TY - THES A1 - Mieller, Björn T1 - Modellierungsansätze und neue Brennhilfsmittelkonzepte für die LTCC-Drucksintertechnologie N2 - Niedrigsinternde Glas-Keramik-Komposite (LTCC, low temperature co-fired ceramics) werden erfolgreich als kompakte, mehrlagige Schaltungsträger in der Automobilindustrie und Hochfrequenztechnik eingesetzt. Dazu werden sie mit Verfahren der Folien- und Multilayertechnik verarbeitet und gemeinsam mit aufgedruckten Metallisierungen bei Temperaturen bis 900 °C co-gesintert. Besonders bei hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Sinterschwindung hat sich das Sintern mit axialer Druckunterstützung etabliert, wodurch unter anderem die Schwindung in der Ebene der Einzelfolien unterdrückt werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die LTCC-Drucksintertechnologie unter zwei Gesichtspunkten weiterzuentwickeln: • Erarbeitung eines einfachen und praktikablen Verfahrens zur Modellierung und Simulation des Verfahrens, • prozessintegrierte Erzeugung maßgeschneiderter, speziell dünnfilmfähiger Oberflächenstrukturen. Für die Simulation der Sinterung wurde das Modell der Mastersinterkurve ausgewählt. Die Eignung des Modells zur Beschreibung von LTCC-Werkstoffen wird zunächst ohne Druckunterstützung nachgewiesen. Dabei werden die Mastersinterkurven von frei gesinterten Pulverpresslingen und Folienlaminaten, deren Schwindung in der Ebene unterdrückt ist, quantitativ gegenübergestellt. Außerdem wird eine Methode vorgeschlagen und experimentell bestätigt, mit der die Schwindungsfehlpassung von Werkstoffkombinationen bei druckloser Co-Sinterung von berechnet werden kann. Die Modellierung der druckunterstützten Sinterung basiert auf thermomechanischen Analysen eines verbreitet angewendeten, kommerziellen LTCC-Werkstoffs (DuPont GreenTape DP951) im Druckbereich von 2 kPa bis 500 kPa. Die Auswertung der Messwerte und Entwicklung der Mastersinterkurven erfolgt unter Berücksichtigung der Kriechverformung des Werkstoffs unter Druck und wird durch grundlegende Untersuchungen zur für dieses Modell obligatorischen Bestimmung der Aktivierungsenergie ergänzt. Mit einer konstanten Aktivierungsenergie von 400 kJ/mol werden Mastersinterkurven für verschiedene Drücke aufgestellt und mit Anpassungsfunktionen modelliert. Die mit Hilfe der Anpassungsfunktionen simulierten Sinterkurven stimmen gut mit den Messungen überein. Das Modell wird als geeignet und praktikabel bewertet. Die prozessintegrierte Erzeugung maßgeschneiderter Oberflächenstrukturen erfolgt über die im Drucksinterprozess eingesetzten Brennhilfsmittel. Zur Einstellung gewünschter Rautiefen auf den gesinterten Oberflächen werden Opferfolien aus Al2O3 mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen und eine Opferfolie aus hexagonalem BN vorgestellt, die über Rückstandsschichten auf der LTCC-Oberfläche die Oberflächenstruktur bestimmen. Der Zusammenhang von Opferfolieneigenschaften und Oberflächencharakteristika wird an verschiedenen LTCC-Werkstoffen beschrieben. Die Rauheit einer druckgesinterten LTCC-Oberfläche kann über die Partikelgröße der Opferfolien gezielt verändert werden. Zur Herstellung dünnfilmkompatibler, rückstandsfreier Oberflächen im Drucksinterprozess wird glasartiger Kohlenstoff als Brennhilfsmittel eingeführt. Damit wird eine Regelung des Sauerstoffpartialdrucks während des Brandes erforderlich. Eine vollständige thermische Entbinderung der Grünfolien ist aufgrund von Kohlenstoffrückständen auf den Partikeloberflächen erst oberhalb 500 °C möglich. Einflüsse der Prozessparameter Druck und Haltezeit auf die resultierende Oberflächenstruktur werden aufgeklärt und optimale Prozessfenster für die untersuchten Werkstoffe angegeben. Mit dem entwickelten Verfahren können zum ersten Mal verschiedene LTCC-Substrate mit dünnfilmfähigen Oberflächen nacharbeitsfrei durch Drucksintern hergestellt werden. Die Ergebnisse zur Modellierung und Simulation leisten einen wertvollen Beitrag zur Einsparung von Energie, Zeit und Kosten bei der Gestaltung von Drucksinterprozessen. Die erarbeiteten Brennhilfsmittelkonzepte können ressourcenaufwändige Nacharbeit teilweise ersetzen und eröffnen durch die Dünnfilmeignung der Oberflächen neue Anwendungsgebiete der Drucksintertechnologie in der Sensor und Mikrosystemtechnik. T3 - BAM Dissertationsreihe - 136 KW - Glaskohlenstoff KW - low temperature co-fired ceramics KW - LTCC KW - Drucksintern KW - Mastersinterkurve KW - Opferfolie PY - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-5106 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, Björn - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, Björn VL - 136 SP - 1 EP - 119 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-510 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mieller, Björn A1 - Gemeinert, Marion A1 - Rabe, Torsten A1 - Koppert, R. A1 - Bolte, J. T1 - LTCC Substrates for High Performance Strain Gauges T2 - IMAPS/ACerS 8th Int. Conf. and Exhib. on Ceramic Interconnect and Ceramic Microsystems Technolgies (CICMT) CY - Erfurt, Germany DA - 2012-04-16 PY - 2012 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. AN - OPUS4-25752 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mieller, Björn A1 - Rabe, Torsten T1 - Tailoring the surface properties of glass-ceramic-composite substrates by advanced pressure-assisted sintering T2 - Junior Euromat 2012 CY - Lausanne, Switzerland DA - 2012-07-23 PY - 2012 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. AN - OPUS4-26398 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mieller, Björn A1 - Rabe, Torsten T1 - Reduzierung der Entbinderungstemperatur von keramischen Grünfolien T2 - DKG-Jahrestagung 2013 CY - Weimar, Germany DA - 2013-03-18 PY - 2013 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. AN - OPUS4-27872 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Mieller, Björn A1 - Naghib Zadeh, Hamid A1 - Rabe, Torsten T1 - Improved co-firing of ferrite and dielectric tape based on master sintering curve predictions and shrinkage mismatch calculations N2 - Co-firing of low temperature co-fired ceramics (LTCC) and functional ceramics like ferrites is a promising approach to increase the level of integration in future microsystems, and to create new applications for LTCC technology. Besides the development of compatible material combinations, the configuration of the sintering process is an important issue for successful co-firing. A method is presented to derive the linear shrinkage mismatch of a material combination based on density data calculated from the master sintering curves (MSCs) of the individual materials. The influence of the firing profile on the constraint in the combined multilayer can be anticipated using this method. To investigate and improve the co-firing of ferrite and dielectric tape, the shrinkage mismatch with respect to heating rate was studied. A significant reduction of shrinkage mismatch was found for increased heating rates. The calculated results are verified by lateral shrinkage measurements on combined laminates. PY - 2013 U6 - https://doi.org/10.1111/jace.12179 SN - 0002-7820 SN - 1551-2916 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. VL - 96 IS - 3 SP - 726 EP - 730 PB - Blackwell Publishing CY - Malden AN - OPUS4-27955 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Mieller, Björn A1 - Gemeinert, Marion A1 - Rabe, Torsten A1 - Bolte, J. T1 - Low-temperature co-fired ceramic substrates for high-performance strain gauges N2 - Recent advances in the development of high gauge factor thin films for strain gauges prompt the research on advanced substrate materials. A glass ceramic composite has been developed in consideration of a high coefficient of thermal expansion (9.4 ppm/K) and a low modulus of elasticity (82 GPa) for the application as support material for thin-film sensors. In the first part, constantan foil strain gauges were fabricated from this material by tape casting, pressure-assisted sintering, and subsequent lamination of the metal foil on the planar ceramic substrates. The accuracy of the assembled load cells corresponds to accuracy class C6. That qualifies the load cells for the use in automatic packaging units and confirms the applicability of the low-temperature co-fired ceramic (LTCC) substrates for fabrication of accurate strain gauges. In the second part, to facilitate the deposition of thin-film sensor structures to the LTCC substrates, pressure-assisted sintering step is modified using smooth setters instead of release tapes, which resulted in fabrication of substrates with low average surface roughness of 50 nm. Titanium thin films deposited on these substrates as test coatings exhibited low surface resistances of 850 Ω comparable to thin films on commercial alumina thin-film substrates with 920 Ω. The presented material design and advances in manufacturing technology are important to promote the development of high-performance thin-film strain gauges. KW - LTCC KW - Thin-film substrate KW - Strain gauge PY - 2013 U6 - https://doi.org/10.1111/ijac.12052 SN - 1546-542X SN - 1744-7402 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. VL - 10 IS - 3 SP - 413 EP - 420 PB - American Ceramic Soc. CY - Westerville, Ohio AN - OPUS4-28301 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mieller, Björn A1 - Rabe, Torsten T1 - Surface Characteristics of LTCC-.Substrates Fabricated by Pressure-Assisted Sintering T2 - IMAPS/ACerS 9th Int. Conf. and Exhib. on Ceramic Interconnect and Ceramic Microsystems Technolgies (CICMT 2013) CY - Orlando, FL, USA DA - 2013-04-23 PY - 2013 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. AN - OPUS4-28292 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mieller, Björn A1 - Gemeinert, Marion A1 - Koppert, R. A1 - Bolte, J. A1 - Rabe, Torsten T1 - LTCC substrates for high performance strain gauges N2 - Recent advances in the development of high gauge factor thin-films for strain gauges prompt the research on advanced substrate materials. A glass ceramic composite has been developed in consideration of a high coefficient of thermal expansion and a low modulus of elasticity for the application as support material for thin-film sensors. Constantan foil strain gauges were fabricated from this material by tape casting, pressure-assisted sintering and subsequent lamination of the metal foil on the planar ceramic substrates. The sensors were mounted on a strain gauge beam arrangement and load curves and creep behavior were evaluated. The accuracy of the assembled load cells correspond to accuracy class C6. That qualifies the load cells for the use in automatic packaging units and confirms the applicability of the LTCC substrates for fabrication of accurate strain gauges. To facilitate the deposition of thin film sensor structures onto the LTCC substrates, the pressure-assisted sintering technology has been refined. By the use of smooth setters instead of release tapes substrates with minimal surface roughness were fabricated. Metallic thin films deposited on these substrates exhibit low surface resistances comparable to thin films on commercial alumina thin-film substrates. The presented advances in material design and manufacturing technology are important to promote the development of high performance thin-film strain gauges. T2 - CICMT 2012 - 8th International conference on ceramic interconnect & ceramic microsystems technologies CY - Erfurt, Germany DA - 16.04.2012 KW - LTCC KW - Thin-film substrate KW - Pressure-assisted sintering KW - Strain gauge PY - 2012 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. SP - 000175 EP - 000180 (Session TP 4 / TP 43) AN - OPUS4-27567 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mieller, Björn A1 - Gemeinert, Marion A1 - Rabe, Torsten T1 - Tieftemperaturfügen mit Nano- und Submikronsilberpasten T2 - DKG-Symposium "Fügen von Keramik: Grundlagen - Verfahren - Anwendungen" CY - Erlangen, Germany DA - 2012-12-04 PY - 2012 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. AN - OPUS4-27285 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mieller, Björn T1 - Herstellung und Charakterisierung keramischer Federn N2 - Aufgrund ihres spezifischen Eigenschaftsprofils sind keramische Federn attraktiv für Spezialanwendungen in Maschinenanlagen, Metrologie und Sensortechnik. Durch Hartbearbeitung keramischer Hohlzylinder können Spiralfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt präzise gefertigt werden. Dabei kann durch gezielte Auslegung der Federgeometrie die Federkonstante über mehrere Größenordnungen variiert werden. Der Vortrag gibt einen Überblick über den Herstellungsprozess, verschiedene Eigenschaften keramischer Federn und Anwendungsbeispiele. T2 - Industrieller Arbeitskreis Keramikbearbeitung CY - Online meeting DA - 08.04.2022 KW - Keramik KW - Hartbearbeitung KW - Federkonstante PY - 2022 AN - OPUS4-54623 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -