Spinodal decomposing glass ceramic with tailored porous, thermal & dielectric properties

Im Projekt wird ein neuartiges glasskeramisches Material entwickelt, das nach einem nasschemischen Ätzvorgang eine definierte, nanoskalige Porosität aufweisen soll. Die Materialzusammensetzung wird dabei derartig gewählt, dass bei einer bestimmten Annealing- Temperatur eine spinodale Entmischung auftritt, bei der eine zusätzliche, selektiv ätzbare Phase entsteht. Das Material wird im Foliengießverfahren verarbeitet. Dazu wird die Materialmischung als Suspension aufbereitet und in eine bestimmte Foliendicke gegossen. Die geometrische Form und Größe der entstehenden Phase hängt hauptsächlich von der Temperaturbehandlung ab, ebenso die Homogenität der Verteilung. Als potentielle Gläser stehen einige zur Verfügung, die auf die Eignung für diesen Prozess in Erlangen untersucht werden. Nach dem Sintern wird die neu entstandene Phase selektiv nasschemisch herausgeätzt, wodurch ein maßgeschneiderter Porositätsgrad eingestellt werden kann. Entsprechend des Porositätsgrades und der Porengröße wird eine geeignete Dünnfilmmetallisierung entwickelt, die die Poren überdeckt und zum Beispiel als Heizerelement geeignet ist. Dementsprechend wird die Metallisierung auf ihre elektrischen Eigenschaften, sowie ihrer Langzeitstabilität untersucht. Als Demonstrator wird ein Pirani-Drucksensorelement aufgebaut, mit dem die niedrige thermische Leitfähigkeit des entwickelten Materials gezeigt werden soll. Des Weiteren wird die Permittivität des Materials untersucht, die ebenfalls eine wichtige Eigenschaft poröser, dielektrischer Materialien ist.

Low temperature co-fired ceramics (LTCC) ist eine robuste Substrattechnologie, die die Integration von miniaturisierten, elektrischen Durchführung und von passiven, elektrischen Bauelemente in den LTCC-Körper erlaubt. Auf Grund dieser Eigenschaften findet diese Substrattechnologie Verwendung als robuste und zuverlässige Leiterplatte bei erhöhten Temperaturen, im Bereich der drahtlosen Kommunikation oder bei Radaranwendungen. Insbesondere im zuletzt genannten Anwendungsbereich werden auf der Leiterplatte Bereiche in einer Lage benötigt, die eine hohe und eine niedrige Permittivität aufweisen, um z.B. die Bandbreite als auch eine effiziente Abstrahlcharakteristik der Antennenelemente zu gewährleisten. Daher werden Technologien benötigt, die es erlaubt definierte Bereiche mit maßgeschneiderten Permittivitätswerten zu erzeugen. Die Anwendung nasschemischer Ätzverfahren auf Teilbereiche von LTCC-Substraten ist aktuell Stand der Technik und erlaubt die lokale Reduktion der Permittivität. Diese Methode basiert auf dem Einschluss von Luft in oberflächennahe Bereiche des LTCC Substrates durch nasschemisch geätzte Poren, sodass Substratanteile, die eine hohe Permittivität aufweisen, durch Luft mit einer niedrigen Permittivität ersetzt werden. In früheren Arbeiten konnte nachgewiesen werden, dass grundsätzlich der vorgeschlagene Ansatz erfolgreich angewendet werden kann, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Das Hauptproblem dieser Methode ist jedoch die erhöhte Oberflächenrauheit, die durch den Ätzprozess entsteht, sodass eine nachfolgende Metallisierung, insbesondere in Dünnschichttechnik mit ihrer hohen, lateralen Strukturtreue, erschwert wird. Zudem wurde eine starke Zunahme der Dämpfungswerte in der Metallisierung gemessen. In all diesen Untersuchungen war die Porösiziertiefe auf max. 40 m beschränkt. Durch eine maßgeschneiderte Auswahl der Ätzlösuung und der Ätzbedingungen, insbesondere der Temperatur, konnte durch systematische Untersuchungen eine mehrere 100 m tiefe Porosifizierung erzielt werden, wobei die ursprüngliche Oberflächenqualität beibehalten wurde. Insofern ist es gelungen, auch in Dünnschichttechnik metallische Strukturen zu realisieren. Auf Grund der sehr hohen Porosifizierungstiefe stellt sich jedoch die Frage, ob die mechanische Robustheit der modifizierten LTCC noch gegeben ist bzw. wie stark sie abgenommen hat. Mit Hilfe einer temperaturabhängigen dynamisch-mechanischen Analyse wurde das Steifigkeitsverhalten der LTCC-Substrate nach dem nasschemischen Ätzen untersucht und vielversprechende Ergebnisse für die Anwendbarkeit solcher modifizierter Module erhalten, selbst wenn sie bei erhöhten Temperaturen von bis zu 550 C betrieben werden. Momentan werden die LTCC Substrate noch hinsichtlich ihrer dielektrischen Eigenschaften bis in den GHz-Bereich vermessen.