FOROXID

BAYERISCHER FORSCHUNGSVERBUND MULTISKALENDESIGN OXIDISCHER FUNKTIONSMATERIALIEN

TP 1: Elektrische Eigenschaften von ZTA-Keramiken in Abhängigkeit von Mikrostruktur und Temperatur

Arbeitsfeld:

Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Bauteile steigen die Ansprüche an die zur elektrischen Isolation und Wärmedissipation verwendeten Keramiksubstrate (siehe Abb 1, unten). Um den Wärmefluss zu verbessern, werden die Substrate zunehmend dünner (<0.25 mm). Neben der Wärmeleitfähigkeit ist deshalb besonders auch die Festigkeit zu optimieren. Zusätzlich wird ein gutes Thermozyklierverhalten benötigt. Neben hoher Durchschlagsfestigkeit und hohem spezifischem Widerstand müssen die Substrate kleine Verlustwinkel aufweisen. Die Frequenzen steigen bis in den GHz-Bereich. Die Einsatztemperaturen überschreiten häufig schon 500°C. Eine besondere Herausforderung bilden z.B. Powermodule, die in künftigen Hybridautos eingesetzt werden sollen. Mit einphasigen Keramiken lassen sich die komplexen Anforderungsprofile zukünftiger Substrate nicht mehr erfüllen. ZTA-Keramiken (zirconia toughened alumina) bieten dagegen ein interessantes Potenzial. Während Al2O3 ausgezeichnete elektrische und gute Wärmeleitungseigenschaften aufweist, werden die mechanischen Eigenschaften und besonders die Thermozyklierfähigkeit durch Zusatz von ZrO2 wesentlich verbessert. (Das ZrO2 ist teilstabilisiert, wandelt sich bei mechanischer Beanspruchung von der tetragonalen in die monokline Modifikation um, und erzeugt dabei Druckspannungen, die das Gefüge verstärken.) Die elektrischen Eigenschaften von ZrO2 sind allerdings schlechter als die von Al2O3. Deshalb müssen die Substrate für den jeweiligen Einsatzzweck optimiert werden. Diese Optimierung würde wesentlich erleichtert, wenn der Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und Mikrostruktur der Keramiken auf der einen Seite und den daraus resultierenden Anwendungseigenschaften auf der anderen Seite besser verstanden würde. Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung von Simulationsverfahren, mit denen wichtige Anwendungseigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungs-koeffizient, Permittivität und Verlustwinkel sowie spezifischer Widerstand aus der Zusammensetzung und Mikrostruktur von ZTA-Keramiken vorhergesagt werden können. Aus den berechneten mechanischen Spannungen, Strömen und elektrischen Feldstärken innerhalb der Keramiken sollen zudem wichtige Erkenntnisse zur Festigkeit, Thermozyklierbarkeit und Durchschlagsfestigkeit der Keramiken abgeleitet werden. Die Simulation stützt sich auf Messdaten an Modellsystemen. Sie soll durch Vergleich mit ZTA-Keramiken unterschiedlicher Zusammensetzung und Mikrostruktur validiert werden. Die Messverfahren zur elektrischen Charakterisierung der Keramiken sollen für hohe Temperaturen (500°C bis 1000°C) und Frequenzen (20 MHz bis 3 GHz) ergänzt werden.