Das Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption, Entwicklung sowie Herstellung und Charakterisierung von neuartigen und bisher nicht verfügbaren robusten, vollkeramischen und piezoelektrischen Modulen. Die Innovation dieser Arbeit besteht in der Integration einer aktiven piezokeramischen Komponente (z. B. Bleizirkonattitanat, kurz: PZT) in eine passive Komponente (LTCC) und führt hierbei zu einer Lösung der oben genannten Herausforderungen. Des Weiteren entspricht dieser Ansatz der Adaptronik, also Bauteile die „intelligent“, leicht und leistungsfähig sind.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Die LTCC (low temperature co-fired ceramics) ist eine etablierte Technologie in der Elektronik für die Herstellung von keramischen Schaltungen zur Anwendungen u. a. im Automobil- sowie Tele- und Kommunikationsbereich. In der Arbeit wird die Schwindungsgenauigkeit von LTCC Mehrlagensubstraten im freien Sintern bewertet und optimiert, indem ein anwendungsnaher Technologieeinsatz mit materialwissenschaftlichen Untersuchungen verknüpft wird.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Elektrochemische Prozesse an metallischen Dickschichten auf keramischen Trägermaterialien können zur Korrosion dieser Werkstoffverbunde führen. Systematische Untersuchungen an siebgedruckten Golddickschichten auf LTCC in verdünnten Säuren dienten der Aufklärung stattfindender Korrosionsmechanismen.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Das Ziel dieser Arbeit ist, die Grenzen des traditionellen thermischen Managements für die Flip-Chip-Technologie auf LTCC-Modulen für mobile Handgeräte aufzuzeigen und die Zuverlässigkeit bezüglich rascher und langsamer Temperaturwechselbelastungen zu untersuchen. In der traditionellen LTCC-Technologie gibt es zwei Varianten, um den Wärmetransport zu erhöhen, vertikal angeordnete thermische Durchkontaktierungen und horizontale Wärmespreizer. Weiter wird der Einfluss des Underfillers und des Bump-Materials untersucht. Für die thermischen Untersuchungen werden sowohl Messungen an produktnahen Proben als auch FE-Simulationen verwendet. Ferner sollen weiterführende Möglichkeiten des thermischen Managements gefunden und bewertet werden, auch wenn die aufwendigeren Prozesse und Materialkombinationen noch nicht die Anforderungen an eine Massenfertigung erfüllen. Um das thermische Management zu verbessern, wurden die Möglichkeiten der Cavities, die mechanische Nachbearbeitung von LTCC-Modulen, das Sputtern und das galvanische Abscheiden zur Metallisierung eingesetzt. Die Zuverlässigkeit des traditionellen LTCC-Flip-Chip-Moduls wurde durch experimentelle Zuverlässigkeitsuntersuchungen charakterisiert. Dafür wurden Daisy-Chain-Aufbauten mit und ohne Underfill verwendet. Zur Beurteilung der Lotstelle und der Rissausbreitung wurden Querschliffe, Lichtmikroskop- und REM- Aufnahmen benutzt.
Aktualisiert: 2022-11-03
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Die LTCC (low temperature co-fired ceramics) ist eine etablierte Technologie in der Elektronik für die Herstellung von keramischen Schaltungen zur Anwendungen u. a. im Automobil- sowie Tele- und Kommunikationsbereich. In der Arbeit wird die Schwindungsgenauigkeit von LTCC Mehrlagensubstraten im freien Sintern bewertet und optimiert, indem ein anwendungsnaher Technologieeinsatz mit materialwissenschaftlichen Untersuchungen verknüpft wird.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Elektrochemische Prozesse an metallischen Dickschichten auf keramischen Trägermaterialien können zur Korrosion dieser Werkstoffverbunde führen. Systematische Untersuchungen an siebgedruckten Golddickschichten auf LTCC in verdünnten Säuren dienten der Aufklärung stattfindender Korrosionsmechanismen.
Aktualisiert: 2023-03-31
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In der vorliegenden Arbeit werden aktive Multiple-Feed-per-Beam-Antennen für K-Band-Kommunikationssatelliten untersucht. Es wird gezeigt, dass die benötigte Gesamtleistung einer Sendeantenne reduziert werden kann, wenn Leistungsverstärker durch mehrere Beams genutzt werden. Für eine solche Antenne wird eine Architektur entwickelt bei der Halbleiterverstärker (SSPAs) in die Einzelantennen integriert werden. Dies ermöglicht den Einsatz von Stellkomponenten und Leiterplattentechnologie in den Strahlformungsnetzwerken. Die Integration von SSPAs in GaN-Technologie in ein kompaktes Verstärkermodul wird experimentell untersucht. Dabei wird gezeigt, dass die Verlustwärme trotz der hohen Leistungsdichte abgeführt werden kann.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Das Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption, Entwicklung sowie Herstellung und Charakterisierung von neuartigen und bisher nicht verfügbaren robusten, vollkeramischen und piezoelektrischen Modulen. Die Innovation dieser Arbeit besteht in der Integration einer aktiven piezokeramischen Komponente (z. B. Bleizirkonattitanat, kurz: PZT) in eine passive Komponente (LTCC) und führt hierbei zu einer Lösung der oben genannten Herausforderungen. Des Weiteren entspricht dieser Ansatz der Adaptronik, also Bauteile die „intelligent“, leicht und leistungsfähig sind.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Dynamische Differenzkalorimeter sind weit verbreitete Messgeräte, um Wärmemengen von chemischen oder physikalischen Vorgängen zu quantifizieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Wärmestromsensoren von Tian-Calvet-Kalorimetern. Geräte dieses Typs zeichnen sich dadurch aus, dass eine große Anzahl von Thermoelementen genutzt wird, um bei einem großen Probenvolumen eine hohe volumenspezifische Empfindlichkeit zu erreichen.
In dieser Arbeit wird versucht, die dafür notwendigen Wärmestromsensoren mittels der keramischer Mehrlagentechnik (LTCC) herzustellen, anstatt sie, wie beim Stand der Technik, aus mehreren hundert geschweißten Drähten aufzubauen.
Dabei geht diese Arbeit zunächst auf die prinzipielle Machbarkeit des Vorhabens mittels eines FEM-Modells ein und es wird ein Weg aufgezeigt, wie mittels der keramischen Mehrlagentechnik dreidimensionale Sensoren aufgebaut werden können. Im Weiteren werden verschiedene Designs der Sensoren und deren Bauteilen hergestellt und mittels Kalibrationsmessungen mit elektrischen Proben hinsichtlich ihrer Stabilität und Empfindlichkeit getestet.
Der finale, optimierte Aufbau zeigt schließlich anhand von Benchmark-Messungen an realen Kalibrationsmaterialien, dass es möglich und sinnvoll ist, die Wärmestromsensoren für ein Kalorimeter des Tian-Calvet-Typs in keramischer Mehrlagentechnik aufzubauen.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Die Entwicklung der Elektronik schreitet stetig voran. Durch die steigende Funktionsdichte einzelner Baugruppen und die damit einhergehende Miniaturisierung gewinnt das thermische Management zunehmend an Bedeutung. Die hierdurch wachsenden Anforderungen an den Schaltungsträger hinsichtlich der thermischen Performance erfordern die Verbesserung von bestehenden und die Entwicklung von neuen Entwärmungskonzepten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Entwärmung von Komponenten auf keramischen Schaltungsträgern. Die Arbeit umfasst dabei drei Schwerpunkte: Chipmontage, Wärmespreizung und Wärmeableitung. Die thermische Performance von Chipmontageverfahren wie Silbersintern und reaktives Löten wird ermittelt. Neuartige Silberstrukturen werden im Keramiksubstrat integriert und die Wärmespreizfähigkeit dieser simulativ und messtechnisch qualifiziert. Zudem werden Flüssigkeitskühlkonzepte für keramische Schaltungsträger vorgestellt und mittels Simulation und Messung bewertet.
Aktualisiert: 2020-01-14
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Designprozess von Mehrlagenmodulen aus Niedertemperaturkeramik (LTCC – Low Temperature Cofire Ceramic) unter Fokussierung auf das thermische Management und die Zuverlässigkeit in Abhängigkeit der eingesetzten Technologien. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Identifikation der technologiebedingten Abhängigkeiten sowie der Abhängigkeiten der Designprozesse für die elektrotechnische und thermische Auslegung sowie der Zuverlässigkeit untereinander. Basierend auf den Grundlagen werden verschiedene keramische Drahtbond-Package-Aufbauten mittels Simulation und Messung untersucht und die Einflussfaktoren ausgehend vom LTCC-Verdrahtungsträger über die Package-Montage auf der Leiterplatte bis hin zur Chip-Montage identifiziert.
Dabei zeigt sich u. a., dass ein thermisches Via direkt unter einem Hot Spot ein Via-Feld ersetzen kann oder dass eine silbergefüllte Klebstoffverbindung dieselben thermischen Eigenschaften wie eine Lötverbindung erreicht.
Die Zuverlässigkeit wird anhand eines hochfrequenztauglichen keramischen LGAPackages drei verschiedener Größen (5x7,5 mm²; 10x15 mm² und 14x20 mm²) untersucht. Ausgehend von der LTCC-Technologie wird die Haftfestigkeit unterschiedlicher lötbarer Dickschichtmetallisierungen auf drei verschiedenen LTCCTapes (DP 951, DP 943, CT 707 BF) analysiert sowie die Einflussfaktoren, wie Lot, Lotmenge, Oberflächenbeschaffenheit, Sinterbedingungen usw., charakterisiert. Durch eine entsprechende Wahl der Metallisierung und Prozessierung sind Scherfestigkeiten von über 1300 cN bei 0204-Bauelementen möglich. Anschließend werden die Parameter des lunkerfreien Package-Montageprozesses identifiziert und im Folgenden die Einflussfaktoren (Package-Größe, Lot, Dickschichtmetallisierung) auf die Zuverlässigkeit für einen repräsentativen Standardaufbau für die Anwendung in der Telekommunikation mittels dreier Temperaturwechselzyklen (-55/125°C; -40/125°C; 0/100°C) und mittels Vibrations- und Schwingungstests bestimmt.
Zum Abschluss wird die verwendete LTCC-Technologie im Bezug zur Aufbau- und Verbindungstechnologie (AVT) genauer betrachtet. Dazu wird ein technologisches Verfahren basierend auf der LTCC-Technologie dargestellt, welches die Vorteile der Dickschichttechnologie (einfache Prozessierbarkeit, Realisierbarkeit über Cofire-Prozesse) mit denen der Dünnschichttechnologie (Strukturauflösung, Reproduzierbarkeit, Prozesstoleranz) vereint und so den Einsatz von drahtbondbaren Chips als Flip-Chip auf einem LTCC-Verdrahtungsträger ermöglicht.
Aktualisiert: 2020-02-03
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Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Erhöhung des Integrationsgrades in keramischen Substraten
bei gleichzeitiger Verbesserung der HF-Eigenschaften und Erweiterung der Bandbreite
integrierter LTCC-basierter Lösungen zu erzielen. Diese Lösungen beinhalten passive
Bauelemente, z.B. Induktivitäten und Kapazitäten, Leitungen und Leitungsübergänge. Diese
Ziele lassen sich durch den gleichzeitigen Einsatz von Fine-Line-Strukturen, Mikro-
Durchkontaktierungen und optimierte Entwurfsrichtlinien bzw. Designs für alle zu
integrierenden Elemente erreichen. Die dazu notwendigen optimierten Designs werden mittels
Feldsimulationen erarbeitet.
Als Fine-Line-Strukturierungstechnologie wurde der Photostrukturierprozess von
Dickschicht-Pasten auf und in LTCC charakterisiert und optimiert. Dabei wurden
verschiedene photostrukturierbare Leitpasten von DuPont (Fodel®-Pasten) für Cofire- sowie
Postfire-Prozesse untersucht. Weiterhin wurde die Realisierbarkeit der Kombination von
Fodel®-Strukturen und Mikro-Durchkontaktierungen untersucht. Entwurfsregeln für diese
Kombination und Anpassungsregeln zur zielgerichteten Dimensionierung vergrabener und
freiliegender Fodel®-Strukturen wurden erarbeitet.
Zunächst wurden Designrichtlinien für ein- bzw. mehrlagige LTCC-HF-Interdigitalkondensatoren
mit niedrigeren Kapazitätswerten für höhere Frequenzen (über 1GHz) aus Simulationsergebnissen
abgeleitet. Auswertungskriterium für alle der vorgestellten Kondensatorgeometrien
war eine optimale Ausnutzung der Kondensatorfläche bzw. des -volumens bezüglich
der maximal erreichbaren Kapazitätsdichte bei möglichst minimalen parasitären Effekten.
Die HF-Eigenschaften integrationsfähiger LTCC-Spulen verschiedener Geometrien wurden
durch 3D-Feldsimulationen und Messungen untersucht und charakterisiert. Verschiedene
Kriterien zur Verbesserung der HF-Eigenschaften von Spulen wurden diskutiert und die
erzielten Ergebnisse dargelegt. Die Vorteile und das Potenzial der passiven Integration in
LTCC-Substraten wurden am Beispiel eines 10GHz-Tiefpass-Filters gezeigt.
HF-Signale werden mit unterschiedlichen HF-Leitungen zwischen den Bauelementen bzw.
Ein- und Ausgänge einschließlich notwendiger Übergänge geführt. Um dies breitbandig
gewährleisten zu können, wurden die HF-Eigenschaften einiger HF-Leitungen hinsichtlich
ihrer Bandbreite untersucht und Entwurfsrichtlinien erstellt. Die Erkenntnisse dieser
Untersuchungen wurden bei der Optimierung unterschiedlicher Leitungsübergänge für
Frequenzen bis 65GHz verwendet.
Aktualisiert: 2020-02-05
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem druckunterstützten Sintern von LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics). Hierbei handelt es sich um einen Prozess, der die in keramischen Systemen übliche Sinterschrumpfung in lateraler Ebene weitgehend eliminiert.
Es wurde zunächst eine analytische und experimentelle Charakterisierung dieses Prozesses durchgeführt. Die Resultate zeigten, dass neben der bereits häufig diskutierten Verringerung der lateralen Toleranzen weitere Vorzüge mit dem druckunterstützten Sintern verbunden sind. Es werden neue Technologien nutzbar, die in Systemen mit lateraler Schwindung kaum beherrschbar sind. So wird beispielsweise die Realisierung von Multimaterialsystemen erleichtert.
Die Integration von Fremdmaterialien in LTCC-Mehrebenensubstrate wurde darum eingehend untersucht. Vielversprechend ist neben der Einbringung sinteraktiver Materialien in Form von Folien oder Pasten auch die Möglichkeit der Nutzung nicht sinteraktiver Werkstoffe. Als Beispiel hierfür wurden Prozesse entwickelt, die es erlauben vollmetallische (also nicht pastenbasierte) Leiter mit hoher Strukturauflösung in LTCC-Module zu integrieren. Die Charakterisierung der Eigenschaften solcher Systeme wies verschiedene Vorzüge hinsichtlich der elektrischen Leistungsfähigkeit nach.
Ein Vorteil der LTCC-Technik ist die leichte Strukturierbarkeit im ungebrannten Zustand. Dies erleichtert die Herstellung dreidimensionaler Geometrien. Beim druckunterstützten Sintern sind derartige Strukturen prinzipbedingt problematisch, sie werden jedoch oft seitens der Anwender gefordert. Deshalb wurden verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung dreidimensionaler Strukturen untersucht bzw. vorgestellt.
Sequentielles Sintern oder die Verwendung von Negativformen während des Sinterns erlauben, zumindest für einige Anwendungsfälle, die Herstellung dreidimensionaler Geometrien in Kombination mit dem druckunterstützten Sintern. Dies wurde an Beispielen dargestellt.
Der sinnvolle Einsatz des technologisch aufwändigen druckunterstützten Sinterns ist dann gegeben, wenn durch die spezifischen Vorzüge eine Steigerung der Funktionalität von LTCC-Systemen möglich ist, die andere Technologien nicht in gleicher Qualität erlauben. Die vorgestellte Arbeit befasst sich mit verschiedenen Technologievarianten, die dazu zukünftig einen Beitrag leisten können.
Aktualisiert: 2020-02-05
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Ein neuartiges Miniaturisierungskonzept für ein Dynamisches Wärmestrom-Differenzkalorimeter (Differential Scanning Calorimeter, DSC) wird vorgestellt. Übliche DSC-Geräte bestehen aus Ofen, Messzelle, Tiegel und Elektronik. Der hier beschriebene DSC-Chip ist Ofen und Messzelle zugleich. In einer Ausführungsform ist auch bereits der Tiegel enthalten. Heizer (Ofen) und Temperatursensoren sind im neuen Kalorimeter auf einen Keramikmonolithen mit vergrabenen planaren Temperatursensoren und einen Heizer reduziert. Dabei entsteht durch die Miniaturisierung keine Einschränkung in der Handhabung von Proben gegenüber der bisherigen Laborpraxis.
Vor der Umsetzung des Designs in eine reale Struktur wurde dessen Funktionsfähigkeit mittels numerischer Simulationen überprüft. Die Charakterisierung mehrerer Versionen dieses DSC-Chips unter verschiedenen Messbedingungen zeigte, dass es den herkömmlichen DSC-Geräten messtechnisch nahezu ebenbürtig ist.
Die kompakte Bauweise mit den damit einhergehenden niedrigen Fertigungskosten, dem niedrigen Energieverbrauch und der hohen Dynamik bei gleichzeitig einfacher Handhabung verschaffen dem keramischen DSC-Chip eine herausragende Position unter den bekannten Kalorimeterkonzepten und eröffnen Möglichkeiten zur Erweiterung der typischen Anwendungen und der Anwenderzielgruppen.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung unterschiedlicher Antennenkonzepte auf Mehrlagenkeramiken (LTCC) hoher Permittivität für zukünftige Radarsysteme im Frequenzbereich von 77 GHz bis 81 GHz.
Aktualisiert: 2021-12-01
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