Glaskeramische Komposite, deren Herstellung von Glas- und kristallinen Pulvern ausgeht, bieten vielfältige Möglichkeiten, Werkstoffeigenschaften, wie z.B. Sinterverhalten, thermische Dehnung, mechanische Eigenschaften, chemische Beständigkeit, dielektrische Eigenschaften und Oberflächenqualität für spezielle Anwendungszwecke gezielt einzustellen. Glaskeramische Kompositpulver können zu Folien verarbeitet werden, aus denen mittels der LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics)- Technologie keramische Multilayer hergestellt werden, die insbesondere für das Electronic Packaging von Mikrosystemen eingesetzt werden. Problematisch ist die beim freien Sintern der LTCC-Multilayer auftretende laterale Schwindung, die von relativ hohen Schwindungstoleranzen begleitet ist. Zur Vermeidung der lateralen Schwindung werden Zero Shrinkage-Techniken eingesetzt. Eine neue Möglichkeit Zero Shrinkage beim Sintern von LTCC-Multilayern zu erreichen, besteht in der Anwendung eines self-constrained Laminates. Hierbei wird ein Multilayer eingesetzt, der aus zwei unterschiedlichen Folienarten für innere und äußere Lagen mit deutlich verschiedenen Sintertemperaturen (ΔT > 50 K) aufgebaut wird. Die Entwicklung von LTCC -Werkstoffen, die als innere Lagen eines self-constrained Laminates zur Verringerung der lateralen Sinterschwindung auf nahezu Null eingesetzt werden können, war Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Es wurden hierfür LTCC - Werkstoffe aus dem Stoffsystem CaOLa2O3-Al2O3-B2O3 untersucht, die bei Temperaturen unterhalb 800 °C dicht gesintert werden können. Ausgehend von der Entwicklung geeigneter Gläser auf der Basis von Calciumlanthanborat- sowie Calciumlanthanalumoboratgläsern wurden glaskeramische Komposite unter Zusatz von Korundpulver hergestellt. Die Komposite kristallisieren während des Brennprozesses nahezu vollständig. Aus der Glasphase kristallisiert Lanthanborat aus und aufgrund der festkörperchemischen Reaktion der calciumboratreichen Restglasphase mit dem Korund bilden sich vor allem Calciumalumoborat bzw. Calciumalumoboratoxid. Die Anteile an neuen Phasen bestimmen die thermischen und dielektrischen Eigenschaften der Werkstoffe. Die wichtigsten der sich bildenden kristallinen Phasen der Komposite, Lanthanborat und Calciumalumoboratoxid wurden separat hergestellt und charakterisiert. Das Sinter- und Kristallisationsverhalten sowie die thermischen und dielektrischen Eigenschaften der glaskeramischen Komposite wurden in Abhängigkeit von den entwickelten Gläsern, dem Volumenverhältnis von Glas- und kristalliner Komponente im Kompositpulver und der Brenntemperatur untersucht. Die entwickelten LTCC-Werkstoffe wurden bzgl. ihrer thermischen Eigenschaften an einen zuvor ausgewählten LTCC-Werkstoff für die äußeren Lagen eines self-constrained Laminates angepasst. Erzielt wurden die Eigenschaftswerte: TEC: ca. 5 x 10-6/K, εr: ca. 7 und tan δ: ≤ 1 x 10-3. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit wurde der entwickelte LTCC- Werkstoff als innere Lagen in einem LTCC-Multilayer verarbeitet. Dadurch konnte die laterale Schwindung des Multilayers beim Sintern auf < 0,4 % verringert werden.
New applications of low-temperature co-fired ceramics (LTCC), such as pressure sensors or integrated functional layers, require materials that possess higher coefficients of thermal expansion (CTE). To fabricate LTCC with elevated CTE, two methods of material design are examined: firstly, glass ceramic composites (GCC), which consist of >50 vol% glass in the starting powder, and, secondly, glass-bonded ceramics (GBC), where glass is added as a sintering aid only. The CTE of GBC is mainly determined by the crystalline component. For GCC, the CTE can be well predicted, if CTE and elastic data of each phase in the microstructure are known. A nonlinear characteristic of the CTE versus phase composition was found with increasing Ecrystals/Eglass ratio and absolute CTE difference between the components. The glass composition and glass amount can be used to compensate the fixed properties of a crystalline material in a desired way. However, because the CTE and permittivity of a glass cannot be chosen independently, an optimum glass composition has to be found. For a given LTCC, it is possible to control the devitrification by shifting the glass composition. In this way, the resulting CTE values can be predicted more exactly and tailoring becomes possible. Different LTCC materials, based on the crystalline compounds Ba(La,Nd)2Ti4O12, ZrO2 (Y-TZP), SiO2 (quartz), and specially developed glasses, possessing an elevated CTE of around 10 × 10-6 K-1 while showing permittivity εr between 6 and 63, are introduced.
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.
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.