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Verformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und VerbindungstechnikVerformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und Verbindungstechnik
Verformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und Verbindungstechnik
Autor: Wiese, Steffen

Verformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und Verbindungstechnik

Das Verhalten im Mikrobereich

2010. X, 518 S. mit 229 Abb. Geb.
ISBN: 978-3-642-05462-4

129,95 €
Lieferbar, versandfertig in 3 Tagen
Das Buch
Im Mittelpunkt stehen Zuverlässigkeits- und Lebensdauerfragen mikroskopisch kleiner Bauteilstrukturen, wie sie in der Aubau- und Verbindungstechnik der Mikroelektronik bzw. Mikrosystemtechnik typisch sind. Das Buch zeichnet sich durch eine systematische und detaillierte Darstellung des mikrostrukturellen Aufbaus von Werkstoffen, der Werkstoffverformung und der Materialschädigung aus. Dabei überzeugt es durch eine verständliche und übersichtliche Darstellung der fundamentalen Ursache-Wirkung-Beziehungen. Der Autor beschreibt die Prinzipien der Aufbau- und Verbindungstechnik der Mikroelektronik und geht auf die Besonderheiten der Werkstoffforschung im Mikrobereich ein. Hierfür stellt er spezielle Untersuchungsmethoden und konkrete Versuchsergebnisse vor und leitet Schlussfolgerungen bezüglich der Werkstoffmodellierung sowie der entwicklungsbegleitenden Materialuntersuchung ab. An vielen konkreten Beispielen werden die methodischen Besonderheiten im Mikrobereich gegenüber der klassischen Werkstoffprüfung erläutert.
Aus dem Inhalt
Inhaltsverzeichnis
1 Problematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Ausfälle in elektronischen Aufbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Rolle der Werkstoffuntersuchung im Entwicklungszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Werkstoffverhalten und Miniaturisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Verformungsverhalten von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1.1 Werkstoffmodelle in Simulationsrechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1.2 Experimentelle Untersuchung und Physik der Verformung. . . . . . . . . . . 9
1.4.2 Verformungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2.1 Begriff, Darstellung und Ermittlung des Verformungsverhaltens. . . . . . 10
1.4.2.2 Arten der Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Untersuchungsgegenstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Zusammenhang zwischen Gegenstand und Methodik der Untersuchung . . . . . . . . . . . 17
2.2 Wesen und Entwicklung des Untersuchungsgegenstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Begriff der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Inhalt der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Entwicklung der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik . . . . . . . . . . 21
2.3 Architektur elektronischer Aufbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 Grundkonzept und Aufbauhierarchie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Erste Verbindungsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2.1 Entwicklung und Aufgaben der ersten Verbindungsebene . . . . . . . . . . . 25
2.3.2.2 Drahtbondtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2.3 Flip-Chip-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2.4 Trägerfilmtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 Zweite Verbindungsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3.1 Entwicklung und Aufgaben der zweiten Verbindungsebene. . . . . . . . . . 34
2.3.3.2 Verdrahtungsträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.3.3 Bauelementeformen von integrierten Schaltkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3.4 Formen passiver Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4 Architekturentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.5 Strukturabmessungen in elektronischen Aufbauten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4 Thermisch-mechanische Problematik elektronischer Aufbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.1 Ursachenherkunft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.2 Grundlegende physikalische Ursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.3 Aspekte der Architektur- und Entwicklungskonzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.4 Werkstoffphysikalische Seiteneffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.5 Belastungsszenarien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 Struktur metallischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1 Zusammenhang zwischen Verformung und strukturellem Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Struktureller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1 Strukturebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2 Atomarer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2.1 Atombindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2.2 Kristallsysteme, Raumgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2.3 Intermetallische Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3 Werkstoffgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3.1 Arten von Gitterbaufehlern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3.2 Punktdefekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.3.3 Linienförmige Defekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.3.4 Körner und Korngrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.3.5 Phasen und Phasengrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.3.6 Kristallgemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.3.7 Ausscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.1 Formen von Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.2 Eutektische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 Systeme mit intermediären Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.4 Andere Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.5 Drei- und Vielstoffsysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4 Gefügeausbildung bei Erstarrung von Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.1 Entstehung des Erstarrungsgefüges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.1.1 Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.1.2 Keimbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4.1.3 Keimwachstum und Morphologie der Erstarrungsfront . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.2 Erstarrungsgefüge von Sn-Basis-Loten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.2.1 Experimentelle Untersuchung der Loterstarrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.2.2 Erstarrungsgefüge von Sn-Ag-Cu-Loten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.2.3 Erstarrungsgefüge von Sn-Pb-Loten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4.2.4 Volumenabhängigkeit des Sn-Ag-Cu- und des Sn-Pb-Systems . . . . . . 112
3.5 Gefügeveränderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.5.1 Gefügeveränderung durch thermische Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.5.1.1 Kornwachstum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.5.1.2 Ostwaldreifung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.1.3 Wachstumserscheinungen an Mehrphasengrenzflächen . . . . . . . . . . . 116
3.5.2 Gefügeveränderung durch thermisch-mechanische Belastung. . . . . . . . . . . . . 117
3.5.2.1 Rekristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4 Elastische Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.1 Phänomenologie der elastischen Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2 Physikalischer Hintergrund der elastischen Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1 Verzerrung des Kristallgitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.2 Nichtlinearität der elastischen Verformungsreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3 Beschreibung der elastischen Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.3.1 Elastizitätsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.3.2 Die Querkontraktionszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.3 Der Schubmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.4 Der Bulkmodul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.5 Richtungsabhängigkeit der elastischen Konstanten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3.6 Temperaturabhängigkeit der elastischen Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 Plastische Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1 Phänomenologie der plastischen Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1.1 Erscheinungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1.2 Verformungsmechanismenkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.2 Kinetik der plastischen Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.1 Versetzungsbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.2 Versetzungskinetik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2.2.1 Verformungsrategleichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2.2.2 Niedertemperaturplastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2.2.3 Hochtemperaturplastizität - Gleiten und Klettern. . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.2.4 Diffusionskontrollierte Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.3 Bedeutung der Kinetik der Versetzungsbewegung für die Beschreibung und Charakterisierung der plastischen Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3 Niedertemperaturplastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3.1 Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3.1.1 Plastische Deformation in Einkristallen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.1.2 Plastische Deformation in Polykristallen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.4 Hochtemperaturplastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4.1 Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4.2 Beschreibung des zeitabhängigen Verformungsverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4.3 Grundmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.4.3.1 Kinetik der Versetzungsbewegung und Strukturentwicklung . . . . . . . . 156
5.4.3.2 Versetzungsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4.3.3 Mechanismencharakteristik der Verformungskinetik . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4.3.4 Charakteristik intragranularer Versetzungsbewegungsmechanismen . . 159
5.4.3.5 Charakteristik von Korngrenzgleitprozessen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.4.3.6 Charakteristik von Diffusionsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.4.3.7 Mechanismencharakteristik in Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.5 Wechselverformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.5.1 Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.5.2 Beschreibung der Wechselverformung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.5.3 Mechanismencharakteristik bei Wechselverformung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.5.3.1 Verformungsreaktion bei zyklischer Beanspruchung. . . . . . . . . . . . . . 174
5.5.3.2 Versetzungsanordnungen bei zyklischer Beanspruchung. . . . . . . . . . . 176
5.5.3.3 Aufbau von Subkörnern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.5.4 Materialgedächtniseffekte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.5.4.1 Der Bauschinger-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.5.4.2 Lastwechseleffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6 Schädigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1 Technische Ursachen von Ausfällen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.2 Materialphysik der Schädigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2.1 Problematik der Ursacheninterferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2.2 Wichtige nichtmechanische Schädigungsmechanismen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2.3 Mechanismen der mechanischen Schädigung von Werkstoffen . . . . . . . . . . . 186
6.2.3.1 Problematik der Mechanismenvielfalt im Schädigungsverlauf . . . . . . 186
6.2.3.2 Mechanismencharakteristik der Schädigungskinetik . . . . . . . . . . . . . . 190
6.2.3.3 Bruchmechanismenkarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.2.3.4 Bruch auf atomarem Niveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.2.3.5 Rissentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.2.3.6 Risswachstum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.3 Modellierung der Materialschädigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.3.1 Problematik der Schädigungsmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.3.2 Bruchmechanische Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3.2.1 Hintergrund bruchmechanischer Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3.2.2 Linear-elastische Bruchmechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.3.2.3 Nichtlineare Bruchmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.3.2.4 Problematik der Rissspitzenplastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.3.2.5 Bewertung der Rissausbreitung bei Wechselbelastung . . . . . . . . . . . . 211
6.3.3 Empirische Ermüdungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.3.3.1 Hintergrund empirischer Ermüdungsmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.3.3.2 Spannungsamplitude-Lebendauer-Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.3.3.3 Dehnungsamplitude-Lebensdauer-Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.3.3.4 Dehnungsenergie-Lebensdauer-Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.3.4 Kontinuums-Schadensmechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7 Experimentelle Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.1 Problematik der experimentellen Untersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.2 Entwicklung, Ziele und Verfahren der klassischen Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . 233
7.2.1 Historische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.2.2 Verfahren und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.2.3 Entwicklung miniaturisierter Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.3 Werkstoffprüfung für stark miniaturisierte Proben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.3.1 Grundproblematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.3.2 Besonderheiten der Prüfmaschinen für miniaturisierte Proben . . . . . . . . . . . . . 239
7.3.2.1 Grundsätzlicher Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.3.2.2 Krafteinleitung und Einspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.3.2.3 Antrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.3.2.4 Messaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.3.2.5 Rahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.3.2.6 Datenerfassung und -verarbeitung/Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.4 Probekörper für miniaturisierte Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.4.1 Ziele der Probengestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.4.2 Idealisierte Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7.4.3 Idealisierte Mikroproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.4.4 Reale Mikroproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.4.4.1 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.4.4.2 Auswertung des Verformungsverhaltens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
7.4.4.3 Probekörpergestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.5 Realisierungen von Prüfmaschinen für miniaturisierte Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.5.1 Prüfmaschinenkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.5.2 Kleinlastprüfmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.5.2.1 Spezifische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.5.2.2 MTS Tytron-250 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.5.2.3 Kleinlastzugmaschine im Laboraufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.5.2.4 Kleinlastrahmen im Laboraufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.5.3 Prüfmaschinen für Scherversuche an kleinvolumigen Kontakten . . . . . . . . . . . 279
7.5.3.1 Versuchsmethodischer Hintergrund. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.5.3.2 Deformationseinrichtung für kleinstvolumige Flip-Chip-Kontakte . . . 280
7.5.3.3 Deformationseinrichtung für kleinvolumige Lotkontakte . . . . . . . . . . . 285
7.5.3.4 Deformationseinrichtung für Elektronenmikroskop . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.5.3.5 Ermüdungseinrichtung für kleinstvolumige Lotkontakte . . . . . . . . . . . 289
7.5.4 Ring-Pin-Prüfmaschinen für Lot in Durchkontaktierungen . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.5.4.1 Versuchsmethodischer Hintergrund. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
7.5.4.2 Lastrahmen für Leiterplatten-Durchkontaktierungs-Probekörper . . . . . 291

8 Experimentelle Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.1 Bewertung des Datenmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.2 Einstoffsystem - Zinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.2.1 Auswahl des Datenmaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.2.2 Elastische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.2.3 Instantanplastische Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
8.2.4 Kriechverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
8.3 Zweistoffsystem mit Mischkristallbildung - Zinn Blei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.3.1 Auswahl des Datenmaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.3.2 Elastische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8.3.3 Instantanplastische Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.3.3.1 Untersuchungen an Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.3.3.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.3.4 Kriechverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.3.4.1 Untersuchungen an Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.3.4.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
8.3.5 Rissausbreitungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.3.5.1 Untersuchungen an Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.3.5.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
8.4 Zweistoffsystem mit Teilchenhärtung - Zinn Silber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
8.4.1 Auswahl des Datenmaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
8.4.2 Elastische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
8.4.3 Instantanplastische Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
8.4.3.1 Untersuchungen an Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
8.4.3.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
8.4.4 Kriechverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.4.4.1 Untersuchungen an Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.4.4.2 Untersuchungen an Durchkontaktierungen in Leiterplatten. . . . . . . . . 338
8.4.4.3 Untersuchungen an kleinvolumigen Lotkontakten . . . . . . . . . . . . . . . . 340
8.4.4.4 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.5 Dreistoffsystem mit Teilchenhärtung - Zinn Silber Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.1 Auswahl des Datenmaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5.2 Elastische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
8.5.3 Instantanplastische Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
8.5.3.1 Untersuchungen an Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
8.5.3.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
8.5.4 Kriechverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
8.5.4.1 Untersuchungen an Bulkproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
8.5.4.2 Untersuchungen an Durchkontaktierungen in Leiterplatten. . . . . . . . . 364
8.5.4.3 Untersuchungen an kleinvolumigen Lotkontakten . . . . . . . . . . . . . . . . 366
8.5.4.4 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
8.5.5 Rissausbreitungsverhalten an Flip-Chip-Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
9 Schlussfolgerungen und zukünftige Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . 377
9.1 Mechanik und Werkstoffphysik für die Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
9.2 Der Größeneffekt in Werkstoffstrukturen elektronischer Aufbauten . . . . . . . . . . . . . 379
9.2.1 Ausgangspunkt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
9.2.2 Auswertung des Datenmaterials an Sn-basierten Loten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
9.2.3 Bezug zur Werkstoffstruktur der Lotlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
9.2.4 Schlussfolgerungen bezüglich der Mikrofügetechnologien. . . . . . . . . . . . . . . . 387
9.3 Modelle - Schnittstelle zwischen Experiment und Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
9.4 Gestaltung einer entwicklungsbegleitenden Werkstoffdatenermittlung . . . . . . . . . . . 393
9.4.1 Erfordernisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
9.4.2 Retrospektive der eigenen Untersuchungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
9.4.3 Ableitungen für die Zukunft einer entwicklungsbegleitenden
Werkstoffdatenermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Rezensionen
Aus den Rezensionen:
 “... Das Werk schließt eine Lücke gegenüber vergleichbaren Publikationen, indem es einerseits sehr direkt praxisrelevante Ausfallerscheinungen aufgreift und andererseits wissenschaftliche tief gehende Kenntnisse zu deren Erklärung einsetzt. ... Zusammenfassend kann dem Fachmann, der an wissenschaftlicher und praxisorientierter Interpretation beobachteter oder vorherzusagender Schädigungen interessiert ist, das vorliegende Buch ohne Einschränkungen empfohlen werden.“ (E. Meusel, in: PLUS Produktion von Leiterplatten und Systemen, April/2011, Issue 4, S. 951)
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