Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6816
Thermische und elektrische Leitpfade in Cordierit durch lasergestütztes Dispergieren von metallischen Hartstoffen und Wolfram
Sabine Schreck
Zusammenfassung
In der Elektronik ist der Einsatz von Keramiken
weitverbreitet. Besonders hohe Anforderungen werden an keramische
Substratmaterialien für die Mikroelektronik gestellt. Neben einer moderaten
mechanischen Festigkeit, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer guten
Isolationsfähigkeit müssen diese Materialien insbesondere eine niedrige
dielektrische Konstante und geringe dielektrische Verluste aufweisen.
Glaskeramiken auf der Basis von Cordierit sind gekennzeichnet durch eine kleine
thermische Ausdehnung und eine hohe Thermoschockbeständigkeit. Aufgrund ihrer
niedrigen dielektrischen Konstante besitzen sie ein hohes Potenzial für den
Einsatz als Substratmaterialien für integrierte Mikrowellenschaltkreise. Die
geringe Wärmeleitfähigkeit der Keramik kann durch die Generierung von
thermischen Leitpfaden erhöht werden, wodurch eine Erweiterung des
Anwendungspotenzials erreicht werden kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz der
lasergestützten Randschichtmodifizierung zur Herstellung von thermischen und
elektrischen Leitpfaden untersucht. Die verwendeten keramischen Substrate
wurden über das Sintern von Pulvern mit Cordierit-Zusammensetzung hergestellt.
Mit Hilfe von CO2-Laserstrahlung wurde die Cordierit-Keramik lokal
aufgeschmolzen und verschiedene Zusatzstoffe (TiC, WC W) mit höherer
elektrischer und thermischer Leitfähigkeit in die Schmelze eingebracht. Zur
Reduzierung des Thermoschocks des Substrats während der Laserbehandlung wurde
das mit dem Zusatzstoff in Pulverform vorbeschichtete Substrat aufgeheizt. Zu
diesem Zweck wurde ein Vakuumofen aufgebaut, der die in-situ-Laserbehandlung
erlaubte. Mit der Zielsetzung, optimale Prozessparameter zu ermitteln, wurde
der nach Erstarrung der vom Laser erzeugten Keramikschmelze entstandene
Stoffverbund anhand von Gefügeuntersuchungen und der Bestimmung der thermischen
und elektrischen Leitfähigkeit charakterisiert.
Die Ergebnisse der Lasermodifizierung waren stark von
dem gewählten Zusatzstoff und den Prozessparametern abhängig. Die mit dem
Zusatzstoff TiC hergestellten Spuren wiesen auf kleineren Abmessungen eine
deutlich erhöhte thermische und elektrische Leitfähigkeit auf. Da aber
teilweise Inhomogenitäten im Gefüge vorlagen (Risse, Poren), konnte diese nicht
reproduzierbar über größere Spurlängen eingestellt werden. Die mit WC
modifizierten Spurbereiche zeigten ebenfalls eine Erhöhung der elektrischen und
thermischen Leitfähigkeit. Ihre Haftung zum Substrat war allerdings weniger
stark ausgeprägt, da sie nicht in das Substrat eingebettet waren, sondern auf
diesem als Schicht auflagen. Der Zusatzstoff Wolfram zeigte eine sehr gute
Kompatibilität mit dem Substratwerkstoff Cordierit. Bei ausreichend hoher
Vorheiztemperatur wurden Spuren hergestellt, die eine sehr gute Haftung zum
Substrat besaßen und deren Gefüge durch eine homogene Verteilung von
W-Partikeln in der keramischen Matrix gekennzeichnet war. Auf diese Weise
konnten beliebige planare Strukturen in die Cordierit-Keramik eingebracht
werden, die eine um das 10-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als das Substrat
aufwiesen und einen spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 10-6-10-5
Wm
besaßen.
Thermal
and electrical conducting paths in cordierite by a laserinduced dispersing
process using hard particles and tungsten
Abstract
Ceramic
substrates are commonly used in electronic techniques. These substrates have to
meet specific requirements for applications in microelectronics. Beside a
moderate mechanical strength, a high thermal conductivity and a good insulating
these materials should show a low dielectric permittivity and small dielectric
loss. Glass-ceramics based on cordierite offer a low thermal expansion and a
good thermal shock resistance. Due to their low dielectric permittivity they
have a high potential for use as substrate-materials for highly integrated
microwave circuits. The low thermal conductivity can be increased by generating
thermal conducting paths using a flexible process. Thus an enhancement of
applications can be obtained.
In the
present study a laserinduced surface-modification process was examined to
fabricate thermal and electrical conducting paths. The ceramic substrates were
produced by sintering of powders with cordierite composition. Using a CO2-laser
the cordierite-ceramic was remelted and different additives (TiC, WC, W) with
higher thermal and electrical conductivity were embedded. In order to reduce
thermoshock the substrate which was precoated with the additive material must
be preheated. To achieve this a vacuum-furnace was developed which allowed an
in-situ laser treatment. The composite structure which developed after solidification
of the ceramic melt was characterised by microstructural examinations and
determination of thermal and electrical conductivity. The result of the
characterisation has been used to find optimised process-parameters.
The result
of the laserinduced modification process depended strongly on the selected
additive and the process parameters. Paths fabricated with TiC introduced into
the melt showed a significant increase of thermal and electrical conductivity
over small dimensions. Because of the existing inhomogeneities of the
microstructure (cracks, pores) this effect was not reproducible over larger
distances. The areas modified with WC showed also an increase of thermal and
electrical conductivity. However their adhesion strength to the substrate was
limited due to the fact that the WC-particles were not embedded into the
substrate but stayed top of it as a surface layer. The additive W showed a very
good compatibility with the cordierite-substrate. Using optimised
process-parameters e.g. an adjusted level of preheating temperature and power
density conducting paths were fabricated which offered a very good adhesion to
the substrate and showed a microstructure with homogeneously distributed
W-particles inside the ceramic matrix. Follow this procedure any planar
structures could be generated on the cordierit-ceramic, which had a ten times
higher thermal conductivity than the substrate and an electrical resistivity of
10-5-10-6 Wm.
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