TY - THES

T1 - Bestimmung der Festigkeit einer LTCC Keramik in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen

AU - Krautgasser, Clemens

N1 - gesperrt bis 16-06-2017

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) sind Funktionsbauteile, die als keramische Leiterplatten Verwendung finden. Sie werden vor allem in Bereichen angewendet, in denen besonders hohe Beanspruchungen (Temperaturen, Vibrationen, etc.) vorherrschen. Man findet sie z.B. in Mobiltelefonen, WLAN-, Bluetooth- oder Radar-Antennen. Die LTCC-Technologie liefert im Vergleich zur vorherrschenden PCB (printed circuit board)-Technologie eine bessere thermische, chemische und geometrische Stabilität der Bauteile. LTCC-Komponenten sind Laminate aus einer mit Keramikteilchen gefüllten Glasmatrix mit integrierten Metallstrukturen. Diese bilden im Bauteil ein kompliziertes dreidimensionales Netzwerk. Die Metallstrukturen und die Keramikfolien können bei relativ niedrigen Temperaturen (um 900 °C) gemeinsam mit der Keramik gesintert werden. Die geringen Sintertemperaturen ermöglichen den Einsatz guter elektrischer Leiter wie Silber, Gold oder Silber-Paladium-Legierungen für die Metallisierung. Da LTCCs vor allem in extrem beanspruchten Bereichen verwendet werden, kommt ihrer mechanischen Festigkeit, ihrem Risswiderstand und ihrer Lebensdauer im Einsatz besondere Bedeutung zu. Um sichere Bauteile zu konstruieren muss das Entstehen und Wachsen von Rissen verstanden werden. Dabei ist vor allem auch das unterkritische Risswachstum (engl.: subcritical crack growth) zu berücksichtigen, das bevorzugt in Gläsern auftritt. In dieser Arbeit wurde die biaxiale Festigkeit von LTCC-Proben (ohne integrierte Metallstrukturen) in verschiedenen Umgebungsmedien (Wasser, Luft, Silikonöl, Argon) und bei verschiedenen Temperaturen (– 40 °C bis 125 °C) mit dem 4-Kugelversuch bei unterschiedlichen Lastraten gemessen. Die Experimente zeigen einen starken Einfluss des Umgebungsmediums und der Lastrate auf die Festigkeit. In inerter Atmosphäre (Argon) und bei hohen Lastraten wurden hohe Festigkeitswerte (450 MPa), in feuchter Umgebung und bei niedrigen Lastraten wurden niedrige Festigkeitswerte (220 MPa) gemessen. Mit dieser Arbeit wurde der starke Einfluss der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit) auf die Lebensdauer von LTCC Bauteilen nachgewiesen und quantifiziert. Bei der Entwicklung und Herstellung der Bauteile muss darauf besonders Bedacht genommen werden.

AB - Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) sind Funktionsbauteile, die als keramische Leiterplatten Verwendung finden. Sie werden vor allem in Bereichen angewendet, in denen besonders hohe Beanspruchungen (Temperaturen, Vibrationen, etc.) vorherrschen. Man findet sie z.B. in Mobiltelefonen, WLAN-, Bluetooth- oder Radar-Antennen. Die LTCC-Technologie liefert im Vergleich zur vorherrschenden PCB (printed circuit board)-Technologie eine bessere thermische, chemische und geometrische Stabilität der Bauteile. LTCC-Komponenten sind Laminate aus einer mit Keramikteilchen gefüllten Glasmatrix mit integrierten Metallstrukturen. Diese bilden im Bauteil ein kompliziertes dreidimensionales Netzwerk. Die Metallstrukturen und die Keramikfolien können bei relativ niedrigen Temperaturen (um 900 °C) gemeinsam mit der Keramik gesintert werden. Die geringen Sintertemperaturen ermöglichen den Einsatz guter elektrischer Leiter wie Silber, Gold oder Silber-Paladium-Legierungen für die Metallisierung. Da LTCCs vor allem in extrem beanspruchten Bereichen verwendet werden, kommt ihrer mechanischen Festigkeit, ihrem Risswiderstand und ihrer Lebensdauer im Einsatz besondere Bedeutung zu. Um sichere Bauteile zu konstruieren muss das Entstehen und Wachsen von Rissen verstanden werden. Dabei ist vor allem auch das unterkritische Risswachstum (engl.: subcritical crack growth) zu berücksichtigen, das bevorzugt in Gläsern auftritt. In dieser Arbeit wurde die biaxiale Festigkeit von LTCC-Proben (ohne integrierte Metallstrukturen) in verschiedenen Umgebungsmedien (Wasser, Luft, Silikonöl, Argon) und bei verschiedenen Temperaturen (– 40 °C bis 125 °C) mit dem 4-Kugelversuch bei unterschiedlichen Lastraten gemessen. Die Experimente zeigen einen starken Einfluss des Umgebungsmediums und der Lastrate auf die Festigkeit. In inerter Atmosphäre (Argon) und bei hohen Lastraten wurden hohe Festigkeitswerte (450 MPa), in feuchter Umgebung und bei niedrigen Lastraten wurden niedrige Festigkeitswerte (220 MPa) gemessen. Mit dieser Arbeit wurde der starke Einfluss der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit) auf die Lebensdauer von LTCC Bauteilen nachgewiesen und quantifiziert. Bei der Entwicklung und Herstellung der Bauteile muss darauf besonders Bedacht genommen werden.

KW - Keramik

KW - Glas

KW - LTCC

KW - unterkritisches Risswachstum

KW - 4-Kugelversuch

KW - Festigkeit

KW - ceramic

KW - glass

KW - LTCC

KW - subcritical crack growth

KW - ball-on-three-balls test

KW - strength

M3 - Diplomarbeit

ER -