Mechanical Characterization of Low Temperature Co-Fired Ceramics for Microelectronic Applications

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

LTCC Keramiken (vom Englischen Low temperature co-fired ceramic) bestehen aus keramischen Körnern in einer Glasmatrix. Sie finden Anwendung in der modernen Elektronik als Substratmaterial für keramische Leiterplatten (z.B. RADAR-, Bluetooth- oder WLAN Antennen). Die Zuverlässigkeit spröder Komponenten hängt stark von ihrer strukturellen Unversehrtheit ab. Um eine hohe Zuverlässigkeit im Einsatz zu gewährleisten ist die Charakterisierung der mechanischen Festigkeit und des Widerstandes gegen Rissausbreitung (i.e. Bruchzähigkeit) in Abhängigkeit von Belastung, Umgebung und Zeit besonders wichtig. Die Festigkeit wurde bei erhöhten Temperaturen in Luft und Argon gemessen. Es konnte ein kombinierter Einfluss von Feuchte und Temperatur gezeigt werden. Zwei Mechanismen dominieren das auftretende unterkritische Risswachstum (SCCG vom englischen sub-critical crack growth): einerseits (i) thermisch aktivierte Hydrolyse der Bindungen an der Rissspitze und thermisch aktiviertes Brechen von Bindungen und andererseits (ii) das chemische Potential zur Hydrolyse. In Luft (Raumtemperatur bis 125 °C) wirken sich beide Effecte (i) und (ii) mit steigender Temperatur gegenläufig auf die Festigkeit aus und eine konstante Festigkeit wurde beobachtet. Das unterkritische Risswachstum kann rechnerisch abgeschätzt werden, wenn die notwendigen Parameter bestimmt sind. Eine Möglichkeit die Parameter zu bestimmen ist die Durchführung von Festigkeitsversuchen bei verschiedenen konstanten Spannungsraten. Das existierende Wissen zu den Unsicherheiten in den so bestimmten Parametern des unterkritischen Risswachstums konnte mittels Monte-Carlo Simulationen erweitert werden. Verschiedene Einflüsse von Material (z.B. die natürlich vorkommende Festigkeitsverteilung spröder Materialien) und Experiment (z.B. Messunsicherheit der Festigkeit, Stichprobengröße,....) wurden simuliert. Zusätzlich wurde ein Mathematica Programm verfasst welches eine nachträgliche Abschätzung von Konfidenzintervallen für durchgeführte Experimente erlaubt. Für drei LTCC Materialien wurde die Bruchzähigkeit bestimmt. Dabei lag der Fokus auf dem Einfluss des Umgebungsmediums (Luft, Wasser, Argon) und der verwendeten Messmethode (Einseitig V-gekerbter Biegebalken, Chevron gekerbte Balken und der Vierkugelversuch mit künstlichen Defekt). Die Testbedingungen (langsame Belastung, feuchte Umgebung) wurden so gewählt das ausgeprägtes unterkritisches Risswachstum während der Experimente provoziert wurde. Der Einfluss der Glasphase auf die Empfindlichkeit gegenüber unterkritischem Risswachstum konnte gezeigt werden. Zusätzlich wurde der Einfluss der Umgebung (trocken zu feucht) im Vergleich zur Belastungsgeschwindigkeit in Hinblick auf die korrekte Bestimmung der Bruchzähigkeit diskutiert. Ein möglicher Weg für keramische Leiterplatten der Zukunft mit erhöhter Zuverlässigkeit wurde aufgezeigt. Eine Fallstudie an LTCC Laminaten mit verschieden hohen Druckeigenspannungen (an der Oberfläche) wurde durchgeführt und das unterkritische Risswachstum (bei vorhandenen Eigenspannungen) untersuchen. Das Potential zur Zuverlässigkeitssteigerung durch Eigenspannungen wurde diskutiert.

Details

Titel in ÜbersetzungMechanische Charakterisierung von LTCC-Keramiken für die Mikroelektronik
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2015