Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Keramische Folien und Mehrlagenstrukturen

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Foliengießen

 

Bisher werden numerische Simulationen bei Keramikfolienherstellern noch kaum eingesetzt, um ihre Produktion zu verbessern. Am Fraunhofer IWM wurde deshalb ein gekoppeltes Simulationsmodell auf Gefüge- und Anlagenebene entwickelt, das den Ablauf keramischer Gießprozesse inklusive der Berechnung der Partikelausrichtung im Gießschlicker und im resultierenden Produkt vorhersagen kann. Damit kann die Prozessführung beim Foliengießen kostengünstig optimiert werden. So lässt sich der Ausschuss verringern, gewünschte Gradienten in der Partikelverteilung exakter einstellen oder die Ausrichtung der Partikel zielgerichtet verbessern.

  • Fu, Z.; Polfer, P.; Kraft, T.; Roosen, A.; Three-dimensional shrinkage behavior of green tapes derived from spherical-shaped powders: Experimentical studies and numerical simulations; Journal of the European Ceramic Society 35/8 (2015) 2413–2425 Link
  • Wonisch, A.; Polfer, P.; Kraft, T.; Dellert, A.; Heunisch, A.; Roosen, A.; A comprehensive simulation scheme for tape casting: from flow behavior to anisotropy development; Journal of American Ceramic Society 94/7 (2011) 2053-2060 Link

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Vorhersage von Sinterverzügen in mehrlagigen keramischen Strukturen

 

Keramische Mehrlagenstrukturen sind die Basis für zahlreiche Anwendungen wie Sensoren oder mikroelektronische Schaltungen. Dabei werden mehrere mit unterschiedlichen Edelmetallpasten bedruckte Keramikfolien übereinander gestapelt, laminiert und zusammen gesintert. Ein häufiges Problem ist der beim gemeinsamen Sintern auftretende Bauteilverzug, der aufgrund unterschiedlicher Schwindungen entsteht. Durch Einsatz detaillierter Sintermodelle und Simulation der teilweise komplex bedruckten Schichtverbünde werden am Fraunhofer IWM die Grundlagen geschaffen, um  diesen unerwünschten Verzug durch gezielte Material- und Designänderungen zu minimieren.

  • Schmidt, I.; Kraft, T.; Simulation of the co-sintering of composite structures; International Journal of Materials Research 101/8 (2010) 933-941 Link
  • Kraft, T.; Riedel, H.; Schwanke, D.; Müller, E.; Simulation von Rissbildung und Verzug in der Mikroelektronik; PLUS 7/5 (2005) 883-886 Link

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Verringerung der Strukturbreiten beim Siebdruck keramischer Mehrlagenschaltungen

 

Keramische Mehrlagenschaltungsträger sind u.a. in Mikrowellen-Schaltkreisen, Herzschrittmachern, Sensoren und WLAN-Einheiten zu finden. Die feinen Leiterbahnen werden durch Siebdruck auf die Platinen aufgebracht. Dazu wird eine Metallpaste, die feine Aluminium- oder Silberpartikel enthält, durch eine Schablone entsprechend der gewünschten Form auf eine Oberfläche gedruckt und danach bei relativ niedriger Temperatur zusammen mit den Keramikfolien gesintert. Am Fraunhofer IWM wurde ein Simulationsmodell zur vollständigen Beschreibung des Strömungsverhaltens der Paste im Siebdruck-Prozess entwickelt und eingesetzt. Dabei wurde gezeigt, dass eine hydrophobe Beschichtung der Siebunterseite die Pastenablösung deutlich verbessert, während eine separate Beschichtung der Sieboberseite nicht notwendig ist. Dies erleichterte die Entwicklung geeignet beschichteter Siebe und daran angepasster Pasten bei den industriellen Partnern und führte zu einer Verringerung der Strukturbreiten von ca. 80 µm auf 20 µm.

  • Schwanke, D.; Pohlner, J.; Wonisch, A.; Kraft, T.; Geng, J.; Enhancement of fine line print resolution due to coating of screen fabrics; Journal of Microelectronics and Electronic Packaging 6/1 (2009) 13-19 Link

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