiiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiallagen (6, 6‘) direkt auf der Prüffläche (3) und/oder der Fügeoberfläche (5, 5‘) abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion der Materiallagen (6, 6‘) elektrisch, thermisch, elektromagnetisch, magnetisch, mechanisch und/oder optisch initiiert wird.