Entwicklung verbesserter Bildgebungsverfahren und neuartiger segmentierter Hochfrequenz-Ultraschallwandler für die Ultraschallmikroskopie

• Antragstellerinnen: Dr.-Ing. Sylvia Gebhardt; Professorin Dr. Elfgard Kühnicke
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Akustik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283865772

Die Aufbau- und Verbindungstechnik elektronischer Baugruppen stellt immer höhere Anforderungen an die zerstörungsfreien Prüftechniken durch zunehmende Miniaturisierung, höhere Verdrahtungsdichten und die Montage von Flachbaugruppen. Bei der Prüfung steht die Strukturaufklärung im Vordergrund. Die Ultraschallmikroskopie ist ein besonders gut geeignetes Verfahren zur Detektion von Fehlstellen, wie Gaseinschlüssen und Rissen, sowie zur Prüfung von Verbindungsflächen, an denen Delaminationen aufzufinden sind. Solche Fehlstellen zeigen sich im Ultraschallbild mit einem besseren Kontrast als bei der Röntgentomographie. Bei der Ultraschallmikroskopie scannt zur Bildgebung ein einkanaliger, stark fokussierender Schallkopf über die Probe. Die Geräte arbeiten im Frequenzbereich von 10 bis ca. 230 MHz und erreichen bei ebenen Strukturen durch die Auswertung der Amplitude des reflektierten Signals eine Auflösung im Mikrometer-Bereich. Die Bildgebung ist fehlerhaft, wenn Schichtsysteme mit wechselnden und unbekannten Schallgeschwindigkeiten vorliegen. Eine Prüfung unter geneigten und gekrümmten Strukturen ist überhaupt nicht möglich. Die aufwendige Justage der Probe und die Notwendigkeit, für jede zu untersuchende Ebene einen neuen Scan durchführen zu müssen, stehen dem Einsatz eines Mikroskops zur Online-Überwachung während der Produktion entgegen. Ziel des Projektes ist die Verbesserung der Bildgebung, die Erweiterung der Prüfszenarien und die Reduzierung des zeitlichen Aufwandes bei der Ultraschallmikroskopie durch die Bereitstellung neuer Messverfahren und -technik sowie speziell strukturierter Ultraschallprüfköpfe, mit denen das Schallfeld geschwenkt und fokussiert werden kann. Die neuen Mikroskopieverfahren ermöglichen das gleichzeitige Prüfen in verschiedenen Tiefen, die Neigungsbestimmung von Grenzflächen, die Prüfung von Strukturen unter geneigten bzw. gekrümmten Grenzflächen sowie die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in allen Komponenten. Dazu ist ein mehrkanaliges Ultraschallmikroskopiesystem aufzubauen und segmentierte 40 MHz Annular-Arrays mit möglichst geringer Elementzahl und mit gleicher bzw. besserer Auflösung als die, konventioneller Prüfköpfe zu entwickeln. Da es kommerziell kein geeignetes Kompositmaterial zum Bau solcher Arrays gibt, wird das Schlickergussverfahren weiterentwickelt, um feinskalige, sphärisch gekrümmte PZT-Polymer-Komposite mit Arbeitsfrequenzen über 40 MHz herzustellen. Das verbesserte Schlickergussverfahren erhöht den Freiheitsgrad bei der Wandlerstrukturierung und erlaubt somit über den Projektrahmen hinaus die Herstellung mehrkanaliger, an spezielle Prüfprobleme angepasster Schallköpfe.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen