Anorganische Barium-Strontium-Titanat-Komposite für die Hochfrequenztechnik

Diese Arbeit stellt die Entwicklung von anorganischen Barium-Strontium-Titanat (BST)- Kompositen als maßgeschneiderte Werkstoffe für die Hochfrequenztechnik vor. Hierbei steht zuerst eine eingehende Analyse der Prozess-Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen der Materialien im Fokus, um dann anschließend an ausgewählten Zusammensetzungen die Tauglichkeit als steuerbares Dielektrikum integriert in Mikrowellenbauteilen zu analysieren und zu demonstrieren. Die Entwicklung der BST-Komposite setzt dabei an bisherigen Ausschlusskriterien für reine BST-Funktionskeramiken in der Praxis an, wobei zwei unterschiedliche Konzepte verfolgt werden.
Der erste Ansatz zielt darauf ab, durch die Zugabe geeigneter Additive primär die Sintertemperatur von BST-Vollkeramiken und –Dickschichten herabzusetzen, um unter Beibehaltung guter dielektrischer Eigenschaften die Herstellung von kogesinterten Multilagenvaraktoren zu ermöglichen und neue Anwendungsgebiete wie die LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)-Technologie zu eröffnen. Als Additivsystem kommt hierbei ein ZnO-B₂O₃ (ZB)-Gemisch zum Einsatz, welches in unterschiedlichen Mengen zu undotiertem und CuF-kodotiertem BST hinzugefügt werden. Bereits geringe Zusätze des Additivsystems können die Sintertemperaturen der Komposite drastisch auf Temperaturen zwischen 800 und 1000°C herabsetzen, wobei die dielektrischen Eigenschaften nahezu beibehalten werden.
Der zweite Ansatz anorganischer BST-Komposite beinhaltet die Entwicklung von kristallinen Kompositen von BST mit der dielektrischen keramischen Phase Mg₃B₂O₆ (MBO). Vornehmliches Ziel ist hierbei die Herabsetzung bisheriger Einschränkungen von BST-Keramiken wie die hohe Permittivität sowie die hohen dielektrischen Verluste bei Frequenzen im GHz-Bereich. Diese Werte werden eingehend im Abgleich mit theoretischen Modellen an den hergestellten Komposit-Vollkeramiken ermittelt und Perkolationswerte erschlossen. Zusätzlich werden BST-MBO-Dickschichten auf MBO-Substraten hergestellt, welche eine deutliche Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften im Vergleich zu konventionell gesinterten Dickschichten auf Al₂O₃ ergeben.
Basierend auf den entwickelten BST-Kompositen werden erste vollständig siebgedruckte Multilagenbauteile in Form von vertikalen Varaktoren und Phasenschiebern realisiert. Hierbei werden die Komposit- sowie Silberpasten über Siebdruck auf Al₂O₃- sowie teilweise auch auf MBO-Substrate gedruckt und bei 850°C kogesintert. Die Funktionalität der so erstellten Bauteile wird durch eine gute Haftung der Schichten ohne ein Auftreten von Reaktionen oder eine Infiltration von Silber in die poröse BST- Kompositschichten gewährleistet. Auf diesem Wege können L-/S-/C- und X-Band- Leitungsphasenschieber realisiert werden. Die hierbei verwirklichten Kenndaten der Phasenschieber mit Δφmax = 160° sowie FoM = 60°/dB bei Anwendungsfrequenzen von 1,7 bzw. 8 GHz je nach Wahl der Kompositzusammensetzung stellen eine signifikante Verbesserung dieser Werte im Vergleich zu denen bisheriger vollständig gedruckter Phasenschieber dar. Abschließend wird die Tauglichkeit der vorgestellten niedrigsinternden BST-Kompositzusammensetzungen für die LTCC-Technologie anhand eines LTCC-integrierten Phasenschiebers in einem Multilagenmodul demonstriert.