MCL – MATERIALS CENTER LEOBEN FORSCHUNG GMBH
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FORSCHUNGSPROGRAMM
COMET K
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MPPE
Highlights
Mechanische Zuverlässigkeit von LTCC-
Komponenten für automotive Anwendungen
LTCCs (Low Temperature Co-fired Ceramic), auch bekannt als keramische Leiterplat-
ten, kommen als hochpräzise elektronische Bauelemente unter anderem bei Hochfre-
quenzanwendungen und in der Automobilindustrie zum Einsatz. Der Markt für LTCCs
bietet in den nächsten Jahren deutliches Wachstumspotenzial, was sich sehr positiv
auf die österreichische Wirtschaft auswirken wird. Dieses Projekt hat entscheidend
dazu beigetragen, besonders robuste LTCC-Designs zu entwickeln. Darüber hinaus
wurde ein auf FE-Modellen basierendes Designtool entwickelt, mit dessen Hilfe die
mechanischen Beanspruchungen während der Produktion bzw. im Einsatz analysiert
und somit das Enddesign dieser Komponenten verbessert werden kann.
LTCCs bestehen aus einem dreidimensionalen Mikronetzwerk aus Metallstrukturen,
die in einem Glas-Keramik-Substrat eingebettet sind. Das Co-Sintern des kerami-
schen Substrats mit den metallischen Leiterbahnen bei Temperaturen von ca. 900° C
erlaubt die Verwendung von Ag und Cu als Elektrodenmaterial (siehe Abbildung c). Im
Vergleich zu typischen Kunststoffleiterplatten (z.B. PCB) weisen LTCCs eine höhere
thermomechanische Stabilität auf (d.h. höherer Elastizitätsmodul, geringerer thermi-
scher Ausdehnungskoeffizient) und können höheren Beschleunigungen standhalten
(
bis ca. 60 g). LTCCs können bei hohen Temperaturen (bis 180° C) eingesetzt werden
und eignen sich daher für Systeme, die sowohl thermischen als auch mechanischen
Belastungen ausgesetzt sind.
HF-Modul mit LTCC-Substrat
© Continental Automotive GmbH
Ein wesentliches Problem bei der Herstellung von LTCCs ist die Kombination von
Materialen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, die zu hohen lokalen
Spannungen führen können. Diese internen Spannungen können evtl. zu einer Ent-
stehung von Rissen führen (siehe Abbildung a) sowie zu Delaminationen zwischen den
Keramiklagen und den Metallelektroden. Hauptziel dieses Projekts war die Identifi-
zierung von „Schwachstellen“ im Design von LTCCs. Zu diesem Zweck wurden neue
miniaturisierte Testmethoden entwickelt (siehe Abbildung b), um die mechanische
Festigkeit an verschiedenen Stellen im Inneren der Komponente zu bestimmen. Die
Untersuchungen quantifizierten den Einfluss von Feuchtigkeit auf die mechanische
Festigkeit und Lebensdauer von LTCC-Substraten. Dieses Know-how wurde an die
am Projekt beteiligten Unternehmen weitergegeben und hat bereits Eingang in die
Prozessführung in der LTCC-Produktion gefunden.