Christian Kohler

Anorganische Barium-Strontium-Titanat-Komposite für die Hochfrequenztechnik

Material- und Bauteilentwicklung


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ISBN:

978-3-8440-4256-6

Reihe:

Hochfrequenztechnik

Schlagwörter:

Steuerbare Dielektrika; Barium-Strontium-Titanat; Glas-Keramik-Komposite; Binäre Keramiken; Dickschichten; Vollkeramiken; Kosintern; Multilagenbauteile; Varaktoren; Phasenschieber; LTCC

Publikationsart:

Dissertation

Sprache:

Deutsch

Seiten:

176 Seiten

Abbildungen:

91 Abbildungen

Gewicht:

261 g

Format:

24 x 17 cm

Bindung:

Paperback

Preis:

48,80 € / 61,10 SFr

Erscheinungsdatum:

März 2016

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Zusammenfassung

Diese Arbeit stellt die Entwicklungvon anorganischen Barium-Strontium-Titanat (BST)-Kompositen als maßgeschneiderte Werkstoffe für die Hochfrequenztechnik vor. Hierbei steht zuerst eine eingehende Analyse der Prozess-Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen der Materialien im Fokus, um dann anschließend an ausgewählten Zusammensetzungen die Tauglichkeit als steuerbares Dielektrikum integriert in Mikrowellenbauteilen zu analysieren und zu demonstrieren. Die Entwicklung der BST-Komposite setzt dabei an bisherigen Ausschlusskriterien für reine BST-Funktionskeramiken in der Praxisan, wobei zwei unterschiedliche Konzepte verfolgt werden.

Der erste Ansatz zielt darauf ab, durch die Zugabe geeigneter Additive primär die Sintertemperatur von BST-Vollkeramiken und –Dickschichten herabzusetzen, um unter Beibehaltung guter dielektrischer Eigenschaften die Herstellung von kogesinterten Multilagenvaraktoren zu ermöglichen und neue Anwendungsgebiete wie die LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)-Technologie zu eröffnen. Als Additivsystem kommt hierbei ein ZnO-B₂O₃ (ZB)-Gemisch zum Einsatz, welches in unterschiedlichen Mengen zu undotiertem und CuF-kodotiertem BST hinzugefügt werden. Bereits geringe Zusätze des Additivsystems können die Sintertemperaturen der Komposite drastisch auf Temperaturen zwischen 800 und 1000°C herabsetzen, wobei die dielektrischen Eigenschaften nahezu beibehalten werden.

Der zweite Ansatz anorganischer BST-Komposite beinhaltet die Entwicklung von kristallinen Kompositen von BST mit der dielektrischen keramischen Phase Mg₃B₂O₆ (MBO). Vornehmliches Ziel ist hierbei die Herabsetzung bisheriger Einschränkungen von BST-Keramiken wie die hohe Permittivität sowie die hohen dielektrischen Verluste bei Frequenzen im GHz-Bereich. Diese Werte werden eingehend im Abgleich mit theoretischen Modellen an den hergestellten Komposit-Vollkeramiken ermittelt und Perkolationswerte erschlossen. Zusätzlich werden BST-MBO-Dickschichten auf MBO- Substraten hergestellt, welche eine deutliche Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften im Vergleich zu konventionell gesinterten Dickschichten auf Al₂O₃ ergeben.

Basierend auf den entwickelten BST-Kompositen werden erste vollständig siebgedruckte Multilagenbauteile in Form von vertikalen Varaktoren und Phasenschiebern realisiert. Hierbei werden die Komposit- sowie Silberpasten über Siebdruck auf Al₂O₃- sowie teilweise auch auf MBO-Substrate gedruckt und bei 850°C kogesintert. Die Funktionalität der so erstellten Bauteile wird durch eine gute Haftung der Schichten ohne ein Auftreten von Reaktionen oder eine Infiltration von Silber in die porösen BST- Kompositschichten gewährleistet. Auf diesem Wege können L-/S-/C- und X-Band- Leitungsphasenschieber realisiert werden. Die hierbei verwirklichten Kenndaten der Phasenschieber mit Δφ_max = 160° sowie FoM = 60°/dB bei Anwendungsfrequenzen von 1,7 bzw. 8 GHz je nach Wahl der Kompositzusammensetzung stellen eine signifikante Verbesserung dieser Werte im Vergleich zu denen bisheriger vollständig gedruckter Phasenschieber dar. Abschließend wird die Tauglichkeit der vorgestellten niedrig- sinternden BST-Kompositzusammensetzungen für die LTCC-Technologie anhand eines LTCC-integrierten Phasenschiebers in einem Multilagenmodul demonstriert.