TY - JOUR A1 - Mieller, Björn A1 - Rabe, Torsten T1 - Structuring of LTCC Substrates by a Combination of Pressure-Assisted Sintering and Hot Embossing JF - Journal of Ceramic Science and Technology N2 - A novel technology for the structuring of low temperature co-fired ceramic (LTCC) surfaces is introduced. The commercial LTCC Ceramtape GC is shaped in a zero-shrinkage process by embossing a glass-like carbon mold into the softened LTCC during pressure-assisted sintering. Diverse raised and lowered structures including rings, grids, and characters were fabricated. It was found that de-airing of mold cavities is crucial for the molding of embossments. De-airing is possible through pore channels in the LTCC if embossing is performed at intermediate temperatures. The influence of LTCC viscosity on the mold filling behavior during the formation of raised structures is discussed. For accurate molding and proper densification of the LTCC, hot embossing with 0.41 MPa at 775 °C and subsequent heating under load to 850 °C is proposed. Embossing of precise, 40 µm deep circular cavities and 50 µm high raised bars and characters is demonstrated. Thereby, the high potential of the hot-embossing process for micro-patterning of LTCC is illustrated. KW - low temperature co-fired ceramics KW - glass-like carbon KW - hot-embossing KW - pressure-assisted sintering PY - 2015 DO - https://doi.org/10.4416/JCST2015-00051 N1 - Geburtsname von Mieller, Björn: Brandt, B. - Birth name of Mieller, Björn: Brandt, B. VL - 06 IS - 04 SP - 273 EP - 278 AN - OPUS4-35420 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - 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 UR - https://nbn-resolving.org/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 T1 - Glass-ceramic composite multilayer structures - modeling of densification and shrinkage mismatch N2 - Low temperature co-fired ceramics (LTCC) are glass-ceramic composites that are processed by tape casting and multilayer technology to create multilayer circuit boards and electronic packages for high frequency applications, microsystems, and sensors. Pressure-assisted sintering (PAS) enables the densification of LTCC without lateral shrinkage, and thereby the manufacturing of miniaturized modules with minimal shrinkage tolerances. Co-firing of LTCC with other functional ceramics facilitates the implementation of innovative module concepts. The master sintering curve model is a useful tool to supplement the empirical optimization of such sintering processes. Two applications of the model are presented. Firstly, an algorithm is deduced that allows the simulation of shrinkage mismatch in a combined multilayer structure. Based on this simulation, an optimized process for the co-firing of LTCC and ferrite is derived. Secondly, the pressure-assisted sintering of LTCC is modeled. A comprehensive description of the densification behavior of LTCC during PAS is thereby possible. T2 - 14. Treffen des DGG-DKG Arbeitskreises "Glasig-kristalline Multifunktionswerkstoffe" CY - Berlin, Germany DA - 25.02.2016 KW - low temperature co-fired ceramics KW - master sintering curve KW - pressure-assisted sintering KW - multilayer PY - 2016 AN - OPUS4-35419 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -