Indentation zur Ermittlung elastisch-plastischer Werkstoffeigenschaften von metallischen Mikrostrukturen

Indentation ist eine etablierte Prüfmethode zur Bestimmung mechanischer Werkstoffeigenschaften von Bauteilen mit mikroskopischen Probenvolumen. Die Ermittlung von wahren Spannungs-Dehnungs-Kurven (σ-ε Kurven) aus Kraft-Eindringtiefe-Kurven (F-h Kurven) in Kombination mit der Finiten Element (FE-) Simulation wurde in der Vergangenheit intensiv untersucht. Dabei wurden dimensionslose Funktionen zur Bestimmung repräsentativer Spannungen entwickelt (Dao et al. [1][5], Bucaille et al. [2][4], Ogasawara et al. [3]). Mit Hilfe dieser berechneten repräsentativen Spannungen ist es möglich σ-ε Kurven von Bulkmaterialien abzubilden. Vorrausetzung für die Anwendung dimensionsloser Funktionen sind Eindringtiefen außerhalb des sogenannten Indentation Size Effects (ISE). Das hat zur Folge, dass meist hohe Eindringtiefen von einigen Mikrometern notwendig werden. An vielen mikroskopischen Bauteilen sind die entsprechenden Eindringtiefen jedoch nicht realisierbar, ohne einen Einfluss von umliegenden Randschichten wie Substrat oder Einbettmasse zu erhalten. Randeinflüsse würden zu Abweichungen vom idealen Bulkverhalten führen und eine zuverlässige Anwendung dimensionsloser Funktionen wäre nicht mehr möglich. In diesem Beitrag wird sich intensiv mit dieser Problematik auseinandergesetzt. Im ersten Abschnitt werden dimensionslose Funktionen nach Ogasawara et al. [3] anhand zweier mikroskopischer Bauteile auf mögliche Anwendungsgrenzen geprüft. Ausgehend von den ermittelten Anwendungsgrenzen werden systematisch neue Lösungswege erarbeitet und methodisch angewandt. Als grundlegenden Schritt erfolgt ein Abgleich simulierter und experimenteller F-h Kurven von Werkstoffen innerhalb definierter Schichtaufbauten. Daraus abgeleitet wird eine Vorgehensweise vorgestellt, die es ermöglicht, elastisch-plastische Materialeigenschaften von Bulkmaterialien sowie einzelner Schichten eines Schichtsystems zu bestimmen. Abschließend wird die erarbeitete Vorgehensweise auf ein konkretes Bauteil der Mikroelektronik (Bonddraht) angewandt