Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Keramisches hermetisches High Temperature Package am Beispiel von Sensoren

Industriell besteht die Forderung der nachhaltigen Steigerung der Effizienz von Hochtemperaturprozessen in Maschinen, Anlagen und Fahrzeugen. Die Voraussetzung für die Anwendung von Sensoren im Hochtemperaturbereich ist die Verfügbarkeit hochtemperarturstabiler Sensorelemente und Messprinzipien. Gleichzeitig aber auch deren Einbau in geeignete Sensorgehäuse auf der Basis einer angepassten Aufbau- und Verbindungstechnik.

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Packaging-Konzeptes für Sensoren, das auf der Nutzung kommerziell verfügbarer keramischer Gehäuse basiert. Die angestrebten Betriebstemperaturen liegen in einem Temperaturbereich von 300°C bis 600°C. Als Anwendungs- und Demonstrationsbeispiel dienen SAW-Sensoren. Der Lösungsweg besteht in der Qualifizierung von keramischen Gehäusen und dem Einsatz neuer Materialien und Technologien zur Sensormontage sowie zur Sensorkontaktierung. Angestrebte Ergebnisse sind der Nachweis der Eignung kommerziell verfügbarer keramischer Gehäuse für Betriebstemperaturanwendungen bis 600°C. Anorganische Klebstoffe für die Sensormontage werden ausgewählt und sind hinsichtlich ihrer Eignung zu testen und zu qualifizieren. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Einsatz und der Weiterentwicklung bereits bekannter Verfahren und Technologien zur elektrischen Anschlusskontaktierung für hohe Temperaturen. Im Fokus der Untersuchungen sind Verfahren mit und ohne Zusatzwerkstoffe wie das zum Widerstandsschweissen gehörende Doppelspaltschweissen sowie selektive Lötverfahren. Diese Verfahren sind hinsichtlich der Betriebstemperatur bis 600°C neu zu bewerten und auf ihre Anwendbarkeit mit ausgewählten Materialien zu prüfen.

Der Nutzen für die Unternehmen und KMU besteht darin, durch neue Produkte ihr Portfolio erweitern zu können. Zusätzlich wird durch neue Verfahren und Technologien sowie zugehöriger Werkstoffe die Wettbewerbsfähigkeit und das Know-How der Firmen gesichert und ihnen dadurch ein Wettbewerbsvorteil verschafft.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen der Arbeiten erfolgte die Qualifizierung von Sensorgehäusen, Werkstoffen zur Sensormontage innerhalb der Gehäuse, Technologien zur Anschlusskontaktierung von Gehäuse und Sensor, sowie Technologien zur hermetischen Versiegelung des Packagings. Alle einzelnen Prozesse wurden unterlegt mit Degradationsanalysen, um ein vertiefendes akademisches Verständnis der Ausfallmechanismen zu erzeugen. Über den ursprünglichen Projektumfang hinaus erfolgte die Erarbeitung geeigneter Prüftechnologie, welche die Qualifizierung definierter Messgrößen unter Einsatztemperatur bis 600 °C zulässt.

Es konnten der Nachweis eines funktionsfähigen Sensorpackages bis zu einer Betriebstemperatur von 600 °C erbracht werden. Technologische Schwachstellen, insbesondere im Bereich der Metallisierung der eigentlichen sensorischen Komponente, wurden aufgezeigt und diskutiert. Diese sind umfassend in Folgeprojekten zu adressieren. Ergänzend dazu besteht ein breites industrielles Interesse insbesondere die elektrischen Eigenschaften der keramischen Werkstoffe umfassender zu qualifizieren.

Die Ergebnisse wurden unmittelbar in die Industrie transferiert und können auf Grund der Einzelprozessbetrachtung entlang einer vollständigen Wertschöpfungskette einzeln oder voll umfassend oder in Einzelaspekten bei der Herstellung elektronischer Komponenten und insbesondere Sensorgehäusen zur Anwendung gebracht werden.