Sinterung von Glasmatrix-Kompositen mit partiell löslicher kristalliner Dispersphase
Final Report Abstract
Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) Multilayersubstrate werden für das ceramic packaging in der Mikrosystemtechnik und Sensorik, zum Beispiel im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik oder der Automobilelektronik eingesetzt. Zum großen Teil werden hierbei Glasmatrixkomposite (GMC) eingesetzt, die oft aus feindispersen Alumoborosilicatgläsera (im Bereich weniger μm) und ebenso feinkörnigen Disperspartikeln wie α-Al2O3 hergestellt werden. Neben vielen anderen Vorteilen ermöglicht dieses Konzept durch geeignete Wahl von Art und Menge der GMC-Bestandteile eine große Vielfalt elektrischer, mechanischer und thermischer Werkstoffeigenschaften. Der hohe Glasanteil ermöglicht zudem niedrige Sintertemperaturen, die für das co-firing mit metallischen Leiterbahnen (z.B. aus Silber) erforderlich sind. Ebenso vorteilhaft ist die kontinuierliche Einstellbarkeit der Werkstoffeigenschaften. Ein Problem besteht jedoch in der Beherrschung der komplexen Phänomene beim LTCC-Brennprozess. So erschweren die oft gegenläufigen Wechselwirkungen zwischen Sinterung, Kristallisation und etwaigen Lösungsprozessen der Disperspartikel in der Matrix die Vorhersage der erreichbaren Verdichtung, der Verdichtungstemperatur und der Eigenschaftsprofile. Die diesbezüglichen stofflichen als auch kinetischen Grundlagen waren zum Zeitpunkt der Antragstellung weitgehend unverstanden und die Materialentwicklung auf ein empirisches Vorgehen beschränkt. Um den Zugang zu neuen LTCC-Materialsystemen für den Materialentwickler zu erleichtem, sind im vorliegenden Projekt die komplexen sterischen und chemischen Einflüsse der Disperspartikel auf die Sinterung und Kristallisation fiir LTCC-typische Verhältnisse (Glastyp, Heizrate 5K/min, Korngrößen im Bereich weniger μm) untersucht worden. Mit Hilfe zweier, unterschiedlich reaktiver Modellgläser wurden beide Einflüsse voneinander separiert. Die sterischen Effekte feinkörniger Disperspartikel wurden an GMC aus Bariumalumoborosilicatglas (BABS) und Dispersphasengehalten von ϕ = 0-45 Vol. % Korund studiert, für die im Rahmen technologisch relevanter Sinterregimes keine Auflösungs- und Kristallisationseffekte nachweisbar sind. Mit zunehmendem Korundanteil ϕ erfolgt dabei eine Verlangsamung der Schwindung und eine Reduktion der maximal erreichbaren Schwindung. Diese Effekte können durch die Erhöhung der effektiven Viskosität ηeff und die zunehmende Häufigkeit von Disperspartikel-Clustern, welche Poren einschließen, erklärt werden. Die sinterkinetische Modellierung des Effekts kleiner inerter Einschlüsse gelingt mit einfachen Annahmen. So wird die Sinterung als Superposition der Sinterbeiträge von zufällig auftretenden und zusammengesetzten 3-Partikel-Clustern aufgefasst (Glas-, Kristall- und Misch-Cluster). Das Sintermodell erlaubt die Anpassung aller beobachteten Schwindungskurven mit einem geschlossenen Parametersatz. Nur ein Parameter ist frei anpassbar. Die sinterkinetischen Untersuchungen zeigen, dass das Anfangsstadium der Sinterung von der Viskosität der Flüssigphase, das Endstadium jedoch von der effektiven Viskosität des gesinterten (dichten) Komposits bestimmt wird. Der beobachtete Anstieg der tur den Sinlerprozess wirksamen Viskosität während des Sinterverlaufs kann gut mit der zunehmenden Benetzung der Komndpartikel durch die Flüssigphase beschrieben werden. Lösungseffekte feinkömiger Disperspartikel wurden an GMC aus einem Calciumalumoborosilicatglas (CABS) und Korund mit Φ = 0,25 untersucht. Überraschend zeigte sich, dass Lösungseffekte erst nach Abschluss der Sinterung auftreten und die Sinterkinetik nicht beeinflussen. Daher gelang auch fiir dieses System eine gute Beschreibung des Sinterverhaltens mit dem beschriebenen Modell. Auch die primäre Wollastonitkistallisation wird nicht nachweisbar durch die Korundpartikel beeinflusst, die insbesondere keine keimbildenden Unterlagen für Wollastonit bilden. Die partielle Lösung der Dispersphase beeinflusst jedoch stark den Verlauf der Kristallisation oberhalb 900°C. Hier tritt eine ausgeprägte Anlösung der Korundpartikel sowie die Ausscheidung von Anorthitkristallen auf, deren Al2O3-Gehalt nicht durch das Basisglas gedeckt ist. Diese unterschiedlichen Beobachtungen sind mit einer starken Temperaturabhängigkeit, der AI-Diffusion im Glas erklärbar, wie diese an Diffusionspaaren aus CABS Gläsem mit Al2O3- Gehallen von 4,7 und 14,6 mol% beobachtet werden konnte und in der Literatur auch fiir andere Alumoborosilicatgiäser berichtet wird. Aufgrund der beobachteten komplizierten kinetischen Balance zwischen Sinterung, Primärkristallisation und den Lösungseffekten der Korund-Dispersphase sollten künftige Arbeiten auf diesem Gebiet auch den Einfluss geänderter Korngrößen sowie auch andere Disperspartikel (z.B. ZrO2) mit einbeziehen. Damit würden zugleich die Anwendungsgrenzen des entwickelten kinetischen Modells fiir die Sintemng von GMC mit feinkörnigen Disperspartikeln getestet. Eine Verwertung der Forschungsergebnisse erfolgt im Rahmen der Weiterentwicklung von LTCC-Werkstoffen und Glasloten im Rahmen mehrerer weiterführender öffentlicher und industriefinanzierter Forschungsvorhaben. Femer sind die Projektergebnisse durch Tagungsbesuche und durch ausfuhrliche Vorträge bei fuhrenden deutschen LTCC-Herstellem direkt in den potentiellen Anwenderkreis getragen worden.
Publications
- Effect of dispersed Al2O3 particles on sintering of glass matrix composites. Proceedings of the 10th ECerS Conf edited by J. G. Heinrich and C. Aneziris (2007), 290-295, Beriin
S. Reinsch, R. Müller, M. Eberstein, J. Deubener, A. Thiel, W.A. Schiller
- Effect of rigid inclusions on sintering of LTCC. Eur. J. Glass Sci. Technol. B 48 [4] (2007), 259-266
R. Müller, M. Eberstein, S. Reinsch, J. Deubener, A. Thiel, W.A. Schiller
- Kinetic modelling of LTCC shrinkage: Effect of Alumina content. Journal of Microelectronics and Electronic Packaging, 4[4] (2007), 173-180
M. Eberstein, R. Müller, S. Reinsch, T. Rabe, W. A. Schiller, A. Thiel, and J. Deubener
- Effect of Alumina Enrichment on the Viscosity of Barium and Calcium Borosilicate Glasses for LTCC Applications. 9th ESG Conf with the Annual Meeting of the ICG Glass - The challenge for the 21st century. Trencin, Slovakia, 22.06.2008 bis 26.06.2008
M. Eberstein, S. Reinsch, C. Jäger, M. Nofz, R. Müller, J. Deubener
- Effects of dispersed Al2O3 particles on sintering of LTCC. Advanced materials research 39-40 (2008), 375-380
R. Müller, S. Reinsch, M. Eberstein, J. Deubener, A. Thiel, W.A. Schiller
- Sintering of LTCC. Ceramic Forum International cfi 85 [13] (2008), 12-17
W.A. Schiller, R. Müller, M. Eberstein, S. Reinsch, T. Rabe
- Dissolution of alumina, sintering, and crystallization in glass ceramic composites for LTCC. J. Am. Ceram. Soc. 92 [8] (2009), 1703 - 1708
R. Müller, R. Meszaros, B. Peplinski, S. Reinsch, M. Eberstein, W.A. Schiller, J. Deubener
- Sintering of glass matrix composites with small rigid inclusions. J. Eur. Ceram. Soc. 29 [12] (2009), 2469 - 2479
M. Eberstein, S. Reinsch, R. Müller, J. Deubener, W.A. Schiller
- Dissolution Behavior of Alumina in Low Temperature Co-fired Ceramics. 10th ESG Conf with the 84 Annual Meeting of the DGG, Magdeburg, Germany, 30.05.2010 bis 02.06.2010
M. Rosemann, S. Reinsch, R. Müller, A. Lenhart
