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Integration of magnetic functional components in LTCC Circuit boards calls for co-firing of dielectric and ferrite tapes. Ni-Cu-Zn ferrites with permeability of p=900 were developed which can be fully densified at the Standard LTCC sintering temperature of 900 °C. Successful co-firing of this ferrite with dielectric tapes requires the adaptation of the shrinkage behavior of the materials as well as the thermal expansion during the cooling period - especially in the temperature range below the transformation point of the glassy phase of the dielectric tape. To match these preconditions, a new dielectric LTCC material with steep sintering curve and high thermal expansion coefficient was designed. Sintered multilayer composed of Ni-Cu-Zn ferrite and tailored dielectric tapes are free of cracks and possess no open porosity. No significant interdiffusion between the ferrite and dielectric tapes was found by EDX measurements. Compared to pure ferrite laminates the permeability of co-sintered Ni-Cu-Zn ferrite layers is drastically reduced to 400, i.e. a decrease of more than 50 %.
To investigate the origin of this permeability reduction, Ni-Cu-Zn ferrite laminates were sintered separately, and in combination with alumina release tapes or dielectric tapes, respectively. SEM and EDX analysis of co-fired laminates reveal differences in the ferrite grain growth behavior. Ferrite laminates with homogeneous microstructure and grain size up to 50 pm exhibit large permeability. However, growth of ferrite grains does not take place near the interface between ferrite and release or dielectric tapes. There is a strong correlation between high permeability and volume fraction of large ferrite grains. Regions of fine and coarse grains inside the ferrite layers show different bismuth concentration; the Bi-content is larger in regions of fine ferrite grains.
New applications of ceramic multilayers, for example, in biotechnology, sensor technology, and chemical micro-reaction technique, call for cavities with complex geometries. Hot embossing offers a promising, cost-effective way to generate these structures on the surfaces of green tapes or laminates. Cavities inside low-temperature co-fired ceramic multilayer were manufactured by a combination of hot embossing, lamination by a special adhesive technique, and zero shrinkage sintering. The edge and surface quality in the green state as well as the sintered multilayers with surface structures and cavities were extensively characterized by laser surface scanning, optical and ultrasound microscopy. Sintering shrinkage of hot-embossed laminates could be reduced in the x and y directions to less than 0.5%.
Die zuverlässige Herstellung von Bauteilen aus Hochleistungskeramik erfordert den Einsatz von prozessbegleitenden Prüfverfahren in allen Fertigungsstufen. Prozessbegleitende Prüfung umfasst sowohl die Bewertung von Ausgangs- und Zwischenprodukten (Pulver, Suspensionen, Grünkörper) als auch die in-situ Überwachung kritischer Fertigungsstufen (Aufbereitung, Formgebung, Entbinderung, Sinterung). Der Arbeitskreis „Prozessbegleitende Prüfverfahren“ im DKG/DGM-Gemeinschaftsausschuss „Hochleistungskeramik“ bietet eine Plattform zum Informationsaustausch über neue Messverfahren und zur Initiierung von Ringversuchen und Referenzmaterialentwicklung.
Als aktuelle Beispiele werden zwei applikationsnahe Verfahren zur in-situ Charakterisierung von Geometrieveränderungen (Schwindung, Verformung) an großformatigen keramischen Schichtverbunden vorgestellt.
Die Hochtemperatur-3D-Laserprofilometrie ermöglicht die Visualisierung und Quantifizierung der lokalen Verformung keramischer Multilayer während der drucklosen Sinterung. Beobachtet wurden an LTCC-Multilayern starke Verformungen bereits während der Entbinderung und in der Abkühlphase. Das Wissen um zwischenzeitliche Verformungen erweitert das Verständnis über die Ursachen von Defekten in Multilayer-Bauteilen.
Die in-situ Messung der Dickenschwindung an realen, großformatigen LTCC-Bauteilen während der druckunterstützten Sinterung wurde erstmals durch die Entwicklung eines LTCC-kompatiblen Drucksinteraggregat mit integriertem Dilatometer ermöglicht. Zusätzlich wurde das Drucksinteraggregat mit einer prozessbegleitende Mess- und Regelungseinrichtung für den Sauerstoffpartialdruck ausgestattet. Durch ein optimiertes Sauerstoffpartialdruckregime konnte an LTCC-Modulen eine qualitätsgefährdende Silberdiffusion aus den Leiterbahnen in das umgebende keramische Dielektrikum drastisch reduziert werden. Das mit einem industriellen Partner entwickelte Drucksinteraggregat eröffnet unikale Möglichkeiten zur Optimierung von Aufheizgeschwindigkeit, Druck und Sinteratmosphäre in allen Phasen des Sinterprozesses.