Postopek izdelave praznin v keramičnih večplastnih strukturah

1. Raziskovalna veda: 2 TehnikaPodročje: 2.09 Elektronske komponente in tehnologije 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

2. 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 Podpornica programa: Marija Kosec 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

3. 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 mikrosistemiso 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 – LowTemperature Co-firedCeramics).

4. 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. LTCC (Low Temperature CoferedCeramic) Vir: svetovni splet

5. LTCC proces Keramična folija  oblikovanje  tiskanje in sušenje  zlaganje   laminacija  razrez  žganje  testiranje  ..…………………. Vir: svetovni splet

6. 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

7. Izdelava praznin z žrtvovanim materialom žrtvovani material Nežgana LTCC struktura. Žrtvovana plast (grafit) zapolnjuje votlino v materialu. zelen LTCC

8. Izdelava praznin z žrtvovanim materialom žrtvovani material O2 CO2 Nežgana LTCC struktura. Žrtvovana plast (grafit) zapolnjuje votlino v materialu. Delno sintrana LTCC struktura z odprto poroznostjo omogoča difuzijo plinov; kisik difundira v strukturo in nastali ogljikov dioksid iz strukture. zelen LTCC LTCC

9. Izdelava praznin z žrtvovanim materialom žrtvovani material O2 CO2 Nežgana LTCC struktura. Žrtvovana plast (grafit) zapolnjuje votlino v materialu. 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 LTCC praznina sintran LTCC

10. Izdelava praznin s pomožnim materialom pomožni material Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino. zelen LTCC

11. Izdelava praznin s pomožnim materialom pomožni material Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino. LTCC struktura ohranja obliko tudi med sintranjem, ker jo podpira pomožni material. zelen LTCC pomožni material LTCC

12. Izdelava praznin s pomožnim materialom pomožni material Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino. 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. zelen LTCC pomožni material LTCC pomožni material sintran LTCC

13. Izdelava praznin s pomožnim materialom pomožni material Nežgana LTCC struktura. Pomožni material zapolnjuje praznino. 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. zelen LTCC pomožni material LTCC praznina pomožni material sintran LTCC sintran LTCC

14. 2 mm 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). 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. Presek LTCC senzorja tlaka LTCC senzor tlaka Keramični senzor tlaka 10 mm

15. Primeri LTCC senzorjev tlaka, razvitih v sodelovanju z družbo HYB (obdobje maj 2011 – maj 2012) 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. 13,5×6,0 mm 0-34 bar • 12,7×12,7 mm • 0-500 mbar 24×13 mm 0-100 mbar 12,7×12,7 mm 0-500 mbar 12,5×12,5 mm 10×10 mm od 0-350 mbar do 0-10 bar 13,5×6,0 mm 0-34 bar Kapacitivni ST 20×10 mm od 0-350 mbar do 0-10 bar Premer 13 mm 0-34 bar Premer 25 mm 0-100 mbar Premer 25 mm 0-100 mbar

16. 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.

17. 3D-LTCC struktura za Keramični procesor za razklop goriva Rezultati projekta KeraPro (MORS) Dimenzije: 41,0 x 75,0 x 9,0 mm (brez priključkov za fluide) Teža: 73 g

18. A B C A B C 3D-LTCC struktura Dimenzije: 41,0 x 75,0 x 9,0 mm Rezultati projekta KeraPro (MORS) Prerez A-A Prerez B-B Prerez C-C

19. 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.

20. Zahvale Povezovanje: • Center odličnosti NAMASTE • Program Kera MEMS • Projekt KeraPro • Projekt CERACON Sofinanciranje aplikativnih raziskovalnih projektov: ARRS in HYB d.o.o. Hvala lepa za pozornost! Darko Belavič darko.belavic@ijs.si