Schichtdickenmessung
Die Schichtdicke ist neben Härte und Haftfestigkeit ein entscheidender Faktor für die Qualität einer Beschichtung. Bei Abweichungen kann es zu Schichtversagen kommen, was im schlimmsten Fall den Ausfall eines Bauteils zur Folge hat. Die Schichtdickenmessung hilft bei der Überwachung der geforderten Eigenschaften und macht Ungleichmäßigkeiten, Abweichungen von den Sollwerten und mögliche Defizite in der Beschichtung sichtbar.
Inhaltsverzeichnis
Wozu dient die Schichtdickenmessung?
Die Schichtdickenmessung dient zur Qualitätssicherung in vielen industriellen und technischen Anwendungen und ist ein zentrales Verfahren zur Bestimmung der Dicke von Beschichtungen und Schichten auf verschiedenen Materialien. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Schichten den gewünschten Schutz oder die erforderliche Funktionalität bieten, sei es Korrosionsbeständigkeit, Verschleißschutz oder optische Qualität. Diese Verfahren können sowohl Einzelschichten als auch Mehrschichtsysteme erfassen und decken dabei Schichtdicken im Mikrometer- bis hin zum Nanometerbereich ab.
Quality Analysis – der richtige Partner für Schichtdickenmessung
Bei Quality Analysis setzen wir auf modernste Verfahren, um Beschichtungen zu analysieren und Schichtdickenmessungen bis in den Nanometerbereich durchzuführen. Mit dem hochauflösenden Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop ZEISS Supra 40 können Beschichtungsstrukturen in der Draufsicht sowie Schichtsysteme im Querschnitt begutachtet werden. Mit unserem Focused-Ion-Beam System ZEISS Crossbeam 350 ist es möglich, völlig Artefakt frei und ohne Hitzeeintrag in empfindliche und äußerts dünne Schichtsysteme (Nanometer-Bereich) hineinzuschneiden und diese hochauflösend darzustellen.
- Zerstörende und nicht-zerstörende Verfahren zur Schichtdickenmessung mit dem REM ZEISS Supra 40
- modernste FIB-SEM-Mikroskopie mit dem ZEISS Crossbeam 350
- beide Systeme mit EDX ausgestattet, um eine Elementanalyse durchzuführen
Zerstörende und nicht-zerstörende Verfahren
Die Verfahren zur Schichtdickenmessung lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: zerstörende Verfahren und nicht-zerstörende bzw. zerstörungsfreie Verfahren. Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile und werden je nach Anwendung und Anforderungen an die Messgenauigkeit eingesetzt.
Nicht-zerstörende Verfahren messen die Schichtdicke, ohne die Probe zu beschädigen, und sind ideal für regelmäßige Qualitätskontrollen und Echtzeitüberwachung in der Produktion. Die Messung erfolgt meist durch externe Sonden oder Sensoren, die ohne direkte physische Beeinträchtigung auf die Oberfläche einwirken. Sie sind oft schneller und weniger invasiv, haben aber möglicherweise Einschränkungen hinsichtlich der Schichtdicke oder Substratarten, die sie messen können.
Zerstörende Verfahren hingegen erfordern eine physische Veränderung oder Zerstörung der Probe, um die Schichtdicke zu messen. Dies kann durch Schneiden, Schleifen oder Fräsen der Probe erfolgen, um einen Querschnitt sichtbar zu machen. Diese Verfahren bieten oft eine höhere Genauigkeit und ermöglichen detaillierte Messungen, sind jedoch nur dann geeignet, wenn die Probe zerstört werden kann oder in Forschungsanwendungen, wo präzise und detaillierte Informationen benötigt werden
Welche Verfahren kommen bei der Schichtdickenmessung zum Einsatz?
Die angewandten Prüfverfahren sind vielfältig, weshalb an dieser Stelle nur eine kleine Auswahl der praxisrelevanten Verfahren vorgestellt wird.
Optische Verfahren
Optische Methoden wie die Laser-Scanning-Mikroskopie oder Weißlichtinterferometrie nutzen die Eigenschaften von Licht, um die Dicke von Schichten zu bestimmen. Diese Methoden sind besonders geeignet für sehr dünne Schichten im Nanometerbereich, wie sie in der Halbleiterindustrie oder bei optischen Beschichtungen vorkommen. Optische Verfahren werden häufig für Beschichtungen auf Glas oder Keramik eingesetzt.
Mikroskopische Verfahren
Mikroskopische Verfahren, wie die Analyse von Querschliffen unter einem Lichtmikroskop oder einem Rasterelektronenmikroskop, ermöglichen eine direkte Bestimmung der Schichtdicke. Diese Verfahren bieten eine hohe Präzision und werden vor allem in der Forschung und Entwicklung eingesetzt, um Schichtstrukturen zu analysieren. Sie eignen sich für eine breite Palette von Schichtdicken von 1 µm bis zu mehreren Millimetern, abhängig von der Präparationsmethode.
Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
Die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) wird oft zusammen mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) verwendet, um die chemische Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen. Bei EDX werden Röntgenstrahlen erzeugt, wenn Atome in der Schicht durch Elektronenstrahlen angeregt werden. Diese Röntgenstrahlen helfen dabei, die Schichtdicke und die chemische Zusammensetzung zu ermitteln, insbesondere bei sehr dünnen Schichten im µm-Bereich. EDX ist besonders nützlich in der Elektronikfertigung und Materialforschung.
Röntgenfluoreszenzanalyse
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) misst die Schichtdicke durch die Analyse von Röntgenstrahlen, die von den Atomen in der Schicht emittiert werden, wenn sie durch externe Röntgenstrahlung angeregt werden. Dieses Verfahren ist besonders geeignet für die Messung von metallischen Mehrschichtsystemen, wie sie in der Elektronikfertigung und bei galvanischen Prozessen vorkommen. RFA kann Schichtdicken von einigen Nanometern bis zu etwa 100 µm bestimmen.
Magnetinduktives Verfahren
Das magnetinduktive Verfahren wird zur Messung von nichtmagnetischen Schichten auf ferromagnetischen Substraten eingesetzt. Es funktioniert, indem eine Sonde ein Magnetfeld erzeugt, das durch die Schicht gestört wird. Die Stärke dieser Störung hängt von der Dicke der Schicht ab, was eine präzise Bestimmung der Schichtdicke ermöglicht. Dieses Verfahren wird häufig in der Automobilbranche und in der Bauindustrie verwendet, um die Dicke von Lacken, Kunststoffschichten und galvanischen Überzügen auf Stahl zu messen. Es eignet sich für Schichtdicken von 1 µm bis etwa 1 mm und entspricht Normen wie der DIN EN ISO 2178 und ASTM B499.
Wirbelstromverfahren
Beim Wirbelstromverfahren wird eine Spule mit einem hochfrequenten Wechselstrom versorgt. In einem leitfähigen Material, etwa Metall, entstehen dadurch kleine elektrische Ströme, sogenannte Wirbelströme. Nicht-leitende Schichten wie Lack oder eine anodisierte Beschichtung beeinflussen die Wirbelströme und ermöglichen es, die Dicke der nicht-leitenden Schicht zu messen. Dieses Verfahren findet Anwendung bei nichtmagnetischen, leitfähigen Substraten wie Aluminium, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie der Elektronikfertigung. Es eignet sich für Schichtdicken von 1 µm bis etwa 500 µm und wird durch Normen wie die DIN EN ISO 2360 und ASTM B244 geregelt.
Einsatzgebiete der Schichtdickenmessung
Automotive
In der Automobilindustrie ist die Schichtdickenmessung ein unverzichtbares Werkzeug zur Qualitätskontrolle von Lackierungen, Korrosionsschutzschichten und galvanischen Überzügen. Eine präzise Messung stellt sicher, dass die Beschichtungen gleichmäßig aufgetragen sind und den erforderlichen Schutz bieten. Dies ist entscheidend für die Langlebigkeit von Fahrzeugteilen und das Erreichen der hohen ästhetischen und funktionalen Standards, die in dieser Branche gefordert werden.
Luft- und Raumfahrtindustrie
In der Luft- und Raumfahrtindustrie spielt die Schichtdickenmessung eine entscheidende Rolle für die Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Flugzeugen und Raumfahrzeugen. Beschichtungen müssen extremen Umweltbedingungen standhalten, ohne das Gewicht signifikant zu erhöhen. Eine exakte Schichtdickenmessung gewährleistet, dass diese Beschichtungen die strukturelle Integrität und Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen unter extremen Bedingungen aufrechterhalten.
Kunststoffindustrie
In der Kunststoffindustrie wird die Schichtdickenmessung sowohl zur Kontrolle der Dicke von Beschichtungen auf Kunststoffteilen als auch zur Überprüfung der Wanddicke von Kunststoffprodukten eingesetzt. Dies ist besonders wichtig bei Verpackungen, um Materialeffizienz zu gewährleisten, und bei funktionalen Beschichtungen, die spezielle Eigenschaften wie Kratzfestigkeit oder Leitfähigkeit bieten. Die Messung trägt zur Sicherstellung der Produktqualität und zur Einhaltung industrieller Standards bei.
Elektronikfertigung
Die Schichtdickenmessung bei Mikroelektronik und Halbleitern dient zur Kontrolle von Leiterbahnen, Isolationsschichten und Schutzbeschichtungen auf Leiterplatten. Präzise Messungen gewährleisten die Funktionalität und Zuverlässigkeit der elektronischen Komponenten. Eine gleichmäßige und exakt bemessene Schichtdicke ist entscheidend, um Kurzschlüsse zu vermeiden, die Leitfähigkeit zu optimieren und die Lebensdauer elektronischer Bauteile zu maximieren.
Lithium-Ionen-Batterien
Mit präzisen Schnittbildern können verschiedene Schichten und Materialien innerhalb der Batteriezellen analysiert werden. Dies ermöglicht unter anderem die Bewertung von Schichtdicken und die Erkennung von Anzeichen für Degradation.
Kurz zusammengefasst: Schichtdickenmessung
Die Schichtdickenmessung erfasst die Dicke von Beschichtungen auf verschiedenen Materialien und spielt eine zentrale Rolle in der Qualitätskontrolle in zahlreichen Branchen. Es stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung: Nicht-zerstörende Methoden, die die Probe unverändert lassen, sowie zerstörende Methoden, die durch physische Beeinträchtigung der Probe präzise Messungen ermöglichen.
