SU-8 als Kostruktionswerkstoff

 

Der Epoxidharz-basierte Negativresist SU-8 bietet die Möglichkeit Mikrostrukturen UV-tiefenlithographisch herzustellen, die hohe Aspektverhältnisse bis zu 50:1 aufweisen und sich durch eine gute thermische und chemische Beständigkeit auszeichnen. Sein geringer E-Modul (2,0 GPa)  und sein hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient (52 ppm/K) ermöglichen mikroaktorische Auslenkungen von bis zu 100 µm unterhalb einer Temperatur von 200°C. Um eine Aussage über das Alterungsverhalten treffen zu können und den möglichen industriellen Einsatz von SU-8-Bauteilen zu beurteilen, ist eine praktische Umsetzung von Langzeituntersuchungen unerlässlich.

 

Künstliche Probenalterung

Die künstliche Alterung der Teststrukturen findet mit freundlicher Unterstützung von Tyco Electronics Bensheim nach einer standardisierten Prüfrichtlinie für Automobile Steckverbindersysteme (Kunststoff/Metall) statt. Der Verlauf der Umweltsimulation PG 19 wird hier vorgestellt. Um den Einfluss der Schadgasbelastung und feuchten Wärme auf die SU-8-Strukturen bestimmen zu können, wird die Hälfte der Wafer nach der trockenen Wärme aus der Umweltsimulation genommen.

 

 

Fertigung der Teststrukturen

Wegen der schlechten Haftungseigenschaften von SU-8 auf Silizium, wird zusätzlich das Leiterplattenmaterial FR4 als Substrat eingesetzt. Es zeichnet sich im Vergleich zu Silizium durch einen niedrigen Preis und einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus (FR4 x/y-Richtung: 14-18 ppm/K, FR4 z-Richtung: 60-80 ppm/K; Si: 2 ppm/K). So wird die Scherspannung zwischen Substrat und den Strukturen herabgesetzt und die Haftung verbessert.

Als Teststrukturen sind doppelt- und einseitig eingespannte Biegebalken in jeweils zweifacher Ausführung punktsymmetrisch auf den Wafern angeordnet (Notation der Benennung: D = doppelseitig eingespannter Balken, B = einseitig eingespannter Balken, L = linke Waferhälfte, R = rechte Waferhälfte). Die variierten Prozessparameter bei der Fertigung der Teststrukturen sind untenstehender Tabelle zu entnehmen.

 

 

 

Probencharakterisierung

Die Charakterisierung der Teststrukturen erfolgt zum einen visuell über Mikroskopaufnahmen vor und nach der Umweltsimulation, sowie über die Vermessung des Höhenprofils mit dem Oberflächenprofilometer Dektak8 der Firma Veeco. Um das Verhalten des E-Moduls der SU-8-Strukturen im Laufe der Untersuchungen zu beurteilen, wird die Kraft-Weg-Kennlinie der Biegebalken mit Hilfe eines Motion-Analyzers aufgenommen.

 

Bereits nach der Belastung der Strukturen durch Temperaturschocks und trockene Wärme wird die schlechte Haftung der Teststrukturen auf Silizium im Vergleich zum Platinenmaterial FR4 beobachtet. Die mechanischen Spannungen zwischen Si-Substrat mit Cr-Beschichtung (6,2 ppm/K) und den SU-8-Ankerpunkten (52 ppm/K) werden so groß, dass die Strukturen teils abfallen, teils ausbrechen. Auf Platinenmaterial zeigen sich nur dort größere  Ablösungserscheinungen, wo die Strukturen wegen Unregelmäßigkeiten in der Resistdicke unterbelichtet sind.

 

Die Höhenprofile der Balkenstrukturen werden vor und nach der Umweltsimulation mit dem Dektak8 vermessen. Es ergibt sich kein signifikanter Unterschied in den lateralen Abmessungen, d.h. die Strukturen sind in ihrer Geometrie nahezu unverändert.

Die unten aufgeführten Grafiken zeigen die prozentuale Veränderung der Federsteifigkeit durch die Umweltsimulation. Bei den einseitig eingespannten Balkenstrukturen auf den Wafern A und C ist nach der vollständigen Umweltsimulation keine signifikante Veränderung zu erkennen. Auf den Wafern B und D, die nur die trockene Wärmebelastung erfahren haben, hat sich die Federsteifigkeit und somit auch der E-Modul der Strukturen erhöht. Unterschiedliche Softbakezeiten zeigen keinen Einfluss auf die Struktureigenschaften nach der Umweltsimulation. Bei den doppelseitig eingespannten Biegebalken hat die  Federsteifigkeit tendenziell abgenommen. Dies ist über eine Verformung der Balkenstruktur zu erklären, die bedingt durch Verspannungen an den zwei Verankerungspunkten bei Wärmeausdehnung auftritt.

 

 

 

 

 

Fazit

Es wird eine Testreihe von Wafern mit freitragenden SU-8-Strukturen für die Untersuchung des Alterungsverhaltens prozessiert. Die Haftung auf Si erweist sich im Vergleich zum Platinenmaterial FR4 als unzureichend, da sich ein Großteil der Strukturen während der Umweltsimulation von der Waferoberfläche ablöst. Die Strukturen auf den FR4-Wafern zeigen hingegen keine Ablösungserscheinungen. Die erneute Untersuchung der Wafer nach der künstlichen Alterung ergibt, dass die einseitig eingespannten SU-8-Biegebalken eine hohe Stabilität in Geometrie und E-Modul aufweisen. Nach der trockenen Wärmebelastung ist der E-Modul der Strukturen leicht erhöht. Die Erhöhung wird jedoch durch die Belastung im zyklisch feuchten Klima wieder relativiert, so dass nach der vollständigen Umweltsimulation im Mittel keine Veränderung der Federsteifigkeit der Balken vorliegt. Minimiert man die intrinsischen und zu angrenzenden Materialien auftretenden Spannungen, so zeichnet sich SU-8 als beständiger Funktionswerkstoff für Mikrostrukturen aus.

 

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

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