Übliche Halbleiter-Gassensoren
werden bei einigen hundert °C
betrieben. Dazu werden Transducer aufgebaut, die aus einem Heizwiderstand,
einem Temperaturmesswiderstand sowie einer Elektrodenanordnung bestehen.
Auf die Elektrodenanordnung wird die gassensitive Funktionsschicht
aufgebracht. Die ersten planaren Sensoren wurden in Dickschichttechnik
hergestellt. Auf ein Aluminiumoxidsubstrat wurden auf die Unterseite
Heizwiderstandsstrukturen und auf die Oberseite Elektrodenstrukturen
gedruckt und anschließend eingebrannt.
In einem nächsten
Schritt wurde die Funktionsschicht aufgebracht und bei niedrigerer
Temperatur gesintert. Ausführliche
Beschreibungen solcher Sensoren mit Skizzen findet man z.B. im in
der
DE 198 30 709 zitierten
Stand der Technik.
Weit
verbreitet zur Detektion von Luftschadstoffen und zur Erkennung
gefährlicher
Konzentrationen reduzierender Gase sind Zinnoxidsensoren (auch SnO2-Sensoren
oder Taguchi-Sensoren genannt). In Planartechnik werden diese Sensoren
wie oben beschrieben in Dickschichttechnik hergestellt, wobei dann
die Funktionsschicht aus Zinnoxid besteht, die auf ein heizbares
Keramiksubstrat aufgebracht wird. Ein solcher Aufbau benötigt allerdings
relativ große
Heizleistungen, da Al2O3 sehr
gut wärmeleitfähig (ca.
20 W/mK) ist. Für
die Minimierung des Leistungsbedarfs benötigt man eine Keramik, die
zur Dickschichttechnik kompatibel ist und gleichzeitig eine relativ
niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Daher unternahm man Versuche, solche Transducer in LTCC-Technik
herzustellen.
Die
Abkürzung
LTCC steht dabei für „Low Temperature
Co-fired Ceramics". „Low temperature" meint dabei eine
Sintertemperatur von 800°C
.. 1000°C,
im Gegensatz zur HTCC-Technik, bei der die Lagen bei bis zu 1600°C gebrannt
werden. Die wichtigsten thermophysikalischen Eigenschaften einiger
kommerziell erhältlicher
LTCC-Tapes bzw. der daraus gesinterten keramischen Substrate sind
in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle
1: Eigenschaften kommerziell erhältlicher
LTCC-Tapes bzw. daraus gesinterter keramischer Substrate
Die
keramische Mehrlagentechnik ist eine inzwischen in der Mikroelektronik
weitverbreitete Technik, die darin besteht, dass einzelne ungebrannte
(„grüne") keramische Lagen
(sog. Tapes oder Folien) gestanzt und gelocht werden und dann mit
geeigneten Siebdruckpasten in Dickschichttechnik metallisiert werden
(zum Herstellen von Leiterbahnen). Falls benötigt können auch Widerstände aufgebracht
werden. Anschließend werden
die Tapes verpresst (laminiert) und dann zusammen gesintert (Co-Firing).
Beim Sintern entsteht üblicherweise
eine Schwindung, die sich im Bereich von ca. 15% in x- und y-Richtung
und um 20% in z-Richtung bewegt. Durch die Integration von Leiterbahnen
und passiven Bauteilen in das Substrat hinein, werden erhebliche
Miniaturisierungsfortschritte erzielt. Auf diese Substrate werden
dann, wie aus der Hybridtechnik bekannt, SMD-Bauteile aufgelötet und
aktive Bauelemente mittels eines Bond-Prozeses aufgebracht. Eine
ausführliche Beschreibung
der LTCC-Technik mit umfangreichen Literaturangaben findet man z.B.
in [1].
Seit
etwa zwei Jahren sind LTCC-Folien (LTCC-Tapes) auf dem Markt, die
selbst beim „freien
Sintern" in x- und
y-Richtung praktisch nicht schwinden. Diese sog. „Zero-Shrinkage-Tapes" können wie
normale Folien im oben beschriebenen Standard-LTCC-Prozess verarbeitet
werden. Eine Folie besteht dabei aus zumindest zwei (meistens drei)
Teilfolien. Eine von ihnen hat eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung
und schützt
die gesamte Struktur vor Schwindung in planaren Richtungen (sog. "self constrained
sintering"). Diese Tapes
und das zugehörige
Verfahren wurden erstmalig in der WO 03/029166 oder der
EP 1369402A1 beschrieben.
Wenn im folgenden von Zero-Shrinkage-Tape die Rede ist, sind Folien
gemeint, die in x- und y-Richtung nicht oder nur sehr gering schwinden.
Insbesondere, aber nicht notwendigerweise, sind Tapes gemäß der in
der WO 03/029166 oder der
EP
1369402A1 beschriebenen Lehre gemeint.
Standard
in der Anwendung der keramischen Mehrlagentechnik sind heute schon
Vertiefungen, in die aktive Bauelemente eingesetzt werden, um dadurch
eine verbesserte Wärmeabfuhr
zu gewährleisten.
Ebenfalls Stand der Technik sind teilweise oder vollständige Durchkontaktierungen,
entweder um elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Lagen herzustellen
oder um Wärme
abzuführen
(„thermal
vias"). Bzgl. der
Sensortechnik ist auch schon bekannt, dass geschlossene oder offene
Hohlräume
(Kavitäten)
in keramischer Mehrlagentechnik hergestellt werden können, wie
es z.B. in der
DE 197 16 521 ,
der
DE 196 45 613 oder
in der
DE 40 37 195 offenbart
wird. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um mechanisch auslenkbare
Membranen, um z.B. Drucksensoren herzustellen.
Die
ersten LTCC-Gassensoren wurden in planarer Konfiguration hergestellt.
Die Struktur bestand aus vier LTCC-Tapes, wobei der Heizer als vergrabenes
Element ausgebildet und nah an der gassensitiven Schicht angeordnet
war. Im Vergleich zu Aluminiumoxid kann hier die LTCC Keramik die
Eigenschaft einer geringeren Wärmeleitfähigkeit
voll ausspielen und der Leistungsbedarf kann um bis zu 70% im Vergleich
zu Al2O3 verringert
werden [2]. Die Anwendung der Mehrlagentechnik, insbesondere der
LTCC-Technik hat noch weitere Vorteile. Sensorelemente wie Heizer
oder Leitungen können
sehr einfach innerhalb des Substrats platziert werden. Dadurch kann
die gesamte Struktur kleiner werden. Der Heizer kann von der Umgebung
isoliert werden. Dadurch erhöhen
sich Zuverlässigkeit
und Standzeit.
Um
den Leistungsbedarf noch weiter zu reduzieren wurden verschiedene
Wege eingeschlagen. Die LTCC-Technik erlaubt die Strukturierung
der nicht gebrannten („grünen") Folien. Ein solcher
Sensor der zweiten Generation basiert auf einer in LTCC-Technik
hergestellten „Hot-Plate", d.h. lediglich
der Teil, auf dem sich die Funktionsschicht befindet, wird auf die
Sensorbetriebstemperatur (z.B. 400°C) gebracht. Heizwiderstandszuführungen
und Elektrodenzuleitungen werden auf den schmalen Armen (suspended
beams) geführt,
so dass kaum Verluste durch Wärmeleitung
entstehen [3].
Nachteile
des Standes der Technik
Die
oben geschriebene Methode ermöglicht
eine bedeutende Reduzierung des Leistungsbedarfs. Durch die geringere
Wärmeleitfähigkeit
der LTCC-Keramik als Sensorsubstrat können aber auch Nachteile entstehen.
Insbesondere wird die Temperaturverteilung auf dem Funktionsschichtbereich
des Substrates schlechter. Dies kann zur Verringerung von Selektivität und/oder
Sensitivität
des Sensors führen.
Ein
weiterer Nachteil ist in der niedrigen Sintertemperatur von LTCC
(800–1000°C) zu sehen.
Diese begrenzt die Anwendung von Funktionsschichten, die höhere Sintertemperaturen
erfordern. So ist es z.B. praktisch nicht möglich, Titanatschichten für Sauerstoffsensoren
auf LTCC-Substraten herzustellen, da Titanate deutlich höhere Sintertemperaturen
als 1000°C
benötigen.
Als Abhilfe wurden daher andere Tape-Materialien, also Speziallösungen gefunden,
z.B. bestehend aus Strontiumaluminat [4].
Weiterhin
handelt es sich bei den LTCC-Tapes um Glaskeramiken [1]. Beim Einbrennen
der Funktionsschichten wird es also Wechselwirkungen mit dem LTCC-Substrat
geben. Aus dieser Sicht wäre
es besser, auf ein inertes HTCC-Substrat,
z.B. auf handelübliches
Al2O3 überzugehen,
was aber wiederum zu einem höheren
Leistungsbedarf aufgrund der erhöhten
Wärmeleitfähigkeit
führen
würde.
Ein ähnlicher
Zielkonflikt besteht bei der Herstellung kompletter Module in LTCC-Technik. Einerseits sind
die niedrigen Sintertemperaturen von Vorteil, da für Leiterbahnen
das billigere Silber anstelle von Platin oder Palladium verwendet
werden kann. Andererseits werden aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit
der üblichen
LTCC-Folien silbergefüllte
Durchkontaktierungen zur Erhöhung
der effektiven Wärmeleitfähigkeit
eingebracht (sog. „thermal
vias") [5]. Wenn
es gelänge
herkömmliche
gebrannte Keramiken, die auch schon mit Funktionselementen wie Leiterbahnen,
Funktionsschichten u.ä.
versehen sein könnten,
mit grünen
LTCC-Modulen zu fügen,
könnten
man die Vorteile beider Techniken miteinander kombinieren. Es wäre dann
auch möglich,
diese gebrannte Substratkeramik in Dünnschichttechnik zu prozessieren
und anschließend
mit dem wie oben beschrieben hergestellten grünen LTCC-Modul zu kombinieren.
Wenn im folgenden von gebrannter Keramik oder gebrannter Substratkeramik
die Rede ist, ist damit immer gemeint, dass diese Keramik auch bereits Funktionselemente
enthalten kann, welche in verschiedenen Technologien hergestellt
sein können.
Zusammenfassung
der Erfindung
Hier
wird nun vorgeschlagen, ein gemischtes Modul bestehend aus LTCC-Zero-Shrinkage-Tape und bereits
gebrannter Substratkeramik, dadurch zu realisieren, dass in einen
Teil des LTCC-Moduls oder auf das vollständige LTCC-Modul eine geeignete
Struktur aus einer gebrannten Substratkeramik ein- oder angefügt wird.
Dazu wird in die nicht gebrannte LTCC-Folien eine bereits gebrannte
Substratkeramik integriert, die von der gebrannten LTCC-Folie abweichende
thermische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften besitzt.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die gesamte Struktur
in einem Cofiring-Prozess gesintert werden kann, d.h. grüne LTCC-Folien
werden mit der gebrannten Keramik zusammengesintert. Dadurch wird
der für
LTCC typische Prozessablauf beibehalten. Als LTCC-Tape im Sinne
dieser Erfindung wird Zero-Shrinkage-Tape nach o.a. Definition benutzt.
Die Integration von LTCC-Zero-Shrinkage-Tape und bereits gebrannter Keramik
erfolgt im grünen
Zustand des LTCC-Zero-Shrinkage-Tapes.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Anwendung eines Binders,
der in vorteilhafter Weise SiO2-haltig ist.
Die
zur technischen Ausführung
der Erfindung benötigten
Zero-Shrinkage Tapes werden derzeit nur von einem Hersteller kommerziell
angeboten (HL2000 von Heraeus, Hanau). Es wird aber darauf hingewiesen, dass
die Erfindung nicht auf die Verwendung kommerziell erhältlicher
LTCC-Folien beschränkt
ist. Es können auch
neuartige, kommerziell derzeit nicht erhältliche Zero-Shrinkage-Folien
mit entsprechenden thermophysikalischen und elektrischen Eigenschaften
(thermischer Ausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit,
etc.) verwendet werden.
Neben
der Realisierung allgemeiner kompletter elektronischer Module wird
ausdrücklich
darauf hingewiesen, einen Gassensor in LTCC-Technik dadurch zu realisieren,
dass in einen Teil des Sensors oder auf den Sensor eine geeignete
Struktur bestehend aus einer gebrannten Substratkeramik mit zuvor
aufgebrachten Funktionselementen eingefügt wird.
Abgrenzung
zum Stand der Technik
Bevor
die Erfindung anhand einiger Figuren detaillierter beschrieben wird,
soll noch allgemein auf den Stand der Technik bei der Verbindung
zwischen Keramiken und bei der Herstellung von Strukturen in keramischer
Mehrlagentechnik mit integrierten „fremden" Elementen eingegangen werden.
Verbindungen
zwischen keramischen Elementen können
mit verschiedenen Methoden realisiert werden. Meistens treten dabei
zusätzliche
Technologieschritte auf, durch die zusätzliche Kosten entstehen können. Es
ist bekannt, verschiedene Elemente durch die Anwendung von Polymer-Klebern
zu verbinden. Eine solche Klebe-Verbindung ist jedoch nur bis etwa
300°C stabil.
Keramikkleber (Sintertemperatur bis 1400°C) oder Gläser, Glaskeramiken oder rekristallisierende
Gläser
(Sintertemperatur ca. 500–800°C) sind für höhere Temperaturen
geeignet. Nach der Rekristallisation können die Gläser bis zu 1000°C eingesetzt
werden.
In
keiner den Anmeldern bekannten Schriften wird offenbart, dass in
die nicht gebrannten LTCC-Struktur eine starre Keramik integriert
wird. Insbesondere findet sich kein Hinweis darauf, dass und wie
ein Zero-Shrinkage-LTCC-Tape mit einer bereits gebrannten Keramik
zusammengefügt
wird. Zwar sind Fügetechniken
zwischen starren Elementen wie z.B. Keramik-Keramik oder Keramik-Metall
gut beschrieben. Zum Beispiel wird in der WO 01/09059A1 eine Glas-Keramik
Mischung zur Verbindung zumindest eines keramischen Teils mit einem
anderen festen Teil wie z.B. Keramik oder Metall vorgestellt. Die
beschriebene Zusammensetzung enthält die Kombination dreier Metalloxide
um den Ausdehnungskoeffizienten an die Keramik anzupassen. In der
EP 0753494A1 wurde
die Verbindung mittels einer metallischen Schicht, die Nickel enthält, ausgeführt. Nach
der
EP 0886312A2 muss
ein metallisches Teil zumindest teilweise Molybdän enthalten und die Verbindungsschicht
besteht aus Edelmetallen wie Gold, Platin oder Palladium. Zwei keramische
Platten aus B
4C, ZrC oder SiC können gemäß der
US 6,586,704 mittels Laserheizung
verbunden werden. Eine dünne
Metallfolie (Re, Mo oder Ti) dient als Binderschicht. Die Struktur
Keramik/Metall/Keramik wird mittels defokusiertem Laserstrahl sehr
schnell geheizt. Die geheizte Metallschicht diffundiert in die Keramik
und es bildet sich ein mechanisch stabiler Verbund.
In
der
US 5,581,876 und
der US 2004/0124002A1 wurden Methoden der Herstellung von Baugruppen in
der so genannten LTCC-M-Technik (Low Temperature Cofired Ceramic
on Metal) beschrieben. Die grünen LTCC-Folien
sind entweder durch Kovar- oder CuMoCu-Platte verbunden und werden
im Cofiring Prozess gesintert. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
ist an die Metallplatte angepasst. Die Verbindung entsteht mit (
US 5,581,876 ) oder ohne
zusätzliche
Glasschicht (US 2004/0124002A1). Die Hauptanwendung der LTCC-M Technik
sind Hochleistungskomponenten. In beiden Schriften findet sich kein Hinweis,
dass Zero-Shrinkage-Tapes wie oben beschrieben benutzt werden. Nach
beiden Schriften entsteht die Schwindungsfreiheit weil durch den
Laminierprozess LTCC fest mit der Metallplatte verbunden wird. Über mögliche Anwendung
in der Sensorik oder gar für
Gassensoren gibt es keinen Hinweis.
In
der
US 6,531,341 wird über die
Herstellung von LTCC Strukturen mit integriertem Glasfenster berichtet.
Die Schrift beschreibt die Herstellung eines Gehäuses für Siliziumstrukturen oder für optische
Anwendungen. Das Fenster kann mittels Kleber oder Glas verbunden
sein. Es ist auch möglich,
die komplette Struktur im Co-firing Prozess zu darzustellen, dann
aber sind zusätzliche
Schichten notwendig.
Wie
oben beschrieben, werden verschiedene Methoden vorgeschlagen, um
Werkstoffe zu fügen.
In den beschriebenen Methoden wird meistens die Fügung durch
Metallzwischenschichten getragen. Sehr oft ist auch erwähnt, dass
die an die Folien zu fügende
Keramik (oder Metallplatte) bestimmte Kriterien erfüllen muss. Die
nach der Lehre der hier vorliegenden Erfindung vorgestellte Methode
ist flexibler und gibt an, wie ein Zero-Shrinkage-LTCC-Tape mit
einer bereits gebrannten Keramik, die auch mit Funktionselementen
versehen sein kann, zusammengefügt
wird. Obwohl auch die hier offenbarte Methode eine Binderschicht
vorsieht, liegt der Unterschied zur vorbekannten Lehre und damit
die Neuheit darin, dass die bereits gebrannte Keramik in die LTCC-Struktur
vor der Lamination und damit vor dem Sintern platziert wird und
dass keine vom Standard abweichenden Prozessschritte erforderlich
sind. Weiterhin liegt in der hier offenbarten Erfindung die Neuerung vor,
Zero-Shrinkage-Tapes zu verwenden. Damit hebt sie sich gleich in
mehreren Punkten vom vorbekannten Stand der Technik ab.
Um
keramische Teile zusammenzufügen
sind Binderschichten (Keramikkleber) aus Werkstoffen, die SiO2 enthalten, seit vielen Jahren bekannt.
Die oben aufgeführten
verschiedenen Arten der Verbindung von Keramiken oder die von Keramiken
mit LTCC-Strukturen unterscheiden sich von der hier vorgeschlagenen
Erfindung sowohl im Prozessablauf als auch in der Anwendung von
Zero-Shrinkage-Tapes,
die die Erfindung erst ermöglichen.
Weiterhin
sind den Erfindern bisher keine Versuche bekannt, in keramischer
Mehrlagentechnik ein Gassensorsubstrat mit integrierter gebrannter
Substratkeramik herzustellen. Insbesondere existiert nach dem Kenntnisstand
der Erfinder keine Veröffentlichung
zu einem Hochtemperatur-Gassensor, die die vorgeschlagene Erfindung
berührt.
Vorteile der
Erfindung
Wie
oben erwähnt,
besitzen rein auf LTCC ausgeführte
Bauelemente, wie z.B. Sensoren verschiedene Nachteile. Einerseits
begrenzt die niedrige Sintertemperatur von LTCC die Anwendung von
Funktionsschichten, die höhere
Sintertemperaturen erfordern. Es ist z.B. nicht möglich, Titanatschichten
in einer solchen Technik herzustellen, da diese Funktionsschichten
höhere
Sintertemperaturen benötigen.
Da es sich bei den LTCC-Werkstoffen um Glaskeramiken handelt, finden
beim Brennen Wechselwirkungen der Funktionsschichten mit dem LTCC-Werkstoff
statt. Beim elektronischen Modul ist aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit
des LTCC keine optimale Wärmeabfuhr
möglich.
Beim Sensor ist aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des LTCC-Werkstoffes
eine gleichmäßige Temperaturverteilung
am Funktionsschichtbereich nicht gewährleistet.
All
diese Nachteile werden durch die Lehre der hier offenbarten Erfindung
behoben. Dadurch dass sämtliche
Funktionselemente auf der zu integrierenden Keramik vorprozessiert
werden können,
kann für
jeden Funktionswerkstoff das geeignete Substrat gefunden werden.
Typische Substrate bestehen aus 96%igem oder 99,6%igem Al2O3 (z.B. Fa. Ceramtec,
Typen 708 und 710). Im Falle elektronischer Module können die
typischen für
die MCM-D oder MCM-C vorgesehenen Werkstoffe Verwendung finden.
Details dazu findet man in [6].
Im
Falle von Sensoren können
Funktionselemente, die auf die Substratkeramiken aufgebracht werden,
Elektrodenanordnungen z.B. aus Metallen oder elektrisch leitfähigen Oxide
sein. Funktionselemente können
Funktionswerkstoffe wie z.B. Sauerstoffionenleiter wie z.B. YSZ
oder CGO oder Kationenleiter wie z.B.
Karbonate
oder Sulfide sein. Oder Funktionswerkstoffe, bei denen eine elektrische
Eigenschaft von den Umgebungsbedingungen abhängt, wie z.B. Metalloxide als
Gassensoren, piezoelektrische Oxide als Druck- oder Kraftsensoren
oder Oxide mit von der Temperatur abhängigem elektrischem Widerstand,
also PTCR- oder NTCR-Werkstoffe. Auch können auf die Keramik noch Diffusionssperrschichten,
wie z.B. in der
DE 101 14 645 beschrieben,
aufgebracht sein. Auch können
verschiedene Dünnschichttechniken
benutzt worden sein, um eine solche mit Funktionselementen versehene
Substratkeramik herzustellen.
Dadurch
kombinieren sich die Vorteile der separaten Prozessierbarkeit mit
den für
die Anwendung besseren elektrischen, mechanischen oder thermophysikalischen
Eigenschaften der bereits gebrannten Keramik, wie. z.B. höherer zulässiger Prozessierungstemperatur
und höherer
Wärmeleitfähigkeit
bei Al2O3-Keramik.
So
werden z.B. bei einer Struktur mit Hot-Plate, die mit einer integrierten
Keramik versehen ist, die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Arme und die niedrigen
Wärmeverluste
der gesamten Struktur beibehalten, wobei die integrierte Keramik
mit höherer
Wärmeleitfähigkeit
die Temperaturverteilung verbessert und zwar lokal auf der Hot-Plate,
also nur in einem vorbestimmten Bereich des Sensorssubstrats. Dies
wurde in der
DE 102 47 857 zwar
vorgeschlagen wird, ohne aber den Lösungsweg für die technische Realisierung
anzugeben.
Die
Integration eines bereits gebrannten Keramikteil eröffnet noch
weitere Möglichkeiten.
Die zusätzliche
Keramik dient z.B. auch als elektrische Isolationsschicht. Eigene
Messungen zeigen, dass bei höheren Temperaturen
die elektrische Isolationsfähigkeit
der LTCC-Folien sich verschlechtert. Dadurch dass die Funktionselemente
z.B. auf einer Keramik, die auch bei hohen Einsatztemperaturen noch
eine gute elektrische Isolationsfähigkeit aufweist, spielt die
nachlassende elektrische Isolationsfähigkeit des LTCC-Materials
bei hohen Betriebstemperaturen keine Rolle mehr.
Beschreibung der Erfindung
Ein
beispielhafter und vereinfachter Verfahrensablauf zur Herstellung
eines einfachen erfindungsgemäßen Aufbaus
wird im folgenden beschrieben. Im ersten Schritt werden die Zero-Shrinkage-LTCC-Folien
gestanzt oder die zu öffnenden
Bereiche werden mit einem Laser herausgeschnitten. Im nächsten Schritt
werden die Folien mittels Siebdruck oder Schablonendruck bedruckt.
Hierbei wird eine Funktionspaste, z.B. eine metallhaltige Paste,
durch ein strukturiertes Sieb oder eine strukturierte Schablone
auf die gestanzten Folien aufgebracht. Die aufgedruckten Pasten
werden nach dem Drucken getrocknet. Typische Temperaturen zum Trocknen
liegen zwischen 50°C
und 200°C.
Druck- und Trockenschritte können
wiederholt werden, sodass sich gedruckte Strukturen auf der Unter-
und/oder Oberseite einer oder mehrerer Lagen befinden.
Aus
in der Literatur bekannten Untersuchungen an kommerziell erhältlichen
Zero-Shrinkage-Tapes
ist den Erfindern bekannt, dass die Oberfläche von Heralock-Struktur glasarm
ist [7]. Diese Eigenschaft verschlechtert die Haftung der gebrannten
Keramik. Die Anwendung der Binderschicht ist notwendig um eine stabile
und zuverlässige
Verbindung zu erhalten.
Die
Binderschicht wird im Standardsiebdruckprozess aufgebracht. Die
Binderschicht verbessert die Haftung zwischen bereits gebrannter
Keramik und dem LTCC-Werkstoff. Die Binderzusammensetzung ist der Keramik
und dem LTCC-Werkstoff anzupassen. Das Binderschichtmaterial soll
kompatibel (besonders hinsichtlich der Sintertemperatur) sein. Es
kann z.B. eine Zusammensetzung aufweisen, die Silizium-, Barium- und
Kalziumoxide enthält.
In einfachstem Fall, können
kommerzielle dielektrische Paste benutzt werden, sofern sie die
oben beschriebenen Eigenschaften erfüllen. Für die gebrannte Keramik ist
die Rauheit oft ausschlaggebend. Typisches kommerziell erhältliches
96%iges Aluminiumoxid hat Ra-Werte von etwa
0,2–0,4 μm, was sich
als ausreichend für
die Herstellung guter Fügeverbindungen
erwiesen hat. Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass eine evtl.
vorhandene Metallisierung (entweder auf der gebrannten Keramik oder
auf dem LTCC-Tape) nicht die gesamte Oberfläche bedecken darf, das heißt die Kontaktfläche zwischen
Binderschicht und gebrannter Keramik sollte immer größer als
die Metallisierungsfläche
sein. Weiterhin hat sich gezeigt, dass es keine signifikante Rolle
spielt, ob die Binderschicht auf die Keramikseite oder auf die LTCC-Seite
aufgebracht ist. Ein einfaches Siebdrucken der Binderschicht kann
ohne Probleme durchgeführt
werden. Andere Methoden die Binderschicht aufzubringen, wie z.B.
Aufschleudern oder Besprühen
sollte ebenfalls zu guten Fügeergebnissen
führen.
Konkrete Beispiele werden weiter unten unter „Ausführungsbeispiele" beschrieben
Nach
dem Aufbringen der Binderschicht werden die Folien zusammen mit
der bereits gebrannten Substratkeramik gestapelt und laminiert.
Da die Herstellerempfehlung hinsichtlich des Laminierens von Tapes
optimiert ist, hier aber Keramik-Folien-Verbunde laminiert werden,
unterscheiden sich die Laminierungsparameter von den Herstellerempfehlungen.
Gute Ergebnisse wurden erzielt bei einem isostatischen Druck von
p = 12 MPa, einer Temperatur von T = 75°C und einer Laminierzeit von
t = 12 min. Uniaxiales Laminieren sollte aber ebenfalls zu guten
Ergebnissen führen.
Das gemeinsame Brennen des laminierten Verbundes aus bereits gebrannter
Substratkeramik und Zero-Shrinkage-LTCC-Folien
erfolgt schrittweise. Im ersten Schritt wird der Binder ausgebrannt.
Dazu wird das Laminat auf etwa 450°C erhitzt und dort für eine längere Zeit
gehalten. Wegen der relativ großen
Fläche
der Binderschicht wurde für
die Haltezeit 120 min gewählt.
Die nach unseren Beobachtungen optimale Co-Firing-Temperatur von 865°C wurde etwa
20 min lang gehalten. Danach wurde abgekühlt. Die Binderschicht sorgte
für eine
optimale Haftung zwischen der gebrannten Keramik und dem Zero-Shrinkage-LTCC-Tape.
Der gesamte Verbund (LTCC-Struktur mit integrierter Keramik) kann
eventuell noch auf der Oberseite und/oder der Unterseite bedruckt
und nochmals gebrannt werden (Post-firing).
Ausführungsbeispiele
Im
folgenden sollen für
den beispielhaften Anwendungsfall „Gassensoren" einige konkrete
Ausführungsbeispiele
anhand von Figuren vorgestellt werden.
Hierbei
zeigt
1 den
Aufbau eines Fingersensors als Aufsicht und als Schnittbild,
2 eine
Möglichkeit,
die gebrannte Keramik zu platzieren,
3 eine
weitere Möglichkeit
die bereits gebrannte Keramik zu platzieren,
4 eine
Möglichkeit,
die Struktur auf der bereits gebrannten Keramik herzustellen und
mit auf LTCC gedruckten Zuleitungen zu verbinden,
5 eine
Möglichkeit,
die Struktur auf einer Ebene herzustellen und mit Zuleitungen auf
anderer Ebene mittels Vias zu verbinden und
6 eine
Möglichkeit,
zwei gebrannte Keramiken, die auch komplette Baugruppen oder Module
sein können,
miteinander zu verbinden
Die
oben beschriebene Methode kann zur Herstellung von Gassensorstrukturen
in Mehrlagentechnik mit integrierter, bereits gebrannter Substratkeramik
für unterschiedlichste
Sensorgeometrien benutzt werden. Die grünen LTCC-Folien kann man sehr
einfach strukturieren und mit Hilfe der vorgeschlagenen Erfindung
die bereits gebrannte Keramik zur Verbesserung der Eigenschaften
integrieren. Am besten lässt
sich die Vielfalt der mit der Erfindung erzielbaren Möglichkeiten
an einer Verbesserung eines typischen Abgassensors in Fingerstruktur,
wie er wie er z.B. in der
DE
103 08 799 , der
DE
100 31 976 oder der
DE
102 49 466 vorgestellt ist, beschreiben. Es sollen im folgenden
unterschiedliche Möglichkeiten
der Platzierung der gebrannten Keramik in Mehrlagenstruktur vorgestellt
werden. Eine einfache Struktur ist in
1 dargestellt.
Es handelt sich hierbei um eine Fingerstruktur, bei der sich die
bereits gebrannte Keramik an der Oberfläche befindet. Auf die bereits gebrannte
Keramik (
3) wurden als beispielhafte Funktionselemente
Elektroden (
4) und eine Funktionsschicht (
5) aufgedruckt
und getrocknet. Die Elektroden sind mit den Zuleitungen (
7)
auf dem LTCC-Tape mittels Durchkontaktierungen (Vias) (
6)
verbunden. Eine hier nicht explizit gezeigte Heizerstruktur befindet
sich unter der Binderschicht (
2). Sie wird in diesem Fall
auf die LTCC-Folie gedruckt, darauf kommen Binderschicht (
2)
und Zuleitungen der Funktionsschichtelektroden. Im gezeigten Beispiel
wurden die Heizer- und Elektrodenzuleitungen auf der gleichen Ebene
platziert. In der Mehrlagentechnik ist es aber auch möglich, die
Zuleitungen zwischen die einzelnen LTCC-Folien (
1) zu platzieren.
Dies wurde in
5 gezeichnet. Die Heizerstruktur
wurde wie in Beispiel 1 auf LTCC-Folie gedruckt und getrocknet.
Die Zuleitungen (
7) werden aber auf einer anderen Ebene
angeordnet. Der Kontakt zwischen Heizer und Zuleitungen wurde durch
Vias (
6) sichergestellt. Diese Integrationstechnik einer
bereits gebrannten Keramik mit LTCC-Zero-Shrinkage-Folien ermöglicht Kombinationen mit anderen
Techniken, z.B. mit in Dünnschichttechnik
hergestellten Interdigital-Kondensatorstrukturen und Funktionsschichten
(z.B. einer sensitiven Schicht), die auf der bereits gebrannten
Keramik prozessiert werden, bevor sie mit den LTCC-Zero-Shrinkage-Folien
im Co-firing-Prozess zusammengesintert werden.
Die
o.g. Funktionselemente müssen
nicht aus Funktionsschicht und Elektrode, wie in 1 beispielhaft
beschrieben, bestehen. Vielmehr können z.B. strukturierte und
nicht strukturierte Metallisierungen z.B. aus Gold, Silber und/oder
Platin aufgebracht sein. Die Aufgaben der Funktionsschichten sind
unterschiedlich. Da Gassensoren im allgemeinen bei erhöhter Temperatur
arbeiten (200°C–800°C) kann auch
eine Heizerstruktur, die auch gleichzeitig als Temperaturfühler arbeiten
kann und die z.B. aus Metallen oder Metalloxiden mit hohem spezifischen
Widerstand bestehen kann, aufgebracht werden. Die Heizerstruktur
kann z.B. mäanderförmig ausgebildet
sein. Das komplette Funktionselement der gebrannten Keramik kann
aus einem Heizer zum Erwärmen
der gassensitiven Schicht, einem Temperaturfühler zum Regeln der Temperatur
und einer gassensitiven Funktionsschicht inkl. Strom- und Spannungsabgriffe,
welche die chemischen Signale in elektrische umwandelt, bestehen.
Oftmals müssen
Heizer und gassensitive Funktionsschicht inkl. Strom- und Spannungsabgriffe
oder Heizer und Temperaturfühler
voneinander elektrisch isoliert werden. Der Heizer kann entweder auf
der gebrannten Keramik oder auf der grüne Folie appliziert werden.
In beiden Fällen
wird die Heizerstruktur von Funktionsschichtelektroden isoliert.
Die 2 und 3 zeigen
mögliche
Varianten der Integration der bereits gebrannten Keramik (hier der
Einfachheit halber ohne Funktionselemente) in die Mehrlagenstruktur.
In 2 wird die gebrannte Keramik (3) genau
angepasst, um die Oberfläche
der Struktur glatt zu halten. Dies ermöglicht z.B. den Siebdruck weiterer
zusätzlicher
Schichten nach der Laminierung aber vor dem Sintern oder im Post-firing-Prozess.
Die oberen LTCC-Folien werden dazu gelasert oder ausgestanzt um
die Keramik zu platzieren. Die Zahl der LTCC-Folien (1),
die zu strukturieren sind, ist von der Stärke der bereits gebrannten
Keramik (#) abhängig.
Die Binderschicht (2) wird auf die LTCC-Folie gedruckt.
3 stellt
die Komplettintegration der Keramik in eine LTCC-Struktur dar. Die
Binderschicht (2) wird auf die obere und die untere LTCC
Folie gedruckt. Die inneren LTCC-Lagen müssen strukturiert werden. Diese Lösung kann
z.B. dann benutzt werden, wenn die Notwendigkeit besteht, lokal
die Temperaturverteilung zu homogenisieren und gleichzeitig die
gesamte Oberfläche
aus dem LTCC-Werkstoff
bestehen soll. Die Lösung kann
auch als Alternative oder Ergänzung
zu thermischen Durchkontaktierungen benutzt werden, denn wenn die
integrierte bereits gebrannte Keramik (z.B. Al2O3) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann die
Wärme sehr
gut verteilt werden. Alternativ kann die integrierte Keramik aus
einem keramischen Multilayer-Kondensator bestehen (s. z.B. [8],
[9]), so dass dadurch ein Kondensatorelement mit einer sehr hohen
Kapazität
in die LTCC-Struktur
integriert ist.
Wie
oben aufgeführt,
können,
die Dickschichten (Leitungen, Heizer usw.) entweder auf die grüne LTCC-Folie
oder auf die gebrannte Keramik aufgebracht werden. Die 1 und 5 stellen
eine Variante dar, bei der der Heizer auf LTCC aufgebracht wird
und mit der Binderschicht (2) bedeckt wird. In 4 ist
ein Funktionselement, z.B. ein Heizer, auf die bereits gebrannte
Keramik (3) gedruckt. Die Binderschicht (2) wird auf
die LTCC-Folien (1) gedruckt und getrocknet. Anschließend werden
die Zuleitungen (7) zum Funktionselement gedruckt. Die
Zuleitungen (7) werden teilweise auf die Binderschicht
(2) aufgedruckt um den Kontakt zwischen Funktionselement
und Zuleitungen sicherzustellen.
Es
soll abschließend
noch explizit darauf hingewiesen werden, dass hier zwar ausführliche
Betrachtungen zum Thema Gassensor-Aufbau durchgeführt wurden.
Die Lehre der Erfindung lässt
sich aber auf die Integration von LTCC-Zero-Shrinkage-Tape und zuvor bereits gebrannten
Keramiken verallgemeinern, wobei eine solche bereits zuvor gebrannte
Keramik lediglich eine Keramik, die eine von der gebrannten LTCC-Folie abweichende
thermische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften aufweist,
sein kann. Unter dem Begriff „bereits
gebrannte Keramik" sind
auch Keramiken zu verstehen, die bereits mit Funktionselementen versehen
sind. Dies können
einfache Sensor-Module ebenso sein, wie in kompletter Mehrlagen-Dickschichttechnik
hergestellte MCM-C- oder MCM-D-Module oder wie keramische Mehrlagenkondensatoren
(MLCC). Als Sensormodule können
auch Zirkondioxid-Gassensoren verstanden werden.
Auch
können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zwei komplette Baugruppen zusammengefügt werden, wobei durchaus auch
eine oder beide Baugruppen in LTCC- oder HTCC-Technologie hergestellt
sein können.
Das Zero-Shrinkage-Tape
befindet sich dann in der Mitte zwischen den beiden Binderschichten,
die in Ihren Zusammensetzungen auch den unterschiedlichen Baugruppen
angepasst sein können.
Zero-Shrinkage-Tape und Binderschicht stellen dann sozusagen den
Kleber für
die beiden Baugruppen dar (6).
Die
Verbindung der gebrannten Keramik erfolgt dabei erfindungsgemäß immer
mit dem grünen LTCC-Zero-Shrinkage-Tape.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Anwendung eines Binders,
der in vorteilhafter Weise SiO2-haltig ist.
Der Binder kann auch als Folie vorliegen und wird dann zusammen
mit dem LTCC-Zero-Shrinkage-Tape
laminiert und anschließend
gebrannt.
Literatur
- [1] M. Wagner, A. Roosen, Low Temperature Co-fired Ceramics
(LTCC) Mehrlagenkeramik für
mikroelektronische Anwendungen. In Kriegesmann J. (Hrsg.): DKG-Handbuch
Technische Keramische Werkstoffe, Kap. 3.6.1.2, Fachverlag Deutscher
Wirtschaftsdienst, 2002.
- [2] J. Kita, A. Dziedzic, L.J Golonka, T. Zawada, Laser treatment
of LTCC for 3D structures and elements, Microelectronics International,
vol. 19 (3), 2002, pp. 14–18
- [3] Rettig F., Moos R., Ceramic meso hot-plates for gas sensors,
Sensors & Actuators
B, 103 (2004) pp. 91–97
- [4] F. Rettig, K. Sahner, J. Kita, M. Wickles, R. Moos, Conductometric
Hydrocarbon Sensor on a Low Power-Consuming Hot-Plate Prepared by
Tape Technology, Sensor 2005, Proceedings of the 12th International Conference,
10.–12.
May 2005 in Nürnberg,
Vol. II, p. 2139–144.
- [5] J. Kita, R. Moos: Anwendung der LTCC-Technologie in der
Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. In Kriegesmann J. (Hrsg.):
DKG-Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, Kap. 3.6.1.3, Fachverlag.
Deutscher Wirtschaftsdienst, 2004
- [6] Doane D.A., Franzon P.D., Multichip Module Technologies
and Alternatives, the Basic, Van Nostrand Reinhold, New York, 1993
- [7] Lautzenhiser F., Amaya E., Barnwell P., Wood J., Microwave
module design with Heralock HL2000 LTCC, Proc. 35th International
Symposium on Microelectronics, (MAPS 2002, Denver, Colorado, pp.
285–291
- [8] R. Moos: Kap. 2.5 Elektrische Eigenschaften. In W. Kollenberg
(Hrsg.): Technische Keramiken, Vulkan-Verlag GmbH, Essen (2004),
123–135
- [9] R. Moos: Kap. 5.3 Anwendungen keramischer Werkstoffe in
der Technik: Elektronik. In W. Kollenberg (Hrsg.): Technische Keramiken,
Vulkan-Verlag GmbH, Essen (2004), 527–530
