SCHICHTDICKENMESSUNG WIKI
Schichtdickenmessung
Die Schichtdickenmessung dient dazu die Stärke von Beschichtungen auf Bauteilen zu bestimmen. Die Messung der Schichtdicke erfolgt in Abhängigkeit von der Art der Beschichtung, dem Werkstoff des Bauteils und der Schichtstärke mit verschiedenen Verfahren. Als Steinbeis-Transferzentrum bestimmen wir Schichtdicken als Dienstleistung. Damit werden Einzelschichten und Mehrschichtsysteme mit Schichtdicken vom Nanometer- bis zum Mikrometerbereich analysiert.
Die Schichtdicke ist neben der Härte und der Haftfestigkeit ein wichtiges Merkmal einer Beschichtung. Denn stimmt diese nicht, kann es zum Schichtversagen kommen und somit zum Totalausfall eines Bauteils. Je nach Beschichtungsart, Schichtdicke und Substrat kommen unterschiedliche Methoden zur Bestimmung der Stärke einer Beschichtung zum Einsatz.
Beschichtungen
- PVD-Schichten
- CVD-Schichten
- Metallschichten
- Galvanische Schichten
- Chemische Schichten
- Lackschichten
- Dekorschichten
- Oxidschichten
- Transparente Schutzlacke
- Dünnschichten
- Ölfilme
Methoden
- Kalottenschliff-Methode (Calotest)
- Querschliff-Methode
- Optische Schichtdickenmessung
- Spektroskopische Reflektometrie
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie
- Wirbelstromverfahren
- Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA, XRF)
- Magnetinduktives Verfahren
- Stufenhöhenmessung
- Photothermie
Kalottenschliff-Methode (Calotest)
Der Kalottenschliff ist ein Verfahren für die Schichtdickenmessung von Hartstoffschichten. Hierbei wird mit einer Stahlkugel und einer Schleifsuspension eine Kalotte auf der zu prüfenden Beschichtung eingeschliffen. Anschließend wird anhand der mikroskopischen gemessenen Größe der eingeschliffenen Kalotte die Schichtdicke berechnet. Damit lassen sich die Schichtstärken von Einzelschichten- und Mehrlagenschichtsysteme ermitteln. Da die Schichtdicke relativ klein im Verhältnis zum Kugeldurchmesser ist, erfolgt das Anschleifen der Beschichtung unter einem flachen Winkel, wodurch die Größe der Schichtdicke vergrößert wird. Diese Schichtverbreiterung erhöht die Genauigkeit der mikroskopischen Bestimmung der geringen Schichtdicke, die üblicherweise mit einem Auflichtmikroskop erfolgt.
Querschliff Methode
Querschliff-Methode
Mit der Querschliffmethode können Schichtdicken an nahezu allen Arten von Beschichtungen präzise bestimmt werden – von Einzelschichten und von Schichtsystemen. Dazu wird die Probe an der zu untersuchenden Stelle mit einem Präzisionstrennschleifer getrennt und anschließend der Querschnitt geschliffen und poliert. Anschließend wird die Schichtdicke mikroskopisch ausgemessen. Damit lassen sich Aussagen zur Gleichmäßigkeit der Schichtdickenverteilung erzielen und die Beschichtung hinsichtlich Fehler bewerten. Das Verfahren der mikroskopischen Schichtdickenmessung am Querschliff ermöglicht die Bestimmung der Schichtstärke an nahezu allen Beschichtungen und Substratwerkstoffen, so dass damit auch beispielsweise Schichtdicken von Galvanik- und Lackschichten auf Kunststoffen bestimmt werden können.
Schichtdickenmessung mittels REM am Querschliff
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für Schichtdickenmessungen.
Weitere Methoden
Optische Schichtdickenmessung
Die zerstörungsfreien Messung von lichtdurchlässigen Schichten erfolgt durch Messgeräte, welche die Schichtdicke optisch messen. Mit diesen werden die Schichtstärken von sehr dünnen Antireflexionsschichten, Oxidschichten, transparenten Schutzlacken, Ölfilmen und von Dicken von transparenten Folien bestimmt. Die optische Schichtdickenmessung beruht darauf, dass beim Auftreffen von Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex ein Teil der Strahlung reflektiert und ein anderer transmittiert wird. Je nach Schichtdicke und Schichtart kommen verschiedene Verfahren.
Energiedispersive Röntgenspektroskopie
Mit der EDX-Analyse werden u.a. zerstörungsfeie Schichtdickenmessungen von sehr dünnen Schichten durchgeführt. Dazu werden entweder Linien- und Flächenanalysen über die polierte Querschnittfläche durchgeführt und so Schichtdicken im Mikrometerbereich präzise bestimmt. Oder es werden damit Schichtdickenmessungen von der Oberfläche für Stärken im Nanometerbereich vorgenommen. Das Bauteil mit der Beschichtung wird dafür mit verschiedenen Beschleunigungsspannungen über die Tiefe “abgerastert”. Je höher die Beschleunigungsspannung ist desto tiefer dringt der Elektronenstrahl in die Probe ein. Das heißt für die EDX Analyse – bei geringer Beschleunigungsspannung erhält man hauptsächlich Röntgenelektronen von der obersten Schicht, da der Strahl kaum in die Tiefe geht. Je höher die Beschleunigungsspannung desto tiefer dringt der Strahl in die Probe und desto mehr Röntgenelektronen kommen aus den tiefer gelegenen Schichten. Für jede EDX Messung wird für jedes Element über die erhaltene Konzentration ein sogenannter K-Wert bestimmt und darüber wird die Schichtdicke berechnet.
Wirbelstromverfahren
Die Schichtdickenmessung von elektrisch nicht leitfähigem Schichtwerkstoff auf unmagnetischen metallischen Grundwerkstoffen erfolgt mit Messgeräten, welche nach dem Wirbelstromverfahren arbeiten. Hauptwendung sind die Schichtdickenmessung von Eloxalschichten auf Aluminium und von Lacken auf nicht magnetischem rostfreien Stahl. Das Messprinzip des Wirbelstrom-Verfahrens arbeitet zerstörungsfrei haben verschiedene Messsonden und arbeiten zerstörungsfrei. Die zu messenden Schichten müssen elektrisch isolierend sein, z. B. Lacke, Emaille, Keramik, Eloxalschichten. Beim Wirbelstromverfahren wird üblicherweise eine als Messsonde in einem Gehäuse gekapselte Spule mit hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagt. Für das Wirbelstromverfahren nutzt man den Effekt, dass die Spuleninduktivität im Bereich geringer Abstände zwischen der Spule und dem metallischen Untergrund mit zunehmendem Abstand abnimmt.
Magnetinduktives Verfahren
Für die Schichtdickenmessung von Beschichtungen auf Eisen bzw. Stahl (ferromagnetischer Grundwerkstoff) kommen Schichtdickenmessgeräte zum Einsatz, die nach dem magnetinduktiven Verfahren arbeiten. Hauptanwendung hierfür sind die Bestimmung von Zinkschichtdicken und Chromschichtdicken auf Stahl. Der mit dem magnetinduktiven Verfahren zu messende Schichtwerkstoff muss unmagnetisch sein, z. B. Farben, Lacke, Kunststoffe, Aluminium, Chrom, Kupfer, Messing, Zinn, Zink. Beim magnetinduktiven Verfahren entsprechen Aufbau der Messsonde und Messdurchführung dem Wirbelstromverfahren, allerdings arbeitet diese Verfahren mit deutlichen niedrigeren Frequenzen. In das durch die Erregerspule erzeugte Magnetfeld wird die zu untersuchende Probe gebracht, wodurch sich die Induktionsspannung in der Messspule ändert und somit die Schichtdicke messbar ist.
Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA, XRF)
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA bzw. XRF – X-ray fluorescence spectroscopy) erlaubt die Bestimmung der Schichtdicke und Zusammensetzung einzelner Schichten, Mehrfachschichten wie auch Legierungsschichten. Möglich ist eine gleichzeitige Messung von Schichtsystemen mit bis zu drei Schichten oder die gleichzeitige Messung der Dicke und Zusammensetzung von Schichten mit bis zu drei Bestandteilen.
Vorteile des Verfahrens:
- nahezu keine Einschränkungen bzgl. der Teilegeometrie
- präzise Positionierung des Messflecks
- sehr kleine Messfläche
- geringer Zeitaufwand
Messprinzip: Kombinierte Wechselwirkung der Schicht (Schichten) und des Grundwerkstoffs mit einem starken, gebündelten Röntgenstrahl.
Stufenhöhenmessung
Zur Bestimmung der Schichtdicke über eine Stufenhöhenmessung dient entweder ein taktiles Messgerät (Profilometrie), optische Messgeräte (Konfokalmikroskop, Weißlichtinterferometer) oder ein Rasterkraftmikroskop (AFM). Mit diesen wird eine Konturmessung über die Grenze zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Bereich durchgeführt und anschließend über den mittleren Höhenunterschied die Schichtdicke berechnet. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass keine besonderen Kenntnisse über die Materialen der Beschichtung und des Grundwerkstoffes erforderlich sind.
Zur Erzeugung einer Stufe wird ein Referenzplättchen mit in den Beschichtungsprozess gegeben und dieses teilweise mit einem rückstandsfrei ablösbaren Klebeband maskiert. Dies ermöglicht es eine möglichst gute Kante zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Bereich zu erzeugen.
Photothermie
Mit der Photothermie erfolgt die Schichtdickenmessung zerstörungsfrei und kann auch flächenhaft mit relativ hoher Auflösung erfolgen. Die Schichtdicke kann hierbei nicht nur an einzelnen Stellen sondern über eine Fläche gemessen werden, so dass lokale Unterschiede sichtbar werden. Diese Art der Schichtdickenmessung funktioniert auch auf Substraten, wo die konventionellen Verfahren nicht anwendbar sind, wie z.B. Keramik, Glas, porösen Schichten.