Mikrostrukturierung von LTCC-Grünfolien durch Prägen

Bartsch de Torres, Heike GND

Gegenstand dieser Arbeit ist die Beschreibung und Optimierung des Prägeverfahrens zur Formgebung keramischer Mehrlagensubstrate (LTCC = Low Temperature Cofired Ceramics) im Mikrobereich.Die im Gefüge ablaufenden Prozesse sowie der Kraftfluss im Komposit werden aus der Werkstoffbeschaffenheit erklärt. Experimentelle Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften kommerziell verfügbarer LTCC-Grünfolien unter Scherbelastung und Druckbelastung werden zur quantitativen Beurteilung von Elastizität, Plastizität und Kompressibilität durchgeführt. Die Herausarbeitung der für den Abformprozess bestimmenden Materialeigenschaften und Gestaltungsfaktoren erfolgt anhand unterschiedlicher Geometrien wie Kavitäten und Feinstrukturen durch visioplastische Versuche und Profilmessungen. Hierauf basiert die im Rahmen der Arbeit erarbeitete phänomenologische Beschreibung des Prägevorgangs. Unter Nutzung der DoE-Methodik wird der Prägeprozess systematisch optimiert. Der Parameterbereich wird anhand der mechanischen Materialeigenschaften eingegrenzt. Für das Material DP 951 ist das Optimum innerhalb des Prozessfensters zur Abformung von Feinstrukturen beschrieben. Zusätzlich werden weitere Ergebniskriterien wie die Formfüllung, stressbedingte Verformung und Entformbarkeit in die Optimierung einbezogen. Als signifikantester Prozessparameter erweist sich die Schmierung. Trockenschmierschichten und Trennmittel werden auf Wirksamkeit und Prozesskompatibilität geprüft. Dabei erweist sich die Nutzung von Leinöl als geeignete Schmiermethode zur Abformung von 80 µm tiefen Feinstrukturen mit einer Breite von 50 µm. Die Stabilität der Lagetoleranzen als wesentlicher Aspekt der fertigungstechnischen Eingliederung des Prägens in LTCC-Arbeitsabläufe wird anhand einer Studie nachgewiesen. Die ermittelte Positionsgenauigkeit beträgt 0,05 % oder besser. Funktionelle Vorteile geprägter Mikrostrukturen zeigen sich bei sensorischen und fluidischen Anwendungen. Durch die Oberflächenglättung beim Prägen von Siebdruckschichten steigt das Dichtverhalten von LTCC-Membranventilen auf das Dreifache. Die Integrierbarkeit von Dichtsitzgeometrien in eine monolithisch hergestellte Ventilkammer durch Siebdruck von Karbonpasten ist gegeben. Fluidkanäle sind ohne Fremdstoffe unter ausschließlicher Verwendung von LTCC-Standardtechnologien realisiert. Ihre Integration in freitragende Brücken oder Membranen ermöglicht die thermisch entkoppelte Durchflussmessung in Fluidsystemen bei gleichzeitiger Biokompatibilität.Sensorspulen profitieren von der Gütesteigerung, die sich aus der Querschnittserhöhung geprägter Leiterbahnen ergibt. Die Empfindlichkeitssteigerung von LTCC-Wirbelstromsensoren durch Nutzung der Prägetechnologie um Faktor zwei ist nachgewiesen.

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Bartsch de Torres, Heike: Mikrostrukturierung von LTCC-Grünfolien durch Prägen. 2010.

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