Sonderforschungsbereich 379

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1 Sonderforschungsbereich 379 Mikromechanische Sensor- und Aktorarrays Charakterisierung und Zuverlässigkeit Abschlusspräsentation 1

2 TUC Prof. Dötzel Lehrstuhl für f r Elektrotechnik und Informationstechnik FhG IZM Prof. Michel Reliability of Micro- and Nanosystems elektrisch thermisch dynamisch applikationsorientiertes Verhalten der MEMS mechanisch thermisch dynamisch Lebensdauer und Zuverlässigkeit Modelladaption Modellvalidierung Optimierung der Komponenten und der Technologie Sicherung der Zuverlässigkeit Lebensdauervorhersage Abschlusspräsentation 2

3 Einflüsse auf MEMS-Arrays Bauelemente elektrisch Verbindungen mechanisch Wechselwirkung thermisch Feuchte Alterung dynamisc h Schwingungen statisch Abschlusspräsentation 3

4 Sonderforschungsbereich 379 Ergebnisse Charakterisierung und Zuverlässigkeit Qualifizierung traditioneller Mess- und Prüftechniken Entwicklung neuer Untersuchungsmethodiken Einbeziehung neuester Entwicklungen auf dem Gebiet der Materialanalyse Messmethoden entwickelt und in die Praxis eingeführt Ergebnisse auf nationalen und internationalen Tagungen präsentiert, z.b. IEEE, MST, MicroMat, ECTC, EuroSim, Metallographie-Tagung, SPIE, ACTUATOR, EUROSENS, EMPS, ICEPT (Best Paper Award 2006 in Schanghai), Umfassende Nutzung der Erkenntnisse für die Neu- und Weiterentwicklung von Produkten zur Sicherung der Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer Abschlusspräsentation 4

5 48 gleichartige Mikrospiegel Herstellung in Si-Bulk Technologie Assymetrische Aufhängung über zwei Federn Elektrostatisch durch eine Elektrode pro Spiegel betrieben Charakterisierungsmethode für f r mikromechanische Feder-Masse Masse- Dämpfer-Systeme am Beispiel eines Mikrospiegelarrays Aluminiumschicht auf Spiegel- oberseite erhöht ht Reflektion Inhomogenitäten ten im thermischen Verhalten und den Eigenfrequenzen innerhalb des Arrays Abweichungen im Federquerschnitt und mechanische Spannungen als mögliche Ursachen Abschlusspräsentation 5

6 FE-Simulation des Frequenzverhaltens Erstellen eines multiparametrischen Modells Parameter P 7 P 1 (b) Federbreite: 3-6 µm P 2 (d) Federdicke: 3-6 µm P 3 (σ) Stress in Federn: MPa P 4 (lf) Federlänge: 300 µm P 5 P 8 P 6 P 5 (ls) Zwischenlänge: 360 µm P 6 (lm) Spiegellänge: 900 µm P 7 (wm) Spiegelbreite: 80 µm P 4 P 8 (wst) Strukturbreite: 115 µm P 3 P 1 FE-Modell P Abschlusspräsentation 6

7 Prestressed-Modalanalyse Parameter Eigenfrequenzen [Hz] d [μm] b [μm] σ [MPa] 1. Mode 3. Mode 5. Mode 6. Mode y Stress σ 1. Mode 3. Mode 5. Mode 6. Mode Berechnete Schwingformen Ergebnismatrix Parameteridentifikation Stress σ y Geometrie P 1 P Abschlusspräsentation 2 7

8 Messplatz zur Erfassung der Übertragungsfunktion Gemessene Frequenzübertragungsfunktion Extraktion der Eigenfrequenz Parameteridentifikation Geometrie Abschlusspräsentation 8

9 Ergebnisse Verlauf der Federdicke auf dem Wafer 5.5 Federdicke [µm] Federdicke Spiegelnr. Eigenfrequenz Schnell, zerstörungsfrei, rungsfrei, In-Situ Situ-Kontrolle bei Herstellung Abschlusspräsentation 9

10 Gezielte Geometrieveränderungen mittels FIB Lokal definierter Materialabtrag an den Federbändern von Mikrospiegeln zur Modifikation der Eigenfrequenz Abschlusspräsentation 10

11 FIB - ein universelles Präparationswerkzeug Ionenstrahl Elektronenstrahl Extra große Probenkammer für Belastungsmodule Crossbeam der Firma Zeiss am FhG IZM Abschlusspräsentation 11

12 Schematischer Aufbau einer Crossbeam-FIB 54 Focused Ion Beam Abschlusspräsentation 12

13 Geometrieanalyse vergrabene Strukturen Metallographischer Schliff durch eine AIM-Struktur FIB-Schnitt durch Aufhängung an AIM-Struktur FIB-Schnitt durch Federband Abschlusspräsentation 13

14 Lokale GeometrieinhomogenitätenUrsache für Kapazitätsschwankungen Schnitt mit Tiefe ca. 40µm Kapazitive Finger Rückseite Lokale Geometrieabweichungen Schichtinhomogenitäten Abschlusspräsentation 14

15 Zuverlässigkeit in der Aufbau- und Verbindungstechnik Analyse und Bewertung des Deformationsverhaltens von Lotverbindungen mit Methoden der Direktbeobachtung an metallographisch präparierten Proben PbSn-Lot SMD-Lötstelle SnAg-Lot Metallographische Schadensanalyse an Lotverbindungen Abschlusspräsentation 15 B2 Verformungsanalyse mit MicroDAC

16 Experimentelle Versuchseinrichtung für f in-situ Situ-Messungen Klemme (α( 1 ) Elektrisch e Kontakte α 2 Klemme (α( 1 ) α 2 Lotpads Versuchsaufbau für thermische Lap-Shear-Experimente Testboards aus Keramik mit Kontakten für die in Situ-Messung Abschlusspräsentation 16

17 Ausbildung des Schädigungspfades als Folge der gekoppelten thermisch-mechanischen mechanischen Belastung 0 TW 32 TW Temperaturbelastung zwischen 40 C und +125 C 100 µm 130 TW Abschlusspräsentation 17

18 Thermal Lap Shear Test Vergleich Experiment numerische Simulation Generalised plane strain model 3-D model mean value 3 % Equivalent creep strain nach einem thermischen Zyklus von -40 bis 125 C Lebensdauer und Zuverlässigkeit unterschiedlicher Lötstellengeometrien sind sicher berechenbar Simulation stimmt mit Ergebnissen experimenteller Untersuchungen überein Abschlusspräsentation 18

19 Mikrostruktur in deformiertem SnAg3,8Cu0,7-Lot Lotschädigung im Thermal-Lap-Shear-Versuch nach 250 thermischen Wechselbelastungen zwischen 0 C und 80 C durch Korngrenzengleiten Abschlusspräsentation 19

20 Hochauflösende Gefügeabbildung einer LötstelleL Korngrenzenriss Kirkendall-Void Deformationsgleitbänder Abbildung von Versetzungsstrukturen und Korngrenzenveränderungen an FIB-polierten Oberflächen im hochauflösenden REM. Ausscheidungen < 100 nm Abschlusspräsentation 20

21 Nanofokus-Computertomographiesystem zur zerstörungsfreien rungsfreien Analyse Match-X Baukasten Multi-Stack Stack-Komponenten in 2D-Röntgendurchstrahlung Gehäuse Elektronik Detailabbildung Drahtbond auf SI Array Abschlusspräsentation 21

22 Abbildung von Siliziumstrukturen CT-Durchstrahlung REM-Aufnahme Si-Bondverbindung Abschlusspräsentation 22

23 Schema eines Nano-Computer Computer- Tomographiesystems Durchstrahlung der Probe mit 160 kv Schrittweise Drehung der Probe um 360 Speicherung der 2-D-Projektionsdaten Numerische Rekonstruktion der Volumendaten Visualisierung des Volumens Abschlusspräsentation 23

24 CT-Volumenrekonstruktion der Lötstellen L an einem BGA Zerstörungsfreie Analyse von Volumenstrukturen Darstellung optisch nicht zugängiger Strukturen Abschlusspräsentation 24

25 Volumenanalyse an einem Schaltkreis mittels Computertomographie Abschlusspräsentation 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Abschlusspräsentation 26