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Advanced ceramics are promising key components for microsystems
engineering, communication Technology and medical engineering.
Driven by steadiiy increasing demands on dimensional accuracy of
components and Integration density, sintering has to be controlled at
an unprecedented degree of precision.
Being most crucial for components of complex shape, graded or heterogeneous-composed parts like LTCC multilayers for microsystems, precise control of sintering has a decisive influence on the dimensional accuracy, mechanical integrity and reliability of sintered components.
Thus, permanent or temporary shape distortions or warping during sintering may result from spatially heterogeneous microstructure and
temperature distribution, e.g. during the co-firing process of green
multilayer Stacks printed with metallization and other functional pastes.
Whereas permanent warping can be easily measured after sintering, temporary warping during firing is more difficult to measure. Nonetheless, this effect may cause latent failures later, which often limit the applicability of ceramic components.
Hochleistungssinterwerkstoffe spielen eine wachsende Rolle in derzeitigen Schlüsseltechnologien wie der Mikrosystem-, Informations-, Kommunikations- und Medizintechnik.
Dabei steigen die Anforderungen an die präzise Steuerung der Sinterung. Besonders für komplexe, gradierte oder heterogen zusammengesetzte Formkörper wie zum Beispiel keramische LTCC-Multilayer für die Mikrosystemtechnik hat die exakte Beherrschung dieses Prozessschrittes wesentlichen Einfluss auf die Maßhaltigkeit, mechanische Integrität und Zuverlässigkeit der gesinterten Bauteile. Bedingt durch die Heterogenität der mehrlagigen und mit Leit- und anderen Funktionspasten bedruckten Sinterkörper hinsichtlich ihrer sinterphysikalischen oder thermischen Eigenschaften können bleibende
oder temporäre Verwerfungen beim Schrumpfungsprozess auftreten, wobei letztere unter Umständen Ursache latenter Fehler im späteren Bauteil sind.
Es wurde ein Gerät zur In-situ-Kontrolle des Sinterns keramischer Bauteile mit Hilfe der Hochtemperatur-Lasertriangulation aufgebaut. Durch Rotation der Probe und gleichzeitiger Positionierung des Laserabstandssensors erfolgt die dreidimensionale Erfassung der Topografie der Probenoberfläche. Derzeit können flache Proben mit den Maßen < 20 cm x 20 cm x 1 cm bis 1000 °C untersucht werden. Die örtliche Wiederholpräzision des verwendeten Lasersensors beträgt 10 µm bei 20 °C und 15 µm bei 1000 °C. Die lineare Positioniergenauigkeit des Sensors liegt bei 1 µm, die Winkelauflösung der Drehung des Probentellers beträgt 0,0025 °. Daten für ein 3D-Oberflächenprofil werden in etwa 2 bis 3 Minuten erzeugt. Spezielle Linienprofile erhält man bei einer Messzeit von wenigen Sekunden.
Die Entwicklung von Wasserstoffbarrieren aus Glas erfordert die genaue Messung geringster H2-Permeabililtäten. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die VHE-Pulvermethode diesbezüglich eine besonders hohe Empfindlichkeit bietet. Hierbei wird die isotherme Gasabgabe aus sphärischen Partikeln im Rahmen klassischer Diffusionsmodelle gefittet und daraus der Diffusionskoeffizient bestimmt. Für die Untersuchung von Gläsern mit möglichst geringer H2-Permeabilität ist jedoch eine Validierung der Genauigkeit der Methode notwendig. Vor diesem Hintergrund erfolgte die numerische Modellierung der H2-Abgabe mit Hilfe des Programms COMSOL Multiphysics®. Im Poster wird der Einfluss der Korngrößenverteilung der Glaspulverpartikel, der Partikelform sowie der Effekt einer nichthomogenen H2-Startverteilung auf die mittels Pulvermethode ermittelten Diffusionskoeffizienten diskutiert.
Advanced methods for 3D green density characterization like computed tomography and 3D FE sinter modeling can be utilized for increasing the reliability of sintered components. The experimental in situ observation of sin-tering, however, is currently restricted to silhouette methods, i.e. heating microscopy. For complex shaped sam-ples, in situ shape screening during shrinkage would allow better validation of 3D sinter simulation models. Further, by revealing temporary sinter warpage, 3D high-temperature shape screening would allow to locate potential defects of complex sintered components. Against this background, BAM developed a testing device for in situ 3D high-temperature shape screening for ceramic and glass-ceramic tapes up to 1000°C [1-3]. Current work is focused on dropping this restriction in sample shape and temperature. The poster illustrates the current state of this work and possible applications of the method e.g. in detecting sinter warpage of metallized glass-ceramic LTCC tapes.