Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Das Hauptziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung neuer Bariumtitanat-Kondensatorwerkstoffe, die bereits bei 900°C dichtsintern, eine hohe Dielektrizitätskonstante mit geringer Temperaturabhängigkeit sowie geringe dielektrische Verluste und eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen. Um die Sintertemperatur von Bariumtitanatpulver von ca. 1300 °C auf 900 °C herabzusetzen, wurden Additivkombinationen entwickelt. Es wurden hierfür verschiedene Additive ausgewählt und eine große Anzahl von Versätzen unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen BaTiO3-Pulvers aufbereitet, zu Zylindern verpresst und gesintert. Als besonders geeignet haben sich Li-haltige Sinteradditivkombinationen herausgestellt. Durch Zugabe von 2 bis 3 Ma.-% einer Additivkombination aus (LiF-SrCO3), (SrO-B2O3-Li2O) oder (ZnO-B2O3-Li2O) verdichtet das Bariumtitanat bereits bei Temperaturen von 900°C auf mehr als 95 % der Reindichte. Die gesinterten Kondensatorwerkstoffe weisen hohe Dielektrizitätskonstanten zwischen 1800 und 3590 auf. Für eine geringe Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante ist die Bildung von core-shell Strukturen in einem feinkörnigen (mittlere Korngröße ≤ 1 μm) und homogenen Gefüge erforderlich. Bei der BaTiO3-Probe mit 2 Ma.-% (LiF-SrCO3)-Additivsystem ist die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante relativ gering. Die Kapazitätsänderung im Temperaturbereich zwischen 0 °C und +80 °C ist kleiner als ±15 %. Die für die geringe Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante notwendige Bildung von core-shell- Strukturen in einem feinkörnigen und homogenen Gefüge dieser Probe wurde durch TEM/EDX-Untersuchungen nachgewiesen. Die deutlich größere Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante bei BaTiO3- Werkstoffen mit (SrO-B2O3-Li2O)-Additiven resultiert aus dem starken Kornwachstums während des Sinterns. Zur Verringerung wurden ergänzend (Nb2O5-Co2O3)-Additive zugesetzt. Durch Zugabe von 1,5 Ma.-% (Nb2O5-Co2O3) konnte die Temperaturstabilität der Dielektrizitätskonstante erheblich verbessert werden, weil das starke Kornwachstum während des Sinterns gehemmt und core-shell-Strukturen gebildet wurden. Die BaTiO3-Werkstoffe mit (ZnO-B2O3- Li2O)-Additiven besitzen ein feinkörniges Gefüge, weswegen die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante von vornherein relativ gering ist. Trotzdem wurde auch hier der Einfluss des (Nb2O5-Co2O3)-Zusatzes auf die dielektrischen Eigenschaften untersucht. Die BaTiO3-Probe mit (ZnO- B2O3-Li2O-Nb2O5-Co2O3)-Additiven weist eine hohe Dielektrizitätskonstante von 2370 auf. Der Nb2O5- Co2O3- Zusatz führte allerdings nicht zu weiterer Absenkung der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante, da hier während des Sinterns ein starkes Kornwachstum stattfand. Um dieses zu reduzieren, wurden die Masseanteile der ZnO-B2O3-Li2O-Additivkomponente modifiziert. Eine Erhöhung des B2O3-Gehalts bzw. eine Reduzierung des Li2O- und ZnOGehalts im ZnO-B2O3-Li2O-Additivsystem verbessert durch das Verhindern eines starken Kornwachstums beim Sintern die Temperaturstabilität der Dielektrizitätskonstante (Kapazitätsänderung von < ±15 % im gemessenen Temperaturbereich zwischen -40 °C und +125 °C), senkt aber gleichzeitig die Dielektrizitätskonstante selbst auf 1280. Auch hier zeigten TEM/REM-Untersuchungen das entstandene homogene und feinkörnige Gefüge mit core-shell Strukturen. Während die Zugabe der ZnO-B2O3-Li2O-Additive im Allgemeinen in kristalliner Form erfolgte, wurden sie zum Vergleich auch als Glaspulver zugesetzt. Der BaTiO3-Werkstoff mit ZnO-B2O3-Li2O-Glas und Nb2O5-Co2O3-Zusätzen weist im Vergleich zu anderen (ZnOB2O3-Li2O-Nb2O5-Co2O3)-haltigen BaTiO3-Werkstoffen eine geringere Dielektrizitätskonstante von 1110 auf. Die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante ist jedoch sehr gering. Die Kapazitätsänderung im gemessenen Temperaturbereich zwischen – 20 °C und +125 °C ist kleiner als ±10 %. Aufbauend auf die neuentwickelten LTCC-kompatiblen Kondensatorwerkstoffe bestand ein weiteres Ziel dieser Arbeit in der Herstellung von keramischen Folien aus den neuen Werkstoffen und der Integration dieser Folien in Multikomponenten-LTCC-Module, d. h. einer Kombination mit ferritischen Folien und Folien mit niedriger Permittivität (Basis-LTCC). Es wurden aus fünf ausgewählten Kondensatorwerkstoffen Folien und Laminate hergestellt. Die gesinterten Laminate weisen aufgrund geringer Porosität wesentlich höhere Dielektrizitätskonstanten von 1220 bis 3350 und geringere dielektrische Verluste von 0,008 bis 0,024 im Vergleich zu den gesinterten Presslingen auf. Das Temperaturverhalten der Dielektrizitätskonstante der über das Foliengießen hergestellten Werkstoffe unterscheidet sich nur sehr geringfügig vom Temperaturverhalten der trockengepressten Proben. Aufgrund sehr geringer Kapazitätsschwankungen im Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 1 MHz können alle fünf Kondensatorwerkstoffe in diesem Frequenzbereich eingesetzt werden. Außerdem weisen die Kondensatorfolien (mit Ausnahme der Probe BAM-18.6) hohe Durchschlagfestigkeiten deutlich oberhalb von 20 kV/mm auf. Um ein fehlerfreies Co-firing der niedrig sinternden Kondensatorfolien in Kombination mit LTCC- Basisfolien zu ermöglichen, wurden der thermische Ausdehnungskoeffizient und das Sinterverhalten des Basiswerkstoffs an die Eigenschaften des Kondensatorwerkstoffs angepasst. Kondensatorfolien mit auflaminierten Außenlagen aus den an der BAM entwickelten Basisfolien konnten im Co-firing Prozess ausreichend verdichten und erzielten dielektrische Parameter vergleichbar denen vom separat gesinterten Kondensatorwerkstoff. Damit ist die Voraussetzung für den Einsatz der neuen Werkstoffe in keramischen Multilayermodulen gegeben. Es wurde versucht, Multikomponenten- Laminate aus Ferritfolie, Basisfolie und Kondensatorfolie mit unterschiedlichem Schwindungsverhalten herzustellen. Dies gelang jedoch nur unter Ausübung eines uniaxialen Drucks von 1,5 MPa während des Co-firings. Aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Komponenten konnte ein völlig fehlerfreies Multikomponenten-Modul nicht hergestellt werden. Anordnung und Größe der Gefügefehler wie Risse werden durch die Anordnung der verschiedenen Folientypen im Laminat bestimmt. Günstig im Hinblick auf eine Minimierung der Gefügefehler ist es, die Kondensatorfolien, die den größten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, in der Mitte des Laminats anzuordnen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sind für die Integration passiver Bauelemente in kompakte LTCC-Module und die weitere Miniaturisierung elektronischer Bauteile auf Multilayerbasis von großem Nutzen. Die neuen niedrig sinternden hochdielektrischen Kondensatormaterialien können sowohl als Folie als auch als siebdruckfähige Pasten zur Integration von Kondensatoren in LTCC-Module verwendet werden.
Low-κ dielectric LTCC was developed, to realize successful co-firing with NiCuZn ferrite tapes. A critical high-temperature process in the production of highly integrated LTCC modules is the migration of silver from inner conductors into the LTCC glass phase. Intensive silver migration causes strong deformation of LTCC multilayers during firing in air.
Silver migration into the LTCC glass phase depends on oxygen content of the sintering atmosphere and can be minimized by sintering in nitrogen atmosphere. However, partial decomposition of NiCuZn-ferrite and formation of cuprite was observed during sintering in nitrogen and, consequently, the permeability of the ferrite decreases. As shown by a combined XRD/thermogravimetric study the co-firing of LTCC modules with silver metallization and integrated ferrite layer demands precise adjustment of oxygen partial pressure.
Chemical variability is a main strength of glass. Glass powders are therefore promising candidates for manufacturing a broad diversity of sintered materials like sintered ¬glass-ceramics, glass matrix composites or glass bonded ceramics with tailored mechanical, thermal, electrical and optical properties and complex shape. Its wide and precise adjustability makes this class of materials, even if it may not be obvious at first sight, a key component of advanced technologies. Manufacture and processing of initial glass powders often allow even more flexibility in materials design. At the same time, however, they can cause additional problems. The lecture illustrates possible consequences of glass powder processing upon glass crystallization and sintering as well as chances for targeted utilization. Simple kinetic models describing the effect of particle size distribution, surface crystallization and rigid inclusions on sintering as well effects of different milling and seeding on sinter crystallization are presented.
Glasig-kristalline Werkstoffe für Schlüsseltechnologien - Prozessbegleitende Prüfung und Simulation
(2017)
Eigenschaftsprofile und Kennwertstreuungen keramischer und glaskeramischer Komponenten und Bauteile werden durch ihren Herstellungsprozess wesentlich mitbestimmt. Prozessbegleitende Prüf- und Simulationsmethoden gewinnen so wachsenden Einfluss auf die Erschließung neuer Applikationsfelder dieser Werkstoffe. Eine wichtige Rol¬le spielen hierbei oft thermokinetische Prozesse, die u. a. Wärmetransport- und Diffusionsvorgänge, Phasengrenzflächenreaktionen, das rheologische Verhalten heterogener Systeme sowie deren Gefügeevolution beim Sintern umfassen. Ziel des Vortrages ist es, diesen Trend anhand ausgewählter Bei-spiele aus der Arbeit des Fachbereichs Glas der BAM zu illustrieren.
The 5G technology promises real time data transmission for industrial processes, autonomous driving, virtual and augmented reality, E-health applications and many more. The Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technology is well suited for the manufacturing of microelectronic components for such applications. Still, improvement of the technology such as further miniaturization is required. This study focuses on the characterization of inner metallization of LTCC multilayer modules, especially on the vertical interconnect access (VIA). Critical considerations for this characterization are delamination, pore clustering in and at the edge of the VIA, deformation, and stacking offset. A LTCC multilayer consisting of a glassy crystalline matrix with silver based VIAs was investigated by synchrotron x-ray tomography (CT). The aim of this study is to propose a multitude of structural characteristic values to maximize the information gained from the available dataset. Data analysis has been done with the open source software ImageJ as well as several additional plugins. The high-resolution CT data was evaluated through 2D slices for accessibility reasons. The segmentation of all 2000 slices to assess the different regions e.g. pores, silver and glass ceramic was done by a supervised machine learning algorithm. A quantitative evaluation of shape, deformation, and porosity of the VIA with respect to its dimensions is presented and the suitability of the characterization approach is assessed.
The 5G technology promises real time data transmission for industrial processes, autonomous driving, virtual and augmented reality, E-health applications and many more. The Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technology is well suited for the manufacturing of microelectronic components for such applications. Still, improvement of the technology such as further miniaturization is required. This study focuses on the characterization of inner metallization of LTCC multilayer modules, especially on the vertical interconnect access (VIA). Critical considerations for this characterization are delamination, pore clustering in and at the edge of the VIA, deformation, and stacking offset. A LTCC multilayer consisting of a glassy crystalline matrix with silver based VIAs was investigated by synchrotron x-ray tomography (CT). The aim of this study is to propose a multitude of structural characteristic values to maximize the information gained from the available dataset. Data analysis has been done with the open source software ImageJ as well as several additional plugins. The high-resolution CT data was evaluated through 2D slices for accessibility reasons. The segmentation of all 2000 slices to assess the different regions e.g. pores, silver and glass ceramic was done by a supervised machine learning algorithm. A quantitative evaluation of shape, deformation, and porosity of the VIA with respect to its dimensions is presented and the suitability of the characterization approach is assessed.
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.
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.
Advancements in pressure-assisted sintering technology for low temperature co-fired ceramics (LTCC)
(2016)
Steadily increasing demands on design and dimensional accuracy of ceramic multilayer modules, as well as the processing of new materials, require continuous improvements of manufacturing technology, especially thermal processes. The capabilities of pressure-assisted sintering (PAS) for the manufacturing of highly integrated low temperature co-fired ceramics (LTCC) multilayer have been considerably extended in the last years by procedural and device-related advancements. A lambda probe has been integrated in a sintering press prototype to monitor and control the process atmosphere. Thereby, the development of oxygen partial pressure during binder burnout of real modules can be observed. On the other hand, the oxygen partial pressure can be regulated during densification, for example to prevent diffusion of silver from circuit paths into the surrounding LTCC. Thin-film capable surfaces can be produced without post-processing by using setter plates made of glass-like carbon in an advanced PAS process under nitrogen. A newly developed advancement of this approach enables in-situ hot-embossing of LTCC during PAS by using structured glass-like carbon molds. The prototype press is further extended by a sensitive displacement transducer for monitoring the thickness shrinkage of real modules with an edge length of up to 8 inch.
Transformers couple two sections of a circuit by electromagnetic induction. They are widely used to either transform alternating voltage levels or to transmit power or signals across galvanic isolation. Both of these functions are essential for the operation of sensors and controllers. Covering all aspects from idea to circuit performance and from design to manufacture, this paper presents the first comprehensive description of the making of miniaturized, rugged, up-to-100W transformers for embedding into multilayer circuit boards. For circular coils, the well-manageable Ampere-Laplace law is shown to yield reliable designs, predicting correctly the performance of manufactured hardware. This enables fast design without lengthy finite element modelling. In the low-power linear regime, basic relations describe how the device’s characteristics evolve from the material properties and device structure. While scattering Parameters are useful for the analysis of isolated transformers with their intrinsic parasitics, the interaction with the components of the final circuit and the aspects of power and efficiency are addressed by chain matrixes.
While these design rules are similar for multilayer boards of different material (like epoxy, Teflon, ceramics), the manufacturing of ceramic board transformers is considered here in detail. Low-temperature-cofired ceramic (LTCC) boards being sintered at 900 °C are particularly suited for harsh environments with chemical or thermal stress as frequently found at sensor positions. The transformer performance usually benefits from or even requires an integrated ceramic core of higher permeability, a ferrite, to shape the magnetic flux. Methods to sinter ferrites inside a dielectric ceramic multilayerandto measure their performance are therefore described in detail.Asthe sintering behaviour of dielectricandmagnetic ceramics differs considerably, their simultaneous sintering is challenging.However, the sintering temperatures of the usefulMnZnand NiZnCu ferrites can be lowered to that of the dielectric material with only moderate loss of permeability by glass additives. Furthermore, thermal mismatch between materials causes catastrophic failure or at least stress and loss of magnetic performance during cooling to room temperature after sintering. This is avoidable by either adjusting the thermal expansion coefficient of the ferrite or by enclosing the ferrite between stressreleasing separation layers.We present the state of the art in materials development according to the first approach as well as fully functional devices made with the second technique.
Other applications not directly addressed but well related to this work are characterized by low load resistance in relation to the coil resistance of the transformer. Efficient power transmission then requires that technological solutions are applied to achieve the lowest possible resistive loss inside the coils by an enlarged conductor cross-section.
As this is particularly challenging for LTCC boards, a technique is discussed to fabricate conductor traces with a thickness larger than their width.
The sintering behavior of sub-micron Ni0.30Cu0.20Zn0.52Fe1.98O3.99 ferrite with and without Bi2O3 addition was studied. Ferrites with 0.5 wt% Bi2O3 exhibit enhanced shrinkage at T < 900 °C with significant grain growth. Additive-free ferrite powders also sinter to high density at 900 °C, however, grain growth is very limited. Both ferrites exhibit a permeability of µ = 400–450. Multilayers consisting of ferrite and low-k dielectric LTCC layers were prepared by co-firing at 900–915 °C. The shrinkage and thermal expansion characteristics of ferrite and LTCC tapes are similar. However, the permeability of integrated ferrite layers, made from ferrite tapes with Bi2O3 additive, significantly drops after co-firing with LTCC layers compared to separately fired monolithic ferrite multilayers. Contrarily, the permeability of integrated, Bi2O3-free ferrite layers, co-fired with dielectric tapes, is identical to that of monolithic ferrite multilayers. This finding is an important step toward ferrite integration into complex LTCC multilayer architectures.
The wireless high-frequency technology requires a robust, cost-effective, and highly integrated substrate technology offering the capability for areas of tailored permittivity. The wet-chemical porosification of low temperature co-fired ceramics (LTCC) substrates offers such an approach by locally embedding air. Porosification of LTCC in both extremely acidic and alkaline media has been investigated in previous works. However, for improving the available knowledge on the porosification of LTCC with H3PO4 as a standard and a widely used etching solution, the impact of solution concentration was systematically investigated and a substantial improvement in the etching performance was achieved. Moreover, in the present study, for the first time, the intermediate pH values, and the impact of pH as a key parameter on the etching process have been investigated. For this purpose, the applicability of phosphate buffer solution (PBS) as a prospective novel etchant mixture for the porosification of a commercially available LTCC tape (Ceramtape GC) was explored. Valuable information about surface morphology, crystalline composition, and the pore structure of the etched LTCCs was gathered employing scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction analysis, and mercury porosimetry measurements. Based on these findings, the performance of PBS-based etchant systems towards the generation of porous LTCCs combining high depths of porosification with acceptable surface characteristics for subsequent metallization is demonstrated. Based on the obtained results, by application of a 0.2 mol L−1 solution of PBS, the effective relative permittivity of test samples with a thickness of approximately 600 µm and a porosification depth of 186 µm from each side, could be reduced up to 10% of its initial “as fired” value. Also, based on the measurement results and by measuring the depth of porosification, the permittivity of the etched layer was estimated to show a reduction of up to 22% compared to the initial “as fired” value.
Novel approaches of tunable devices for millimeter wave applications based on liquid crystal (LC) are presented. In the first part of the paper, a novel concept of a tunable LC phase shifter realized in Low Temperature Cofired Ceramics technology is shown while the second part of the paper deals with a tunable high-gain antenna based on an LC tunable reflectarray. The reflectarray features continuously beam scanning in between ±25°. Also first investigations on radiation hardness of LCs are carried out, indicating that LCs might be suitable for space applications.
LTCCs (Low-temperature co-fired ceramics) consist of three-dimensionally distributed, hermetically bonded ceramic and metallic components with structure sizes within [10; 100] µm. A non-destructive imaging technique is needed that provides 3D, sharp, high-contrast resolution of these structures, as well as porosity and defect analysis, which is made difficult by the very different X-ray absorption coefficients of the individual components of the microstructure. A HDR method is being developed that allows a combination of different tomograms, each with X-ray energies adapted to individual materials.
Low-temperature co-fired ceramics (LTCC) are used to fabricate multilayer circuits which are robust in harsh environments. Thick-film technology is well established for the metallization of circuit boards and microsystems. For specific sensor applications, the combination of LTCC and thin-film technology is advantageous to reach higher structure resolutions. Due to the high roughness of as-fired LTCC surfaces compared with silicon-wafers, the deposition of low-defect- films with narrowly specified properties is challenging. There is spare literature about thin films on commercial LTCC comparing different material systems or sintering techniques. For developing thin film sensors on multilayer circuits it is crucial to identify thin-film-compatible commercial LTCC material as well as the crucial surface properties. In this work we evaluate the thin-film capability of different LTCC surfaces.
The as-fired surfaces of free-sintered, constrained-sintered (sacrificial tape), and pressure-assisted sintered commercial LTCCs (DP951, CT708, CT800), as well as respective polished surfaces, were analyzed by tactile and optical roughness measurements and scanning electron microscopy. The thin-film capability of the LTCC surfaces was assessed by sheet resistance and temperature coefficient of resistance (TCR) of deposited Ni thin-film layers. Contrary to the expectations, no correlation between roughness and thin-film capability was found. Ni thin films on constrained sintered DP951 show the lowest sheet resistance and highest TCR within the experimental framework of the as-fired surfaces. The influence of surface morphology on the film properties is discussed.
Rekonfigurierbare Mikrowellenkomponenten spielen in modernen Kommunikationssystemen eine wichtige Rolle, um den zunehmenden Anforderungen in Bezug auf Funktionalität und Flexibilität der Systeme gerecht zu werden. Für die Realisierung steuerbarer Mikrowellenbauteile eignen sich verschiedene Technologien, wie z. B. die Halbleitertechnik, mikroelektromechanische Systeme (MEMS) oder ferroelektrische Dünn- und Dickschichten. Prinzipiell zeichnen sich ferroelektrische Materialien durch hohe Schaltgeschwindigkeiten, einen vernachlässigbaren Leistungsverbrauch und geringe Prozesskosten aus. Insbesondere ferroelektrische Dickschichten auf Basis von Barium-Strontium-Titanat (BaxSri-xTiCb, BST) stellen aussichtsreiche Systeme für den Einsatz im Frequenzbereich bis ca. 12 GHz dar. Allerdings unterliegt die Herstellung dieser BST-Dickschichtvaraktoren einer Einschränkung: Aufgrund der erforderlichen hohen Sintertemperatur von über 1100°C ist die Anordnung der Varaktoren auf planare Strukturen begrenzt.
In diesem Beitrag wird zum einen die Entwicklung von BST-ZnO-B203 Komposit-Dickschichten zur Verringerung der Sintertemperatur auf 850-900°C präsentiert und die Material- und Bauteileigenschaften der Komposite bzw. entsprechender MIM-(metal-insulator-metal) Varaktoren mit planar strukturierten Varaktoren auf Basis von BST-Dickschichten verglichen. Zum anderen wird die Integration solcher MIM-Varaktoren auf Basis der niedrigsinternden BST-Komposite in LTCC Module aufgezeigt.