New dielectric tape materials for LTCC : characterisation and modelling of microwave properties

Naeini Ali Akbari, Ashkan; Waser, Rainer

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-8782

New dielectric tape materials for LTCC : characterisation and modelling of microwave properties

Naeini Ali Akbari, Ashkan (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ashkan Naeini Ali Akbari

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangV, 146 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-05-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8782
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61784/files/NaeiniAliAkbari_Ashkan.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikrowellenbauelement (Genormte SW) ; LTCC (Genormte SW) ; Glas (Genormte SW) ; Dielektrische Eigenschaft (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Material Modelling (frei) ; SPDR (frei) ; Test Structures (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Low Temperature Co-fired Ceramic Technologie (LTCC) stellt einen mehrschichtigen Keramiksubstrataufbau dar, welcher aufgrund der 3D-Integration zu den Schlüsseltechnologien für zukünftige hybride Hochfrequenzschaltungen zählt. Insbesondere ermöglicht die niedrige Sintertemperatur von unter 900øC den Einsatz von hochleitfähigen und somit verlustarmen Metallisierungen aus Silber oder Gold. Für hochintegrierte HF-Schaltungen werden neue, niedrigsinternde Mikrowellenkeramiken mit deutlich höherer dielektrischer Konstante (DK) gefordert. Obwohl viele hochdielektrische Bulkkeramiken bekannt sind, müssen für den Einsatz innerhalb der LTCC-Technologie Methoden zum Senken der Sintertemperatur entwickelt werden. Außerdem bedarf es zur exakten HF-Charakterisierung der dünnen LTCC Substrate neuer nichtdestruktiver Meßmethoden. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung neuer hochdielektrischer LTCC-Keramiken und dessen HF-Charakterisierung. Dazu wurden sowohl das glasabgeleitete Glas-Keramik Konzept (passive Sinterung) als auch ein neues, glasarmes Konzept (aktiven Sinterung) herangezogen, das mit einem deutlich geringeren Anteil des speziell entwickelten niedrig-weichenden B-Bi-Si-Zn Glas (BBSZ) verdichtet. Die analytische Studie der Gläser und der Glas-Keramik Komposite haben gezeigt, dass die niedrige Verdichtungstemperatur nicht nur auf den Sintereigenschaften der Gläser, sondern auch auf der Lösbarkeit der Mikrowellenkeramiken bzw. der Beweglichkeit der Keramikpartikeln im Glas zurückzuführen ist. Während das bei der passiven Sinterung eingesetzte hochdielektrische (DK=15) lanthanhaltige Glas (LBT) erst zwischen einer Temperatur zwischen 720-750øC erweicht und vollständig kristallisiert, tritt beim BBSZ Glas nach einer erstmaligen Kristallistaion bei ca. 450øC eine zweite Amorphisierung und Glasbildung bei 700øC auf. Durch eine Zusätzliche Erhöhung der Löslichkeit der Keramik mit Sinteradditiven wie ZnO wurde mit 10 Vol% BBSZ Glas anschließend die BaNd2Ti4O12-Keramik erfolgreich bei 900øC verdichtet und ein DK von 64 bei Q.f = 3000 GHz sowie einen thermischen Resonanzkoeffizienten TCf von weniger als 5ppm erreicht. Zur HF-Messung der hochdielektrischen LTCC-Substrate wurde u.a. die nichtdestruktive "Splitt Post Dieletrische Resonator Methode" (SPDR) herangezogen. Die häufig berichtete Erscheinung der TE01d Modenaufspaltung wurde nach sukzessiven full-wave Finiten-Elementen (FEM) Modenanalyse als eine Annäherung bzw. Vertauschung der Hybridmoden EH111 mit TE01d Mode erkannt, was zu einer entscheidenden Verbesserung der Messgenauigkeit geführt hat. Darüber hinaus wurde basierend auf den gewonnenen experimentellen Ergebnissen die Relevanz der analytischen Modelle zur Vorhersage der dielektrischen Eigenschaften des entwickelten LTCC-Komposites überprüft und diskutiert. Um eine realitätsnahe Modellierung der Glasvernetzung zu gewährleisten wurde ein statistisches 2D-Modell abgeleitet. Dieses Modell zeigt, dass ein dünnes, niedrigdielektrisches Glasnetz eine ausreichende elektromagnetische Isolierung der eingeschlossenen Partikelcluster hervorruft und gegenüber dem Bruggeman Modell (EMT) liefert es, der Realität entsprechend, einen deutlich niedrigeren effektiven DK-Wert.

The Low Temperature Co-fired Ceramic technology (LTCC) represents a multilayer functional ceramic substrate, which due to its 3D-Integration feasibility ranks among the key technologies for future hybrid high frequency circuits. In particular the low sintering temperature of <900øC enables the application of high-conductive and low-loss metallization like silver or gold. Nevertheless, new low-sintering microwave ceramics with clearly higher dielectric constant (DK) are demanded for contemporary highly integrated HF circuits. Although many high-dielectric bulk ceramics are known for a long time, but appropriate methods must be developed for lowering the sintering temperatures and the adoption into the LTCC technology. Furthermore advanced non-destructive measuring methods are required for the accurate HF characterisation of the thin LTCC substrates. The available thesis is concerned to the development of new high-dielectric LTCC and its HF characterisation. It introduces beside the conventional glass-derived glass-ceramic approach (called passive sintering) an advanced ceramic rich concept (active sintering), with a clearly smaller portion of the particularly developed low softening B-Bi-SI-Zn glass (BBSZ). Further profound analytical investigations of the glasses and the ceramic-rich glass ceramic composite determine that not only the sinter characteristics of the glasses, but also the solubility and the mobility of the ceramic particles in the glass are significantly responsible for the low densification temperature. While the high-dielectric (DK=15) lanthanum-containing glass (LBT)- used within passive sintering - softens and densifies only between a temperature window of 720-750øC, the BBSZ glass re-amorphs and forms again glass at temperature over 700øC after a former crystallisation at ca. 450øC. Ultimately, an additional increase of the solubility of ceramics with sinter additives such as ZnO results in successfully the densification of BaNd2Ti4O12 microwave ceramics (BNT4) with 10 Vol. % BBSZ glass at 900øC. So far a DK of 64 with Q.f = 3000 GHz was achieved as well as a thermal resonance coefficient TCf of less than 5ppm. The non-destructive "split post dielectric resonator method" (SPDR) was investigated for the HF measurement of the high-dielectric LTCC substrates among other methods. After successive full-wave finite elements (FEM) modal analysis the frequently reported TE01d mode splitting was recognized as a continuously approach and/or an overhauling of TE01d mode by the EH111 hybrid, which led to a crucial improvement of the measuring accuracy. Beyond that based on the yielded experimental results the relevance of the analytical effective medium models was examined and discussed as the forecast of the dielectric behaviour of the developed LTCC Composites. In order to match the reality as accurately as possible a statistic 2D-Modell of ceramic rich composite was derived. This model shows that a thin, low dielectric glass network impacts a sufficient electromagnetic isolation the enclosed particle cluster and in contract to Bruggeman model prediction clearly lowers the effective dielectric constant DK value agreeing to the reality.

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