Postopek izdelave praznin v keramičnih večplastnih strukturah

Darko Belavič s sodelavci

HIPOT-RR, Institut »Jožef Stefan«, CO NAMASTE

Predstavitev znanstvenih dosežkov 2011SAZU, Ljubljana, 28. 3. 2013

Raziskovalna veda: 2 TehnikaPodročje: 2.09 Elektronske komponente in tehnologije

Sodelavci

Ožja raziskovalna skupina: • Darko Belavič• Marko Hrovat – vodja raziskovalnih projektov• Janez Holc – vodja raziskovalnih projektov• Marina Santo Zarnik – vodja raziskovalnih projektov• Kostja Makarovič – mladi raziskovalec • Mitja Jerlah• ostali sodelavci iz Odseka za elektronsko keramiko na IJS

Uporabniki oz. aplikativno-razvojne skupine:• Marjan Hodnik s sodelavci iz družbe HYB • Boris Jordan s sodelavci iz družbe KEKON• Tone Konda s sodelavci iz družbe KEKO Oprema• Gregor Dolanc s sodelavci iz Odseka za sisteme in vodenje na IJS• Stanko Hočevar s sodelavci iz Kemijskega inštituta

Podpornica programa: Marija Kosec

Motivacija: Izdelava keramičnih struktur za mikrosisteme

• Mikrosistemi so pomemben segment različnih sektorjev industrije. Uporabljajo se na področjih mikroelektronike, mikrorobotike, mikromehanike, mikrofluidike, mikrooptike in mikrokemije.

• Lahko so izdelani iz različnih materialov in tehnologij. Večinoma je to silicij in polprevodniške tehnologije. Povečuje pa se uporaba drugih materialov in eden izmed teh materialov je tudi keramika.

• Keramični mikrosistemi so pomembni tam, kjer je potrebna miniaturnost, integracija različnih funkcij, velika zanesljivost in delovanje v ekstremnih pogojih, kot so to na primer: kemija, medicina, biologija, avtomobilska industrija, aeronavtika, vesolje...

• Ključen del teh sistemov so keramične 3D strukture. Za njihovo izdelavo se zadnja leta uporablja keramika z nizko temperaturo žganja (LTCC – Low Temperature Co-fired Ceramics).

LTCC (Low Temperature Cofered Ceramic)

LTCC je keramika z nizko temperaturo žganja. Žge se pri temperaturah med 850 in 950°C.

Da se pri teh razmeroma nizkih temperaturah „zasintra“, vsebuje precej steklene faze.

LTCC tehnologija temelji na tankih keramičnih folijah, ki se jih sestavlja v večplastne strukture, izostatsko stiska ter sintra. Na ta način je možno zgraditi 3D strukture. V te strukture se običajno integrira pasivni del elektronskega vezja (debeloplastni prevodniki in upori), v našem primeru pa tudi kanale in druge praznine.

Vir: svetovni splet

LTCC proces

Keramična folija oblikovanje tiskanje in sušenje zlaganje laminacija razrez žganje testiranje ..………………….

Vir: svetovni splet

Izdelava praznin v LTCC strukturi z volumskim materialom

Izdelava keramičnih večplastnih struktur, v katerih so odprte ali zaprte praznine, je zahteven tehnološki postopek, ki je v literaturi slabo opisan, saj pomeni pomemben know-how.

Pri izdelavi praznin ne sme priti do mehanskih deformacij in kemijskih sprememb v keramični strukturi oz. materialu.

Tehnološki postopek mora biti kompatibilen z tehnologijo LTCC

Pri izdelavi praznin v LTCC strukturi se uporabljata dve vrsti volumskih materialov:

• Žrtvovani material • Pomožni oz. začasni material

Izdelava praznin z žrtvovanim materialom

• Nežgana LTCC struktura. Žrtvovana plast (grafit) zapolnjuje votlino v materialu.

 

 

zelen LTCC

žrtvovani material

Izdelava praznin z žrtvovanim materialom

• Nežgana LTCC struktura. Žrtvovana plast (grafit) zapolnjuje votlino v materialu.

O2 CO2

LTCC

• Delno sintrana LTCC struktura z odprto poroznostjo omogoča difuzijo plinov; kisik difundira v strukturo in nastali ogljikov dioksid iz strukture.

 

zelen LTCC

žrtvovani material

Izdelava praznin z žrtvovanim materialom

• Nežgana LTCC struktura. Žrtvovana plast (grafit) zapolnjuje votlino v materialu.

O2 CO2

LTCC

sintran LTCC

praznina

• Delno sintrana LTCC struktura z odprto poroznostjo omogoča difuzijo plinov; kisik difundira v strukturo in nastali ogljikov dioksid iz strukture.

• Ogljik mora zgoreti, preden se LTCC material gosto zasintra.

zelen LTCC

žrtvovani material

Izdelava praznin s pomožnim materialom

• Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino.

green LTCC

graphite layer

zelen LTCC

pomožni material

 

 

Izdelava praznin s pomožnim materialom

• Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino.

green LTCC

graphite layer

zelen LTCC

pomožni material

LTCC

pomožni material

 

• LTCC struktura ohranja obliko tudi med sintranjem, ker jo podpira pomožni material.

Izdelava praznin s pomožnim materialom

• Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino.

green LTCC

graphite layer

zelen LTCC

pomožni material

sintran LTCC

pomožni material

LTCC

pomožni material

• Po sintranju pomožni material ostane v strukturi. Odstrani se ga v naslednji fazi – izpiranje s pomočjo šibke kisline.

• LTCC struktura ohranja obliko tudi med sintranjem, ker jo podpira pomožni material.

Izdelava praznin s pomožnim materialom

• Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino.

green LTCC

graphite layer

zelen LTCC

pomožni material

sintran LTCC

pomožni material

LTCC

pomožni material

• Po sintranju pomožni material ostane v strukturi. Odstrani se ga v naslednji fazi – izpiranje s pomočjo šibke kisline.

• LTCC struktura ohranja obliko tudi med sintranjem, ker jo podpira pomožni material.

sintran LTCC

praznina

LTCC strukture za keramične senzorje tlaka

Osvojili smo tehnologijo izdelave LTCC struktur z geometrijsko pravilno okroglo praznino, ki ima relativno velik premer (do 20 mm) in majhno višino (minimalno 35 mm). Pri tem je pomembno, da je ena stena praznine relativno tanka (od 100 mm naprej).

10 mm

Presek LTCC senzorja tlaka

2 mm

Keramični senzor tlaka LTCC senzor tlaka Inventivna uporaba keramike z nizko temperaturo žganja (LTCC) za izdelavo keramičnih piezoresistivnih senzorjev tlaka omogoča večjo fleksibilnost pri načrtovanju, manjše dimenzije, večje senzorske občutljivosti in lažjo integracijo z drugimi elementi sistema.

Primeri LTCC senzorjev tlaka, razvitih v sodelovanju z družbo HYB (obdobje maj 2011 – maj 2012)

12,5×12,5 mm10×10 mm

20×10 mm

od 0-350 mbar do 0-10 bar

24×13 mm 0-100 mbar

12,7×12,7 mm

0-500 mbar

Premer 25 mm 0-100 mbar Premer 25 mm 0-100 mbar

12,7×12,7 mm

0-500 mbar

13,5×6,0 mm

0-34 bar

Premer 13 mm

0-34 bar

13,5×6,0 mm

0-34 barKapacitivni ST

od 0-350 mbar do 0-10 bar

Na osnovi raziskovalnih rezultatov in v sodelovanju z družbo HYB, ki je sofinancirala raziskovalni projekt, smo razvili več demonstracijskih senzorjev tlaka za različna tlačna področja, ki so praviloma namenjena za uporabo v zahtevnih pogojih okolice.

LTCC strukture za kemijske mikrosisteme

Kemijski mikrosistemi so skupina miniaturnih naprav v katerih izvajamo kemijske reakcije ali analize. Sestavljajo jih: reaktorji, mešalniki, analizatorji, senzorji, aktuatorji, grelniki itd.

Osvojili smo dva tipa LTCC struktur za kemijske mikrosisteme:

Presek keramične (LTCC) strukture s kanali 200×400 mm v skupni dolžini 3 m.

Presek keramične (LTCC) strukture z volumnom približno 3 cm3.

• LTCC struktura z votlino z velikim volumnom je primerna za izdelavo mikrosistemov, ki imajo integrirane rezervoarje.

• LTCC struktura s kanali je primerna za izdelavo mešalnikov in reaktorjev.

3D-LTCC struktura za Keramični procesor za razklop goriva

Dimenzije: 41,0 x 75,0 x 9,0 mm (brez priključkov za fluide)Teža: 73 g

Rezultati projekta KeraPro (MORS)

3D-LTCC struktura

Prerez A-A Prerez B-B Prerez C-C

A

A

B

B

C

C

Rezultati projekta KeraPro (MORS)

Dimenzije: 41,0 x 75,0 x 9,0 mm

Zaključek

• Raziskovalni skupini je uspelo z uporabo ustreznih začasnih polnil (t.i. volumski materiali) razviti tehnološki postopek za izdelovanje praznin v keramičnih strukturah.

• Obvladovanje teh postopkov pa je omogočilo tehnološki preboj pri raziskovalno-razvojnem delu na področju različnih keramičnih mikrosistemov.

ZahvaleSofinanciranje aplikativnih raziskovalnih projektov: ARRS in HYB d.o.o.

Hvala lepa za pozornost!

Darko Belavičdarko.belavic@ijs.si

Povezovanje: – Center odličnosti NAMASTE

– Program Kera MEMS

– Projekt KeraPro

– Projekt CERACON