Integration metallorganischer Resinatpasten in niedrigsinternde Mehrlagenkeramiksysteme

Stöpel, Dirk GND

Die vorliegende Dissertation stellt die Integrationsmöglichkeiten von Resinatpasten in die niedrigsinternde Mehrlagenkeramiktechnologie (engl. Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) dar. Resinatpasten bestehen aus metallorganischen Edelmetallverbindungen (z.B. Gold, Silber, Platin), die in aromatischen Ölen gelöst sind. Diese Pasten können mittels kostengünstigen Siebdrucks wie klassische Dickschichtpasten aufgebracht werden. Die gesinterte Schichtdicke beträgt hierbei nur 100 nm bis 1 [my]m. Durch Ätzen können diese dünnen ausgebrannten Schichten sehr fein strukturiert werden. Die Strukturauflösung wird im einstelligen Mikrometerbereich hauptsächlich durch die Rauheit und Verwölbung der Substrate limitiert. Die Verwendung einer vollflächig gedruckten Resinatschicht als Ausgangspunkt für einen galvanischen Schichtaufbau ist besonders interessant. Bei diesem Verfahren werden nach einem fotolithografischen Prozess die gewünschten Strukturen galvanisch verstärkt und anschließend die Startschicht geätzt. Für die fokussierten Hochfrequenzanwendungen konnte die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Feinstrukturierungstechnologie erfolgreich nachgewiesen werden. Zur zuverlässigen Integration vollmetallischer feinstrukturierter Leiterzüge in LTCC-Module wird die Kombination aus Tape-On-Substrate-Technologie und druckunterstützendem Sintern empfohlen. Durch dieses Verfahren werden die nasschemischen Prozesse der Resinattechnologie vollständig von der flexiblen und leichten Strukturierbarkeit der Grünfolien im ungebrannten Zustand entkoppelt. Neben der Feinstrukturierung wurde eine lötbare und bondbare Schichtfolge auf Basis von Resinatpasten entwickelt. Die Eignung dieser Aufbau- und Verbindungstechnik wurde für Luft- und Raumfahrtanwendungen durch Qualifizierungsuntersuchungen erfolgreich nachgewiesen.

The presented thesis covers integration challenges for resinate pastes in low temperature co-fired ceramics (LTCC). Resinate pastes consist of metal-organic precious metal compounds such as gold, silver or platin dissolved in aromatic oils. These pastes can be applied just like thick film pastes using the low-cost method of screen printing. The resulting thickness of the sintered film is in the order of 0.1 to 1 micron. Fine structuring of the sintered layers is possible via etching. Resolution is limited to within the single digit micrometer regime, mainly due to roughness and warpage of the substrate. Of special interest is the use of a whole printed resinate layer as a starting point for galvanic material deposition and layer build-up. After a photo-lithographic step on the resinate the exposed parts are galvanically reinforced and the whole stack subsequently etched. For the targeted microwave applications where resolution and precision are crucial the benefits and applicability of this approach were successfully demonstrated. For the reliable integration of full metal high resolution signal traces in LTCC-modules a combination of tape on substrate (TOS) and pressure assisted sintering is recommended. This ensures complete separation of the wet chemical processing of resinate pastes from the handling of the flexible and easily structured green tapes (unsintered material). In addition to the fine line structuring work a solderable and bondable layer composition based on the resinate pastes was developed. The qualification of this assembly and integration technology for avionics and space applications was successfully performed.

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Stöpel, Dirk: Integration metallorganischer Resinatpasten in niedrigsinternde Mehrlagenkeramiksysteme. Ilmenau 2018.

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