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Sinterverhalten einer bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramik und der Einfluss von Silber auf deren Sinterverhalten
(2007) Tramosljika, Dragan; Aldinger, Fritz (Prof. Dr.)
Der Gegenstand der Untersuchungen ist eine bei relativ niedrigen Temperaturen sinternden Keramik (Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC), die kommerziell erhältlich ist und zu 60 Gew.% aus einem SiO2-CaO-Al2O3-B2O3-Glas und 40 Gew.% Al2O3 besteht. Das Ziel der Arbeit war, das Sinterverhalten der LTCC-Keramik zu verstehen, modellhaft zu beschreiben und den Einfluss des Silbers auf deren Sinterverhalten zu charakterisieren. Dies wurde im vollen Umfang erreicht. Oberhalb 700 °C geht das Glas in den viskosen Zustand über und das Glas-Al2O3-Gemisch beginnt zu sintern. Bei 775 °C ist die LTCC-Keramik vollständig verdichtet und die Al2O3-Teilchen sind in der Glasphase eingebettet. Dabei beginnt sich Al2O3 in der Glasphase zu lösen, wodurch sich ihre Zusammensetzung lokal ändert und sich gleichzeitig der Glasanteil erhöht. Obwohl gelöstes Al2O3 die Kristallisation des Glases begünstigt und zu einer Erhöhung der Viskosität führen müsste, führt der erhöhte Glasanteil zu einem verstärkten Fließen der LTCC-Keramik bei hohen Heizraten. Durch das Variieren der Heizrate lässt sich das Fließen reduzieren. Eine niedrigere Heizrate hat im Vergleich dazu einen früheren Kristallisationsbeginn und einen höheren Kristallisationsgrad zur Folge, wodurch das Fließen der Probe reduziert wird. Auch bei hohen Heizraten lässt sich ein starkes Fließen vermeiden, wenn das Ausgangsmaterial mit vorkristallisiertem LTCC-Pulver dotiert wird. Die Dotierung beschleunigt zwar den Kristallisationsvorgang, führt aber nicht zu einem höheren Kristallisationsgrad der LTCC-Keramik. Als Folge einer langsamen Kristallisationskinetik ist der Kristallisationsvorgang in der LTCC-Keramik während des Sinterns nicht abgeschlossen, so dass sie beim Nachbrennen weiter kristallisiert und eine Volumenvergrößerung aufweist. Die genaue Ursache dieser Ausdehnung konnte nicht geklärt werden. Silber wirkt sich stark auf das Sinterverhalten der LTCC-Keramik aus. Der Beginn des Sinterns wird durch Silber zu tieferen Temperaturen verschoben. Der Grund für diesen Effekt sind wahrscheinlich Ag+-Ionen, die im Glas ähnlich wie Alkalimetalle als Netzwerkwandler wirken. Während des Sinterns in Luft oxidiert Ag zu Ag2O, das sich im Glas löst und Si-O-Si Bindungen aufbricht. Infolge dessen wird die Transformationstemperatur des Glases erniedrigt, wodurch ein früherer Sinterbeginn hervorgerufen wird. Silber ruft nicht nur einen früheren Sinterbeginn, sondern auch ein früheres Ende des Sinterns der LTCC-Keramik hervor. Der Grund dafür ist, dass es eine Erniedrigung der Aktivierungsenergie der Glaskristallisation hervorruft. Das führt zu einem früheren Kristallisationsbeginn der LTCC Keramik und zu einem höheren Kristallisationsgrad, aber auch zu einer Hohlraumbildung an Silber-Keramik-Grenzflächen, die sich negativ auf die Funktionalität von mikroelektronischen Schaltungen auswirkt.