Sintern unter geometrischer Einschränkung ist ein häufig vorkommender Prozessschritt bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen, keramischer Gassensoren oder LTCC-Modulen. Aufgrund des schichtartigen Aufbaus dieser Bauteile ergeben sich besondere Herausforderungen, da Spannugnen in der Filmebene entstehen können, welche Bauteilschädigung bis hin zum Verlust der Funktionalität bewirken können. Mögliche Schadensfälle sind Delaminierung entlang der Grenzfläche, Mud-Cracking sowie Rissbildung an Defekten. Der Grad der geometrischen Einschränkung und somit die Größenordnung der Spannungen hängen von den Eigenschaften der Grenzfläche ab, welche wiederum durch die verwendeten Substratmaterialien sowie deren Rauigkeit und die Geometrie der Filmstrukturen bestimmt sind. Das Sinterverhalten solcher Strukturen kann durch Simulationen vorhersagbar gemacht werden, um die Kosten für die Herstellung von Prototypen zu reduzieren. Somit wird die endkonturnahe Fertigung ermöglicht.

In dieser Arbeit wurden strukturierte Aluminiumoxid-Filme mit Abmessungen von 5µm bis 32µm in der Dicke sowie 10µm bis 500µm in der Breite mittels Mikroformung in Kapillaren hergestellt. Streifen mit oder ohne vorsätzlich eingebrachte Defekte sowie Ringstrukturen sind verfügbar. Der Einfluss der Substrateigenschaften wird durch den Vergleich von rauen und glatten sowie platinbeschichteten und unbeschichteten Saphirsubstraten systematisch erforscht. Die Experimente auf glattem Saphir werden zudem mit einem Flüssigphasensinteradditiv wiederholt. Die vertikale und laterale Dehnung wird mittels Weißlichtinterferometrie und Rasterelektronenmikroskopie ermittelt. Die Filmquerschnitte nach dem Sintern zeichnen sich durch vertikale sowie laterale Dichtegradienten aus. Dies führt zu einer hochdichten Haut entlang aller freien Flächen, welche einen porösen Bereich am Substrat einschließt. Elliptisch verzerrte Poren, deren Hauptachse senkrecht zum Substrat angeordnet sist, finden sich im Zentrum der Streifen. In Kantennähe hingegen liegt eine geringere Porenorientierung vor. Delaminierung der Streifen entlang des Substrats ist in allen Materialien präsent. Hierbei steigt die Länge des Delaminationsrisses mit sinkendem Aspektverhältnis der Streifen.

Die lateralen und vertikalen Dehnungskomponenten während des Sinterns werden ebenfalls systematisch studiert. Erstere sind stark geometrieabhängig und nehmen in schmalen Streifen Werte in der Größenordnung der vertikalen Dehnung an. In breiten Streifen hingegen wird die typische Erhöhung der vertikalen Dehnung bei verschwindendem lateralem Dehnungsbeitrag beobachtet. Erhöhte Substratrauigkeit führt zu reduzierter lateraler Dehnung, geringerer Länge des Delaminationsrisses und niedrigerer Verdichtung. Eine Platinzwischenschicht resultiert in größeren lateralen Dehnungen trotz geringerer Delaminierung. Letzteres ist dem Vermögen der Platinschicht, bei hohen Sintertemperaturen laterale Spannungen durch Kriechverformung abzubauen, geschuldet. Der Grad der geometrischen Einschränkung wird mit Hilfe des Dehnungsverhältnisses (vertikal zu lateral) quantifiziert. Alle verwendeten Substratmaterialien weisen einen Übergang vom quasi-freien Sintern bei hohen Aspektverhälnissen (Quotienten nahe 1) und perfekter geometrischer Einschränkung (Quotienten >> 1) bei geringen Aspektverhältnissen. Dieser Übergang erfolgt im Falle einer metallischen Zwischenschicht bei geringeren Aspektverhältnissen, so dass der Grad der geometrischen Einschränkung reduziert wird. Im Falle des flüssigphasensinternden Schichtmaterials wird quasi-freies Sinterverhalten bei geringeren Aspektverhältnissen beobachtet als bei festphasensinternden Streifen.

Die genannten Dehnungsdaten werden verwendet, um den Schichtreibungskoeffizienten zu berechnen. Dieser hängt von der Schichtdicke entsprechend der Modellvorhersagen ab und wird zur Vorhersage des Sinterverhaltens von Ringstrukturen genutzt. Darüber hinaus wurde das Risswachstum an gezielt eingebrachten Kavitäten studiert. Deren Neigung zur Rissbildung ist in schmalen Streifen größer; außerdem führt die Nähe der Streifenkante zur Bildung orientierter Risse senkrecht zur Kante. Kavitäten in breiten Streifen hingegen bilden zufällig orientierte Radialrisse aus. Das Ausmaß des Risswachstums hängt vom Absolutwert der Dehnung des betreffenden Streifensystems ab, welcher wiederum von Substratmaterial und –rauigkeit beeinflusst wird. In-Situ elektronenmikroskopische Untersuchungen identifizieren einen kriechenden Risswachstumsmechanismus im Falle der orientierten Risse. Die experimentellen Ergebnisse aus dieser Arbeit wurden für die Erzeugung verbesserter Simulationsdaten zur Verfügung gestellt. Sowohl auf der finiten Elemente Methode als auch auf der diskreten Elemente Methode basierende Simulationsergebnisse wurden von kooperierenden Einrichtungen durchgeführt. Diese Simulationsergebnisse bestätigen die experimentellen Erkenntnisse aus dieser Arbeit; z. B. die geringere Dichte gesinterter Streifen auf rauen Substraten sowie Delaminierung und Formänderung während des Sinterns.