Bestimmung von Materialkennwerten zur Realisierung von Hoch- und Höchstfrequenzkomponenten in LTCC

Rentsch, Sven GND

This work was carried out with the goal of finding process dependent, characteristic electric material properties in the 60 GHz frequency range in order to find a fitting design for LTCC high frequency structures. The determination of such material properties should additionally facilitate the development of a more efficient line transition interface.LTCC technology and the LTCC process were analyzed and evaluated in reference to chosen influencing factors, such as achievable structure size or dielectric loss characteristics, and with the aim of verification of high functionality. In order to facilitate the classification and characterization of experimental measurement values, consistent conditions and comparison parameters were defined. As a result, special emphasis was placed on permittivity. For high frequency design, knowledge of the interaction of the material with the electric field is essential. Through the creation of the LTCC process, however, the factors influencing the material properties become prominent. Initially, the effects of various sintering profiles from chosen high frequency structures were studied. As a result of process dependent geometric and dielectric changes in the material, a significant influence on the characteristic resonator structures in the frequency range of 60 GHz was established. From there a direct investigation of the material changes was necessary for an effective high frequency design. Furthermore, the sinter process dependant dielectric properties of the various commercially available materials were determined. For this a buried ring resonator was used as the object of investigation. By observation of certain process parameters, definite high frequency characteristics for the corresponding materials were determined.The integration of functional materials in LTCC multi layer substrates presents a considerable challenge. Through process optimization and an innovative “Tape Embedding” method, an electrically variable dielectric was successfully integrated into LTCC. With precise measurement alignment the permittivity for a continuous frequency region was determined. Similarly, the conductive properties for the LTCC metallization were investigated with direct current. Finally, a practical example of the validity of the calculated data is provided. For technological optimization a 3D electromagnetic field simulator was implemented.

Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, herstellungsabhängige elektrische Materialkennwerte für den Frequenzbereich von 60 GHz zu ermitteln, um eine genaue Vorhersage für ein prozessangepasstes Design von LTCC-Hochfrequenzstrukturen treffen zu können. Darüber hinaus soll durch die Ermittlung von präzisen Materialkennwerten die Möglichkeit geschaffen werden, die Schnittstellen verschiedener Leitungsübergänge effektiver zu gestalten.Unter dem Aspekt ausgewählter Einflussfaktoren, wie z. B. der erreichbaren Strukturauflösung oder den dielektrischen Verlusteigenschaften, und dem Ziel der Gewährleistung einer hohen Funktionalität wurden die LTCC-Technologie und der LTCC-Prozess analysiert und bewertet. Um die experimentellen Messwerte einzuordnen und zu charakterisieren, müssen einheitliche Messbedingungen definiert und Kenngrößen zur Vergleichbarkeit festgelegt werden. Schwerpunktmäßig wurde hierbei die Permittivität in den Vordergrund gestellt. Für das Hochfrequenzdesign ist die Kenntnis der Wechselwirkung der Materialien mit elektrischen Feldern essentiell. Anderseits werden durch die Gestaltung des LTCC Prozesses Faktoren wirksam, welche die Materialeigenschaften beeinflussen.Zunächst wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen Sinterprofilen an ausgewählten Hochfrequenzstrukturen untersucht. Infolge von prozessabhängigen geometrischen und dielektrischen Materialveränderungen wurde ein signifikanter Einfluss auf die Charakteristik resonanter Strukturen im Frequenzbereich von 60 GHz festgestellt. Daher ist für ein effektives Hochfrequenzdesign eine genaue Untersuchung der Materialveränderungen notwendig. Weiterhin wurden die sinterprozessabhängigen dielektrischen Eigenschaften verschiedener kommerzieller Materialien ermittelt. Dabei diente ein vergrabener Ringresonator als Untersuchungsobjekt. Bei Einhaltung bestimmter Prozessparameter ließen sich somit für die entsprechenden Materialien definierte Hochfrequenzcharakteristika bestimmen.Die Integration von Funktionsmaterialien in LTCC-Mehrebenensubstrate stellt eine weitere Herausforderung dar. Durch eine Prozessoptimierung und ein innovatives „Tape Embedding“ Verfahren wurde ein elektrisch verstellbares Dielektrikum erfolgreich in LTCC integriert. Mit einer besonderen Messanordnung konnte die Permittivität für einen kontinuierlichen Frequenzbereich bestimmt werden. Darüber hinaus wurden die Leitereigenschaften bei Gleichstrom für LTCC-Metallisierungen untersucht.Zum Schluss ließ sich an einem praktischen Beispiel der Nachweis der Nutzbarkeit der ermittelten Daten erbringen. Für die technologiegerechte Optimierung wurde dabei ein 3D-EM-Feldsimulator eingesetzt.

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Rentsch, Sven: Bestimmung von Materialkennwerten zur Realisierung von Hoch- und Höchstfrequenzkomponenten in LTCC. 2011.

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