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We have studied the integration of Ni-Cu-Zn ferrite spinels as well as substituted hexagonal Co2Y-and M-type ferrites into LTCC (Low Temperature Ceramic Co-firing) modules. The cofiring behavior and the magnetic properties of these materials were investigated and evaluated for multilayer applications. Ni-Cu-Zn ferrites exhibit permeabilities of µ=300–500 for operating frequencies in the MHz range. Cu-substituted Y-type ferrites Ba2Co2-x-yZnxCuyFe12O22 in combination with sintering additives display sufficient shrinkage and densification at 900°C. A permeability of µ=10 is observed; however, substituted Co2Y-type ferrites do not exhibit long-term stability at 900°C. Co/Ti-substituted M-type ferrites BaFe12-2yCoyTiyO19 (y=1.2) with planar magneto-crystalline anisotropy exhibit excellent soft magnetic behavior. Using sintering additives, complete densification is reached at 900°C and a permeability of µ=15 and a resonance frequency of larger than 1?GHz are observed. Integration of ferrite multilayer inductor components into LTCC modules using free and constrained cofiring technologies is demonstrated.
Reliability study of a tunable ka-band SIW-phase shifter based on liquid crystal in LTCC-technology
(2014)
A tunable substrate-integrated waveguide phase shifter using low-temperature co-fired ceramic (LTCC)-technology is presented in this paper. By changing the effective permittivity in the liquid crystal (LC)-filled waveguide, the differential phase can be tuned continuously. This is achieved by means of an analog signal applied to the electrodes, surrounding the LC. The design allows for precise tuning of the differential phase, which is proven with a Monte Carlo measurement resulting in phase errors of less than 3° at 28 GHz. Besides that, the ambient temperature dependency of the module is shown. The phase shifter has a high integration level and can be included into a complete and lightweight single-phased array antenna module. The phase shifter is realized with a high level of integration which is available through the multilayer process of the LTCC. It has a length of 50 and provides a differential phase shift of more than 360° at 28 GHz. The figure of merit for tunable phase shifters is >40°/dB.
Über das Sintern von LTCC
(2007)
Sintering of LTCC
(2008)
Low Temperature Co-fired Ceramic materials (LTCC) have attracted growing interest in recent years since they are promising candidates for highly integrated ceramic packaging. This paper surveys materials concepts of related glass ceramic composites (GCC) and discusses unsolved problems and challenges. The densification of GCC based on "viscous sintering" may be affected by steric effects and partial dissolution of dispersed crystal particles, crystallization and phase boundary reactions.
The sintering behaviour of one microcrystalline and several nanocrystalline TiN powders was investigated by means of a gas pressure furnace with an integrated dilatometer. The investigated nanocrystalline powders strongly differ in the sintering activity. It can be concluded from the experiments, that small grain size, narrow grain size distribution and a low oxygen content are the most important prerequisites for high sintering activity of the nanocrystalline TiN powders.
The extraordinary sintering activity of the best TiN powder makes it possible to produce a dense (< 2 % porosity), pure (no sintering aids) and nanostructured (mean diameter of crystals about 100 nm) TiN bodies.
Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.