Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der mechanischen Festigkeit und Dichtheit von metallischen Bondschichten mikromechanischer Inertialsensoren

Um ein zuverlässigkeitsgerechtes Design einer metallischen Waferbondverbindung bereits in der Entwurfsphase zu ermöglichen, sind dedizierte Methoden und Werkzeuge notwendig, die die Bondverbindung hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit und Dichtheit beschreiben. Die vorliegende Arbeit zeigt ein solches Verfahren am Beispiel von Aluminium-Germanium (AlGe) Bondverbindungen. Der im Rahmen dieser Arbeit verwendete Scherversuchsstand ist ein universell einsetzbarer Schnelltest zur Bestimmung der Inertbruchfestigkeit von metallischen Bondstrukturen. Im Gegensatz zu den üblichen Zugversuchen ist es damit möglich auch hochfeste metallische Verbindungen mit einem Schnelltestverfahren zu charakterisieren. Der Mikro Chevron (MC-) Test konnte erfolgreich auf ein eutektisches Bondsystem zur Bestimmung der kritischen Energiefreisetzungsrate ausgeweitet werden. Damit steht ein geometrieunabhängiger, bruchmechanischer Materialkennwert zur Charakterisierung der mechanischen Festigkeit einer metallischen Bondverbindung zur Verfügung. Die Ermittlung der bruchmechanischen Kennwerte erfordert zudem Kenntnisse über das Deformationsverhalten der zu untersuchenden Bondverbindung. Mit Nanoindenter- Eindrücken und einer entwickelten Schertesteinrichtung ausgelegt für den Einsatz im Rasterelektronenmikroskop können Größen und geeignete Ansätze zur Beschreibung der Deformation des Bondmaterials bestimmt werden. Für eine schnelle Trennung von dichten und grob undichten Bondverbindungen eignet sich die optische Verformungsmessung einer dünnen Silizium-Membran. Die dazu notwendigen Teststrukturen werden in dieser Arbeit vorgestellt und ausführlich diskutiert. Die Bestimmung der Gaspermeabilität eines metallischen Bondrahmens bildet einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit. Der dazu entwickelte mikromechanische Resonator fungiert als hochauflösender Drucksensor, der über eine einfache Gütemessung der Resonanzschwingung ausgewertet werden kann. Mit der neu geschaffenen Möglichkeit Gaspermeabilitäten zu bestimmen, stehen wesentliche Materialparameter für die gasdichte Auslegung einer Bondverbindung zur Verfügung. Die Anwendung der bestimmten Materialparameter bei der Zuverlässigkeitsbewertung einer Bondverbindung hinsichtlich ihrer Bruchfestigkeit und Dichtheit wird an beispielhaften Bondgeometrien demonstriert. Mit Abschluss dieser Arbeit steht ein Verfahren zur Verfügung, das eine zuverlässigkeitsgerechte Auslegung von Bondgeometrien bereits in der Entwurfsphase erlaubt.