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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.
Structuring of LTCC Substrates by a Combination of Pressure-Assisted Sintering and Hot-Embossing
(2015)
Druckunterstützendes Sintern glaskeramischer Komposite mit Opferfolie aus hexagonalem Bornitrid
(2015)
Pressure-assisted sintering (PAS) is an established procedure for the production of low-temperature cofired ceramics (LTCC) without lateral shrinkage and minimal shrinkage tolerances for automotive and high-frequency applications. To develop a feasible model for the prediction of densification during that process, master sintering curves (MSCs) for the commercial LTCC DP951 were generated from thermomechanical analysis (TMA) data in the pressure regime from 2 to 500 kPa. Strain mainly related to creep deformation of the LTCC was identified by evaluation of the strain rate and was discarded for the determination of MSC parameters. It was found that no creep occurred at any pressure up to a relative density of 0.9. Different pressure levels can be modeled with the same activation energy of 400 kJ/mol. Densification curves predicted by the model were in good agreement with experimental data. Based on MSCs, the pressure-assisted master sintering surface was compiled to illustrate the influence of pressure on densification. The results show that the MSC approach is a suitable method to feasibly predict the densification of LTCC during PAS.
New Setter Materials for the Pressure-Assisted Sintering of Low Temperature Co-Fired Ceramics
(2015)
Structuring of LTCC Substrates by a Combination of Pressure-Assisted Sintering and Hot Embossing
(2015)
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.
Structuring of LTCC substrates by a combination of pressure-assisted sintering and hot-embossing
(2015)
A novel technology for the structuring of LTCC surfaces is introduced. The material is shaped in a zero-shrinkage process by embossing a glassy carbon mold into the softened LTCC directly after termination of the shrinkage. Three commercially available LTCC compositions (Ceramtape GC, Heratape CT707, and DP951) were tested. Diverse raised and lowered structures including rings, grids, and characters were fabricated. Different material behavior was observed for the tested compositions. Promising results were achieved with Ceramtape GC. Embossing of precise, 40 µm deep circular cavities and 50 µm high raised characters is demonstrated. Processing of 100 × 100 mm² substrates is possible. DP951 showed very good moldability, but also unwanted material displacement due to evaporating lead. A high displacement capacity but uneven heights of embossed structures were observed on CT707 samples. SEM investigations proved the precise transfer of surface contours from the mold to the LTCC. Thereby, the high potential of the hot-embossing process for micro-patterning of LTCC is illustrated.