Technologien und Werkstoffe für eine neue Generation von Ferrit-Metall-Komposit Multilageninduktivitäten

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Töpfer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383431924

In der mobilen Kommunikation ist der Trend zur Miniaturisierung und Entwicklung immer komplexerer Funktionen ungebrochen, was auch die Diversifizierung der Betriebsspannungen beinhaltet. Die Umwandlung der Batteriespannung und damit Bereitstellung von Energie für den Betrieb von Prozessoren und Schaltkreisen wird von DC-DC Konvertern realisiert, die gleichfalls immer weiter miniaturisiert werden und gleichzeitig höhere Leistungsdichten bereitstellen müssen. Für diese Funktionen werden neuartige Induktivitäten benötigt, die sich durch verbesserte Eigenschaftsprofile, z.B. gute DC-Bias-Eigenschaften, oder geringe Verluste auszeichnen. Die keramische Multilagentechnik bzw. die LTCC Technology (Low-Temperature Ceramic Cofiring) sind moderne Technologien zur Herstellung von DC-DC-Konverter-Modulen. So können Werkstoffe in Form von keramischen Folien und Pasten zu monolithischen Multilayer-Bauelementen, bzw. als Multilayer-Induktivitäten in LTCC-Substrate integriert und zu komplexen Modulen verarbeitet werden. Neuartige Konzepte für DC-DC-Konverter gehen von Multilagen-Ferrit-Kompositmodulen aus, die als Substrate verwendet und mit SMD-Bauelementen bestückt werden können. Im beantragten Vorhaben sollen Werkstoffe und Prozesse zur Herstellung von neuartigen Ferrit- Metall-Komposit-Induktivitäten erarbeitet werden. Aus der Kombination von Ni(Cu)Zn Ferriten und FeSiCr-Legierungen zu Komposit-Multilagenbauelementen sollen verbesserte magnetische Bauelementeigenschaften generiert werden. Dazu müssen die Werkstoffe angepasst und die Sinterverfahren zur Herstellung dieser Multilagenbauelemente entwickelt werden. Dazu sollen folgende Schwerpunkte untersucht werden: (1) Untersuchung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Ni(Cu)Zn Ferrite gesintert unter reduzierenden Bedingungen, (2) Cofiring von Ni(Cu)Zn Ferriten mit Base Metal Elektroden, und (3) Constrained Sintern von Ni(Cu)Zn Ferriten und FeSiCr Legierungen im Multilagenverbund. Dies beinhaltet die Untersuchung von der Stabilität der Ferrite unter reduziertem Sauerstoffpartialdruck, der Korrelationen zwischen Zusammensetzung, Kristallstruktur, Kationenverteilung, Gefügestruktur und funktionalen Eigenschaften der unter reduzierenden Bedingungen bei 900°C gesinterten Ferrite. Die Ferritlagen werden mit Lagen aus FeSiCr-Legierungen in der keramischen Multilagentechnologie integriert und druckunterstützt gesintert werden. Diese Vorhaben soll als gemeinsames Kooperationsprojekt zwischen Prof. J. Töpfer (Ernst-Abbe Hochschule Jena, Germany) und Prof. H.-I Hsiang (National Cheng Kung University, Taiwan) durchgeführt werden. Die deutsche Gruppe wird sich vorrangig auf die festkörperchemischen Problemstellungen der Entwicklung der funktionalen Keramikwerkstoffe unter reduzierenden Bedingungen konzentrieren, während der Fokus der taiwanesischen Gruppe insbesondere auf der Entwicklung der metallischen Werkstoffe und deren Implementierung in die Multilayer-Technologie liegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hsing-I Hsiang