Porosizieren von LTCC-Substraten mit Phosphorsäure für Hochfrequenzanwendungen

Abstract

Die zunehmende Zahl kabelloser Übertragungsanwendungen in Verbindung mit steigenden Frequenzen bis zu 100 GHz machen die Erforschung neuer Substrat- und Metallisierungslösung notwendig. Dabei liegt der Anspruch bei einer kompakten und kostengünstigen Bauweise sowie der Integration in bereits bestehende Technologieabläufe. In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten des nass-chemischen Porosizierens mit Phosphorsäure zur lokalen Senkung der relativen Permittivität mehrerer kommerziell erhältlicher low temperature cofired ceramics (LTCC) analysiert. Dabei handelt es sich um glaskeramische, niedrigsinternde Mehrlagensubstrate. Gleichzeitig wird die Anwendung galvanisch abgeschiedener Silbermetallisierungen auf den veränderten Substratoberflächen untersucht. Die Prozessierung und Charakterisierung von Substrat und Metallisierung ist dabei nicht allein darauf ausgerichtet, den maximalen Effekt bezüglich der Permittivitätssenkung zu erzielen, sondern einen technischen Kompromiss zwischen der Effektivität des Lufteintrags und der Weiterverarbeitbarkeit der veränderten Oberfläche auf Basis aller untersuchten Einflussgrößen zu ermitteln. Die Grundlagen dieser Einschätzungen bieten dabei die untersuchten chemisch-physikalischen Wechselwirkungen zwischen der originalen LTCC und dem Ätzmedium sowie die resultierenden Veränderungen der physikalischen Eigenschaften porosizierter LTCC in Verbindung mit der Metallisierung. Grundsätzlich kann die relative Permittivität durch das Porosizieren in weiten Bereichen verringert werden. Das höchste hier erzielte Ergebnis eines LTCC-Substrates unabhängig von der Metallisierung liegt bei einer Senkung von 8 auf 5,4 (etwa -37%). Jedoch ist dabei die Substratoberfläche bereits vollständig zerstört. Technisch nutzbare Ergebnisse des Verfahrens sind nur bei einer Säurekonzentration von 50 m%, Behandlungstemperaturen bis maximal 100°C und Behandlungszeiten von über 8 Stunden erzielbar. Die Permittivität metallisierter LTCC konnte somit von 7,6 auf 6,8 (etwa -12%) reduziert werden. Die relativen Änderungen sind dabei innerhalb des Messbereiches von etwa 10 bis 80 GHz stabil. Weiterhin bietet die vorliegende Arbeit detaillierte Informationen über die notwendige Zusammensetzung einer LTCC für den Einsatz als porosizierbares Substrat. Dazu werden umfangreiche chemisch-physikalische Probenanalysen sowie Behandlungen der verschiedenen LTCC diskutiert, welche zu einem tieferen Verständnis des nass-chemisch selektiven Ätzprozesses unter Verwendung von Phosphorsäure führen.

The increasing number of wireless transmission applications combined with rising frequencies towards 100 GHz requires the investigation of novel substrate and metallization solutions. In addition, a compact and cost-effective design as well as the compatibility with existing technologies are requested. In the present thesis, the potential of the wet-chemical porosification of low temperature cofired ceramics (LTCC) with phosphoric acid to reduce the relative permittivity of the substrate is studied for various commercially available tapes. These are low temperature sintering glass-ceramics, which can be arranged as multilayer substrates. Furthermore, the application of plated silver metallizations on the modified substrate surface is investigated. The wet-chemical etching procedure and the characterization of the LTCC are focused on the technical compromise between the effectivity of the permittivity reduction and the capability for further metallization in a subsequent process. The basis of these evaluations is provided by the investigations of the chemical and physical interactions of the original LTCC with the solvent solution, related with the altered physical properties of the porosified substrate in combination with the applied metallization. Basically, the porosification allows the reduction of the relative permittivity in a wide range. The highest reduction, which could be achieved independently of the metallization, is from 8 down to 5.4 (approx. -37%). In this state, however, the surface is already completely eroded. Only by utilizing acid concentrations of 50 wt% with treatment temperatures of 100°C at maximum and treatment periods above 8 h, technically applicable surfaces are realized. Given these process-related requirements, the permittivity of metallized LTCC could be reduced from 7.6 down to 6.8 (approx. -12%). The relative changes are stable within a measurement range between approximately 10 and 80 GHz. Furthermore, this thesis provides detailed information about the composition of LTCC necessary for the application as a porosifiable substrate. Therefore, extensive chemical-physical sample analysis as well as surface modifications of the different LTCC are performed. This allows a deeper understanding of the wet-chemical selective etch process applying phosphoric acid.