Kriterium zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer für Mikro-Nano-Skala Einkristall-Siliziumstrukturen

Dieses Papier beschreibt die Bewertung von Ermüdungsschäden für Mikro-Nanoskala Einkristall-Silizium (SCS) Strukturen mit dem Ziel einer zuverlässigen Gestaltung von mikroelektromechanischen Systemen, die wechselnden Spannungen ausgesetzt sind. Die Ermüdungstests, unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (AFM), eines Nanoindentation-Testgeräts und eines speziell entwickelten uniaxialen Zugprüfgeräts, wurden unter Zug- und Biegeverformungsmodi durchgeführt, um die Auswirkungen von Probenform, Frequenz, Temperatur und Verformungsmodus auf die Ermüdungslebensdauer von SCS-Proben zu untersuchen. Unabhängig von Frequenz und Temperatur war die Ermüdungslebensdauer mit der Probenform korreliert. Beispielsweise zeigten nanoskalige SCS-Proben mit einer Breite von 200 nm und einer Dicke von 255 nm eine größere Anzahl von Zyklen bis zum Versagen, um den Faktor 10^5, bei denselben Spannungsniveaus im Vergleich zu mikroskaligen Proben mit einer Breite von 48 μm und einer Dicke von 19 μm. Der Verformungsmodus hatte ebenfalls Auswirkungen auf die Lebensdauer; jedoch wurden keine unmissverständlichen Frequenz- und Temperaturabhängigkeiten in den S-N-Kurven beobachtet. Der Spannungsverhältnisparameter, der dem Verhältnis von Spitzenspannung zu durchschnittlicher Bruchfestigkeit entspricht, ermöglichte es uns, die Lebensdauer für jeden Verformungsmodus abzuschätzen. Um die Ermüdungslebensdauer von SCS-Strukturen unabhängig vom Verformungsmodus und der Probenform vorherzusagen, haben wir einen empirischen Parameter vorgeschlagen, der die aufgelöste Scherspannung einbezieht. Der Mechanismus des Ermüdungsversagens von SCS-Strukturen wird aus der Sicht von Versetzenschlupf, Rissnukleation, Wachstum und Versagen durch Beobachtungen mit AFM und Rasterelektronenmikroskop betrachtet.