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Abstract des Vortrages: The reliability-limiting effects in 3D IC structures using TSVs including mechanical stress distributions and the resulting effects on material integrity (e.g. failure modes like interface delamination, cohesive cracking, metallurgical degradation at joints, and chip-package interaction) and finally on device performance degradation are challenges in advanced 3D integration technologies and product development. Managing internal mechanical stress is a key task to ensure high reliability of products manufactured in advanced CMOS technology nodes, and it is a highly ranked concern for 3D TSV technologies. It requires the determination of materials properties, including Young’s modulus, Poisson ratio and coefficient of thermal expansion (CTE), for each material used. For polycrystalline materials, their microstructure has to be considered. In this talk, one reliability-limiting effect, interface delamination and so-called “pop-up” of copper TSV structures will be addressed. Shear stress along the Cu/Si interface and adhesion of the interfaces in a complex stack (Si/liner/barrier/seed/Cu) are parameters that have to be considered. Metal barrier and seed films and the respective surfaces will be discussed in the context of interface strength. Nano X-ray tomography is currently the only analytical technique to study the so-called “pop-up” effect quantitatively, without modifying the region of interest.

Abstract des Vortrages: Beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe im Mischbau spielt das mechanische Fügen eine große Rolle. Das Tragverhalten der Fügeverbindung steht dabei im direkten Zusammenhang zur Korrosionsbeständigkeit. Die schwerpunktmäßig in diesem geplanten Vorhaben zu betrachtenden mechanischen Fügeelemente erhalten zur Verbesserung des Korrosionsschutzes metallische Überzüge. Beim Einsatz von metallischen Überzügen auf Basis von Aluminium und Zink unterschiedlicher Ausprägung und unter Berücksichtigung unterschiedlich wirksamer Passivierungen auf Verbindungselementen bestehen jedoch aus Sicht der Anwender noch viele Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten basieren auf: - Den unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe, Schichtsysteme und Halbzeuge und den daraus resultierenden unterschiedlichen elektrochemischen Potentialen. - Den Schichteigenschaften bezogen auf Härte, Verformungsvermögen und Haftfestigkeit, die für den Fügeprozess relevant sind. - Dem Verhalten moderner Schichtsysteme unter kombiniert mechanischmedialen Belastungsbedingungen im Labor. - Dem Verhalten der Verbindung im Realbauteil unter Berücksichtigung vorhandener Beschichtungen (Trockenschmiermittel) und nachfolgender Beschichtungen (KTL- bzw. wasserverdünnbare Beschichtungen) hinsichtlich Haftfestigkeit, Reibungsverhalten, Permeationsverhalten im Vergleich zu Ergebnissen nach Freibewitterung. - Der Auswahl geeigneter bzw. wirksamer Schichtsysteme. Ein Teil der offenen Fragen wurden im vorliegenden Teilprojekt „Teilprojekt A3: Qualifikation von Belastungs- und Prüfverfahren für die Verwendung in kombinierten Ermüdungsalgorithmen“ bearbeitet, das in dem Clusterprojekt „Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)“ mit insgesamt 5 Forschungsstellen eingebunden war. Das Hauptziel dieses Teilprojektes bestand darin, vergleichbare Korrosionsphänomene an Nietverbindungen nach relativ kurzzeitiger Laborbelastung im Vergleich zur einjährigen Freibewitterung zu erzeugen. Der Neuheitsgrad des Clusterprojekts bestand darin, die korrosive Belastung im Labor mit einer mechanischen Belastung (Schwingbelastung) zu überlagern. Dabei war ferner festzustellen, ob bei mechanischmedialer Alterung (überlagert) im Vergleich zur seriellen Belastung mit nacheinander durchgeführten korrosiven und mechanischen Belastungen unterschiedliche Korrosionsvorgänge an den Nietverbindungen ablaufen.

Abstract des Vortrages: Titanium aluminide (TiAl) alloys are attractive lightweight materials for mediumtemperature (500°-750°C) structural applications including components such as jet engine and industrial gas turbine blades, turbocharger rotors and automotive engine valves. However, envisaged service temperatures for future advanced applications will have to be in the range of 750° to 1000°C, over which these alloys suffer from both oxidation and oxygen embrittlement. Therefore, development of surfaceengineering techniques for preventing high-temperature environmental damage is critical in exploiting the advantages of TiAl alloys to their fullest extent. Two efficient approaches to protecting candidate TiAl alloys from high-temperature (>750°C) environmental degradation have been developed at HZDR. The first technique involves a single step, namely treating TiAl alloy components directly by plasma immersion ion implantation (PIII) of fluorine using a mixture of difluoromethane and argon (CH2F2 + 25% Ar) as the precursor gas. The oxidation performance of the fluorine-implanted alloys has been evaluated by thermal gravimetric analysis (TGA) over the temperature range of 750° to 1050°C under conditions of both isothermal and thermal cyclic oxidation in air, and for times as long as 6000 h. This type of surface modification has been shown to produce a stable, adherent and highly protective alumina scale. The second technique involves the fabrication of a durable protective coating in a two-step process, namely formation of a thin aluminum-rich TiAl layer (Ti-60Al) by chemical vapor deposition (CVD) employing a mixture of inorganic precursors, followed by PIII of fluorine. Subsequent long-term oxidation exposures to air at 900°C of a GE 4822 alloy (Ti-48Al-2Cr-2Nb; alloy composition qualified for aerospace applications) have shown that the coating so developed is able to successfully prevent oxidation damage to the base material while maintaining up to 90% of its initial mechanical properties (strength and ductility).

Im Volltext enthalten sind alle Abstracts der Posterbeiträge, die im Rahmen des 3. Dresdner Werkstoffsymposium präsentiert wurden.:Frank Henschel, Stefan Enghardt, Jürgen Bauch: Oberflächennahe Diagnostik ̶ Halbautomatisierte Eigenspannungsmessung mittels Fokalkurven O. Berger, C. Leyens, S. Heinze, M. to Baben, J.M. Schneider: Einfluss der Y-Dotierung auf den Oxidationsmechanismus von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten für Luftfahrtanwendungen im Temperaturbereich 700-1200°C Richard Trache, Roberto Puschmann, Björn Matthey, Lutz-Michael Berger: Thermisch gespritzte Ti3SiC2- und Ti2AlC-Beschichtungen Ariane Straubel, Simone Friedle, Nadine Nießen, Christoph Leyens: Hochtemperaturschichtsysteme für Titanaluminide Benjamin Kruppke, Thomas Rauscher, Hans-Peter Wiesmann, Michael Thieme: Elektrochemisches Verhalten von Aluminiumlegierungen zum kathodischen Korrosionsschutz von hoch legierten Stählen unter Bedingungen des maschinellen Geschirrspülens Carlotta N. Dietel: Optimierte Oberflächeneigenschaften mittels Plasma-Behandlung Jiaqi Jia, Michael Thieme: Vergleichende Untersuchungen zur Präparation superhydrophober Aluminium-Oberflächen und ihrer Charakterisierung Dirk Spitzner, Ute Bergmann: Schaltbare eisabweisende Oberflächen Sabine Matys, Klaus Kühn, Annegret Benke, Jochen Förster, Linda Deutscher, Sara Teixeira, Hoai Nga Le, Gianaurelio Cuniberti: Nanopartikuläre Materialien für die Wasserbehandlung Antje Schlieter, Christoph Leyens, Tetsuya Takahashi, Mona Naderi, Peter Jaschinski, Rainer Cremer: Nanolaminare Schichtsysteme für Umformwerkzeuge Mario Spindler, Andreas Winkler, Siegfried Menzel, Hagen Schmidt, Jürgen Eckert: Biokompatibel verkapselte SAW-Bauelemente Henning Turnow, Horst Wendrock, Siegfried Menzel, Thomas Gemming, Jürgen Eckert: Amorphous Thin Films for Metallic Microtubes Benjamin Kruppke, Christiane Heinemann, Thomas Hanke, Hans-Peter Wiesmann, Sascha Heinemann: Einfluss verschiedener Calciumphosphatphasen auf die Bioaktivität, Biokompatibilität und biaxiale Festigkeit von Silikat/Kollagen-Xerogelen Susanne Höhne, Annette Breier, Thomas Hanke, Hartmut Worch, Frank Simon: Heterogene Sulfatierung von Chitosan Marie-Theres Weber, Matthias Hannig, Christian Hannig: Die Mundhöhle – ein leicht zugängliches In-situ-Modell zum Verständnis von Bioadhäsionsprozessen Arne Helth, Stefan Pilz, Rebecca Medda, Annett Gebert, Ada Cavalcanti-Adam, Mariana Calin, Ute Hempel, Jürgen Eckert: Development of new β-Ti alloys for hard tissue replacement Ksenia Zhuravleva, Sergio Scudino, Mariana Calin, Annett Gebert, Ludwig Schultz, Jürgen Eckert: Porous low-modulus Ti-40Nb compacts provided with hydroxyapatite coating for biomedical applications

Im Volltext enthalten sind ausgewählte Abstracts der Vorträge, die im Rahmen des 3. Dresdner Werkstoffsymposium gehalten wurden.:A. Leson, G. Englberger, D. Hammer, S. Makowski, H.-J. Scheibe, V. Weihnacht: Steigerung der Energieeffizienz durch reibungsmindernde Schichten R. Franke, I. Haase: Technische Anforderungen von Oberflächen- und Randschichttechnologien aus tribologischer Sicht O. Zimmer: Hartstoffschichten für den Verschleißschutz J. Tschernjaew: Neue bio-inspirierte funktionale Coatingsysteme für maritime Anwendungen C. Hinüber, A. Breier, G. Heinrich: Tissue Engineering Strategien auf Basis resorbierbarer Polymere A. Michaelis: Keramische Werkstoffoberflächen für die Umwelttechnologie J. Strümpfel, U. Seyfert: Magnetronsputtern für die Beschichtung von Architekturglas und Solarmodulen − Schichteigenschaften und Morphologie J. Nicolai, U. Cikalová, B. Bendjus, J. Schreiber: Speckle-Photometrie – eine neue zerstörungsfreie Prüfmethode E. Zschech, K. B. Yeap, S. Niese: Reliability of 3D integrated chips – The role of metallic surfaces and interfaces H. Worch, S. Heinemann, C. Heinemann, B. Kruppke, T. Hanke, J. Thomas, P. Simon: Mesokristalline Biomaterialien − ein geniales Bauprinzip der Natur F. Schlottig: Implantatoberflächen – im Spannungsfeld von Innovation, Alterspyramide, Kosten und regulatorischem Umfeld J. Gehrke: Qualifikation von Belastungs- und Prüfverfahren bei Nietverbindungen in Mischbauweise A. Kolitsch, R. Yankov: Ionenstrahlbasierte Oberflächenmodifizierung von TiAl-Werkstoffen

Abstract der Posterpräsentation: Xerogele basierend auf Silikat und Kollagen wurden als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Das Materialkonzept [1] wurde durch den Zusatz verschiedener Calciumphosphate modifiziert. Das Ziel der Arbeit – die Bioaktivität der Komposite und somit das Zellverhalten zu beeinflussen – wird in Verbindung gesetzt zur derzeitigen kritischen Diskussion der Bioaktivität von Biomaterialien [2]. Die Xerogele wurden durch Nutzung eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt, der durch die Änderung des pH-Wertes beim Mischen von Kieselsäure und einer Kollagenlösung initiiert wird. Hydroxylapatit (HAp), a-Tricalciumphosphat (TCP), Brushit und ein selbst entwickelter organisch modifizierter HAp wurden als Pulver sowie Ostim® als pastöse Komponente zur Kollagensuspension hinzugefügt. Die Xerogele wurden in Medien verschiedener Calciumkonzentrationen inkubiert. Die Charakterisierung erfolgte durch biochemische Methoden und Rasterelektronenmikroskopie. Der Einfluss der Xerogelbioaktivität auf die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen wurde biochemisch und durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie analysiert. Die Zugabe von HAp, Ostim® oder TCP führte zu einer beschleunigten Apatitabscheidung auf den Xerogelen aus simulierter Körperflüssigkeit ebenso wie aus Zellkulturmedium (a-MEM). Im Gegensatz dazu verursachen organisch modifizierter HAp oder Brushit eine initiale Calciumfreisetzung aus den Xerogelen. Diese Freisetzung kompensiert das bioaktive Verhalten in gewissem Maße, was durch die Einlagerung in Calcium-freiem a-MEM bestätigt wurde. Die gesteigerte Bioaktivität der Xerogele entspricht einem verringerten Calciumgehalt im Medium, der wiederum einen nachteiligen Effekt auf die Proliferation hat und zur Inhibierung der Matrixmineralisation führt.