PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10020042C2 28.02.2002
Titel Vorrichtung zur Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Schulz, Ulrike, Dipl.-Chem., 07751 Kunitz, DE;
Harnisch, Gerd, 07749 Jena, DE;
Schmidt, Uta, 07745 Jena, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 01217 Dresden
DE-Anmeldedatum 19.04.2000
DE-Aktenzeichen 10020042
Offenlegungstag 08.11.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.2002
IPC-Hauptklasse G01N 19/04

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen, bei der an sich bekannte Klebebänder mit jeweils bekannter Klebkraft eingesetzt werden. Sie ist insbesondere zur Bestimmung und Kontrolle der Haftfestigkeit von kleinflächigen Beschichtungen geeignet. Bei den auf Substraten aufgebrachten Schichten kann es sich um relativ dünne im Nano- bzw. Mykrometerbereich handeln, die insbesondere mit herkömmlichen Dünnschichttechniken ausgebildet worden sind. Die Schichten können auf anorganischen und organischen Substraten aufgebracht und aus Metallen und Nichtmetallen, wie z. B. Oxiden und Carbiden gebildet sein.

Die beschichteten Substrate können in den verschiedensten Anwendungsgebieten eingesetzt werden, wie dies beispielsweise Optik und Halbleitertechnik sind.

Üblicherweise wird die Haftung dünner Schichten im Bereich der Optik mit dem Tape-Test nach ISO 9211 geprüft. Dabei werden Klebebänder mit bekannten Dimensionen, nämlich einer Breite von 12 mm und einer Länge von 30 bis 40 mm, nach dem Aufkleben wieder manuell abgerissen, wobei das Abreißen langsam oder schnell gemäß der oben genannten Norm erfolgen soll. Solche Klebebänder können mit jeweils unterschiedlicher, aber definierter Klebkraft käuflich erworben werden, so werden beispielsweise Klebebänder mit einer Klebkraft auf Stahl von 9,8 N bezogen auf eine Breite von 25 mm eingesetzt.

Neben der Klebkraft der Klebebänder hat aber auch die Anpresskraft, mit der die Klebebänder auf die Beschichtung aufgedrückt und außerdem die Abzugsrichtung und die Abzugsgeschwindigkeit Einfluss auf das Testergebnis.

Bei der herkömmlichen Vorgehensweise gemäß dem genormten Tape-Test kann jedoch der subjektive Einfluss der unterschiedlichen Testpersonen nicht vermieden werden, so dass die so gewonnenen Ergebnisse nicht ohne weiteres vergleich-, reproduzierbar und fehlerfrei sind. Dabei müssen diese Bewertungsfehler in Kauf genommen werden oder über einen erhöhten Prüfaufwand, mit einer solchen Testanzahl und mit möglichst unterschiedlichen Testpersonen zumindest verringert werden.

So sind in DE-AS 12 42 017 Klebestreifen beschrieben, mit denen Klebeschichten mit unterschiedlichen Haftwerten auf einem Tragstreifen angeordnet sind. Diese Klebestreifen werden, wie oben erwähnt, ebenfalls manuell auf eine Oberfläche aufgeklebt und anschließend abgezogen, wobei der Haftwert von Lackschichten mittels der unterschiedlichen Haftwerte der Kleberschichten bestimmt werden soll.

Aus US 5,649,447 ist eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Adhäsionskräfte von Metalloberflächen bekannt, bei der ein elastisches Polster mittels einer Druckfeder definiert auf die Oberfläche gedrückt und mit zusätzlichen Einrichtungen die Abziehkräfte von der Oberfläche bestimmt werden können.

Eine Vorrichtung zum Bestimmen der Haftfähigkeit von Dichtstoffen an Substraten ist in EP 0 304 996 A1 beschrieben. Mit einer solchen Vorrichtung soll die Haftfähigkeit von Dichtstoffen, wie sie insbesondere an Abstandshaltern für die Herstellung von Mehrscheibenisolierglaseinheiten verwendet werden, bestimmt werden. Hierzu wird ein vorbereiteter Prüfkörper, der aus zwei Profilen, die mit Dichtstoff verbunden sind, mit einem Hebelsystem unter Verwendung einer Gegenmasse mit einer Zugkraft beaufschlagt.

Neben den bereits genannten Einflussgrößen spielt aber auch die Größe der geprüften Fläche eine Rolle. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die zu prüfende Beschichtungsfläche nicht wesentlich größer als die angeklebte Fläche des Klebebandes ist.

Im Bereich von mikroelektronischen und mikrooptischen Anwendungen besteht jedoch sehr oft das Erfordernis, dass sehr kleine beschichtete Flächen geprüft werden müssen, so dass bei herkömmlichem Vorgehen entsprechend große Messfehler auftreten.

Für die Bestimmung der Haftfestigkeit an relativ dicken Schichten wird der Stirnzugversuch nach DIN 582 eingesetzt. Für diesen Stirnzugversuch sind unterschiedliche Versuchsanordnungen bekannt.

Insbesondere bei der Prüfung und Bestimmung der Haftfestigkeit von dünnen Schichten unterhalb 1 µm können keine Klebebänder mit lösungsmittelhaltigen Klebstoffen eingesetzt werden, da unkontrollierbare Wechselwirkungen auftreten können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die subjektiven Einflüsse bei der Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen vermieden und mit denen vergleich- und reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, können mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen erreicht werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die an sich bekannten Klebebänder eingesetzt, wobei die jeweilige Klebkraft des verwendeten Klebebandes auf das Beschichtungsmaterial abgestimmt werden sollte.

Gegenüber dem bekannten Tape-Test kann ein solches Klebeband auf die Beschichtung mit definierter und konstanter Kraft aufgepresst werden und es wird ein gleichmäßiger und vollständiger Kontakt, der zu prüfenden Fläche mit dem Klebeband sicher gestellt.

Erreicht wird dies, indem die Anpresskraft ausschließlich mittels einer Druckfeder, deren Federkraft bekannt ist, erfolgt. Die Druckfeder ist in einem Gehäuse aufgenommen und in diesem gehalten. Die Federkraft der Druckfeder wirkt auf eine Befestigungsplatte, an der das jeweils verwendete Klebeband befestigt ist. Diese Befestigungsplatte ist ebenfalls im Gehäuse in einer Führung gehalten, so dass sie in Federkraftrichtung bewegt werden kann. Das Gehäuse wird während der Bestimmung auf das beschichtete und fest eingespannte Substrat aufgesetzt. Dabei ist das Gehäuse oder andere Einrichtungen so gestaltet, dass für das Anpressen des an der Befestigungsplatte befestigten Klebebandes ausschließlich die Federkraft der Druckfeder wirkt und andere Kraftkomponenten, wie beispielsweise die masseabhängigen Gravitationskraftkomponenten ausgeschlossen sind.

Da die Federkraft bekannt, bzw. definiert einstellbar ist, können reproduzierbare Mess- bzw. Prüfergebnisse nach dem Abreißen des Klebebandes von der beschichteten Oberfläche des Substrates durch optische bzw. visuelle Beurteilung des Anteils der beschädigten Fläche erhalten werden.

Die jeweilige Einstellung der Federkraft der verwendeten Druckfeder kann in einfacher Form mittels einer ebenfalls am Gehäuse vorhandenen Einstellschraube, mit der die Vorspannung der Druckfeder durch Herein- bzw. Herausschrauben beeinflusst werden kann, erreicht werden.

Die verwendete Druckfeder kann günstigerweise eine progressive bzw. eine degressive Federkennlinie aufweisen und dadurch die gewünschte Einstellgenauigkeit der jeweiligen Federkraft berücksichtigt werden.

Selbstverständlich können auch unterschiedliche Druckfedern mit unterschiedlichen Federkonstanten verwendet werden, die je nach dem Anwendungsfall einfach ausgetauscht werden können.

Mit Hilfe mindestens eines Anschlags, mit dem das Gehäuse mit einem Abstand von der Oberfläche des Substrates, also von der Beschichtung gehalten ist, kann gesichert werden, dass ausschließlich die Federkraft der Druckfeder das Anpressen des verwendeten Klebebandes auf die zu prüfende Fläche bewirkt.

Bei der Durchführung der Bestimmung von Haftfestigkeiten sollten die beschichtete Fläche des Substrates und die Befestigungsplatte, zumindest jedoch der Teil der Befestigungsplatte, an dem der wirksame Teil des verwendeten Klebebandes befestigt ist, parallel zueinander ausgerichtet sein.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch die beim Stand der Technik vorhandenen Nachteile während des Abrissvorgangs des aufgeklebten Klebebandes beseitigt werden.

Hierzu wird ein Hebel mit zwei Hebelarmen, jeweils jenseits von einer Drehachse eingesetzt. Die Drehachse sollte dabei ebenfalls parallel zur beschichteten Fläche und der entsprechenden Fläche des Befestigungselementes ausgerichtet sein. Die beiden Hebelarme des Hebels müssen nicht zwangsläufig gleichlang sein. An einem der Hebelarme ist das bereits beschriebene Gehäuse mit den wesentlichen Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung befestigt. Am entgegengesetzten Hebelarm ist eine Gegenmasse befestigt.

Beim Anpressen des verwendeten Klebebandes wird das Gehäuse mittels einem Anschlag, der unterhalb dieses Hebelarmes, auf einer Grundplatte der Vorrichtung angeordnet ist, definiert gehalten, so dass die Eigenmasse des Gehäuses mit den daran befestigten Elementen und der Masseanteil des Hebelarmes keinen Einfluss auf die Anpresskräfte des Klebebandes haben. Zum Anpressen des Klebebandes kann daher ohne weiteres der Hebel um die Drehachse entsprechend verschwenkt werden, bis der Anschlag ein weiteres Verschwenken verhindert. Zum Abreißen genügt es, den Hebel einfach frei zu geben und die an der anderen Seite befestigte Gegenmasse bewirkt ein definiertes Zurückschwenken und ein gleichzeitiges Abreißen des vorab angepressten und aufgeklebten Klebebandes. Da die Masse der Gegenmasse und der wirksame Hebelarm bekannt sind, erfolgt auch das Abreißen des Klebebandes ebenfalls unter definierten, reproduzierbaren Bedingungen.

Diese Bedingungen können einmal durch die Verwendung unterschiedlicher Gegenmassen, aber auch durch Veränderung des Abstandes einer am Hebelarm befestigten Gegenmasse in Bezug zur Drehachse variiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es außerdem günstig sein, zwischen der Druckfeder und der Befestigungsplatte im Gehäuse einen ebenfalls in Federkraftrichtung geführten Stößel anzuordnen, über den die Federkraft und der Weg auf die Befestigungsplatte übertragen werden kann.

Die Befestigungsplatte kann in einer im Gehäuse ausgebildeten T-Nut gehalten sein, mit der ein Herausfallen der Befestigungsplatte in abgehobener Stellung verhindert werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Bestimmung der Haftfestigkeit auch auf sehr kleinen Flächen durchgeführt werden, wobei die Mindestgröße der zu prüfenden Fläche ≥ 0,5 mm2 sein sollte. Nach erfolgter Kalibrierung der Vorrichtung und insbesondere der kraftübertragenden Komponenten (Druckfeder, Gegenmasse) mit hoher Reproduzierbarkeit an einer großen Anzahl von Proben durchgeführt werden, so dass sie ohne weiteres in der Qualitätskontrolle einsetzbar ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch das in Fig. 1 gezeigte Beispiel und

Fig. 3 das Detail X aus Fig. 2 in einer Vergrößerung.

Das in Fig. 1 gezeigte Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet eine Grundplatte 1, auf der die Elemente zum Anpressen und Abreißen eines Klebebandes auf bzw. von einer beschichteten Fläche befestigt sind.

Dabei sind ein Prüfkopf 5 und eine Gegenmasse 7 an einem Hebel 4, der um die Drehachse 6 verschwenkbar ist, befestigt. Unterhalb des Prüfkopfes 5 ist der Substrathalter 2 auf der Grundplatte befestigt. Das Substrat 12 wird mit einer Schraubklemme 3 befestigt.

Zum Anpressen eines Klebebandes wird der Hebel 4 um die Drehachse 6 soweit verschwenkt, bis der Hebelarm 4' die obere Stirnfläche des Anschlags 13, der ebenfalls an der Grundplatte 1 befestigt und unterhalb des Hebelarms 4' angeordnet ist, berührt. Dadurch wird erreicht, dass ausschließlich das Anpressen des Klebebandes mit der Federkraft der Druckfeder 9, die in einem Gehäuse 8 im Prüfkopf 5 geführt und vorgespannt gehalten ist (siehe Fig. 2), bewirkt wird. Die Federkraft der Druckfeder 9 wird über den ebenfalls im Gehäuse 8 geführten Stößel 11 und der Befestigungsplatte 10 für das Klebeband übertragen und das Klebeband flächig, gleichmäßig auf die Beschichtung des Substrates 12 gepresst.

Wie besonders in Fig. 3 deutlich erkennbar, ist die Befestigungsplatte 10 in einer T-Nut 14 des Gehäuses 8 gehalten und kann lediglich in Federkraftwirkung hin- und herbewegt werden, wobei die T-Nut 14 das. Herausfallen der Befestigungsplatte 10 verhindert.

Nach dem definierten Anpressen des verwendeten Klebebandes wir die Schwenkbewegung des Hebels 4 freigegeben und infolge der Gegenmasse 7 wird das definiert vorab angeklebte Klebeband ebenfalls definiert und reproduzierbar wieder abgerissen, so dass nach Entnahme des Substrates 12 aus der Vorrichtung die Beurteilung des Anteils der entsprechend beschädigten Fläche der Beschichtung erfolgen kann.

Da die Lagerkräfte der Drehachse 6 vernachlässigbar klein sind, wird die Abrissbewegung allein durch die Masse bzw. den wirksamen Hebelarm der Gegenmasse 7 bestimmt.

Die Gegenmasse 7 ist bei diesem Beispiel am Hebelarm 4" in einer Längsnut geführt und Kann in verschiedenen Stellungen arretiert werden, so dass die Abzugsgeschwindigkeiten bzw. Abzugsbedingungen definiert verändert werden können.

Wie insbesondere in Fig. 2 erkennbar, ist die Druckfeder 9 im Gehäuse 8 mittels der Einstellschraube 16 gehalten und kann definiert vorgespannt werden, so dass das Anpressen mit einer bekannten Federkraft erfolgt. Die Federkraft wird zwar über den Stößel 11 punktuell auf die Befestigungsplatte 10 übertragen, sie wirkt aber über die gesamte Fläche in gleichmäßig verteilter Form. Durch die Führung der Befestigungsplatte 10 im Gehäuse, auch mit Hilfe der T-Nut 14 wird erreicht, dass sich die Flächen beim Anpressen exakt parallel aufeinanderlegen und das Klebeband gleichmäßig angedrückt wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wurde zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Goldschichten auf einer 1 mm2 großen Fläche eingesetzt. Diese Goldschichten sollten eine Adhäsionskraft von 5 N aufweisen. Nach dem Einspannen eines entsprechend beschichteten Substrates 12, wobei die beschichtete Fläche horizontal und parallel zur Befestigungsplatte 10 in ihrer Prüfstellung ausgerichtet sein sollte, wurde ein Klebeband Tesa 4973, das für die Abzugskraft von 5 N geeignet ist, eingesetzt. Vor dem Anpressen wurde die Druckkraft der Druckfeder 9 auf 10 N eingestellt.

Vorab sollten die verwendeten Klebebänder mit Hilfe einer an sich bekannten Stirnabzugsmaschine auf ihre tatsächliche Klebkraft am Beschichtungsmaterial überprüft werden, wobei die jeweilige Größe der beschichteten Fläche mit der Fläche des zu prüfenden Substrates 12 übereinstimmen sollte.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen mit einem Klebeband bekannter Klebkraft, dadurch gekennzeichnet,

    dass ein Gehäuse (8) an einen Hebelarm (4') eines um eine Drehachse (6) verschwenkbaren Hebels (4) und am anderen Hebelarm (4") eine Gegenmasse (7) befestigt sind;

    im Gehäuse (8) eine Druckfeder (9) aufgenommen und gehalten ist, deren Federkraft auf eine Befestigungsplatte (10), an der ein Klebeband befestigt ist, wirkt und

    die Befestigungsplatte (10) im Gehäuse (8) in Federkraftwirkung bewegbar geführt ist,

    das Gehäuse (8) mittels mindestens eines Anschlags (13) in einem Abstand vom Substrat (12) gehalten ist und

    dabei das Gehäuse (8) mit Befestigungsplatte (10) und Klebeband auf das eingespannte beschichtete Substrat (12) so aufgesetzt ist, dass ausschließlich eine definierte Federkraft auf Klebeband und Beschichtung wirkt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Druckfeder (9) einstellbar ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft mittels einer Einstellschraube einstellbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (9) eine progressive oder degressive Federkennlinie hat.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Fläche des Substrates (12) und die Befestigungsplatte (10) parallel zueinander ausgerichtet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Gegenmasse (7) zur Drehachse (6) veränderbar ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlag (13) unterhalb des Hebelarms (4'), an dem das Gehäuse (8) befestigt ist, angeordnet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Druckfeder (9) und Befestigungsplatte (10) ein Stößel (11) angeordnet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsplatte (10) in einer T-Nut (14) gehalten ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com