Foliengießen: Herstellung keramischer Folien

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Fraunhofer IWM: Keramische Folien werden bevorzugt durch Foliengießen hergestellt
Keramische Folien werden bevorzugt durch Foliengießen hergestellt (Quelle: Kerafol).

Foliengießen ist ein Urformverfahren zur Herstellung dünner, großflächiger Keramikfolien. Grundlage ist hierbei das Keramikpulver, welches mit Hilfe von Lösungsmittel und Additiven zu einem fließfähigen Gießschlicker vermischt wird.

Der Formgebungsprozess findet in der Foliengießanlage statt, in welcher der Keramikschlicker kontinuierlich mit einem Förderband unter einer Rakel glattgestrichen wird. Die so erhaltene Schlickerschicht wird anschließend getrocknet und für die Weiterverarbeitung vorbereitet.

Die Folien finden unter anderem Anwendung als Schaltungsträger für integrierte Mehrschichtschaltungen, z.B. bei sog. LTCC-Schaltungen (Low Temperature Cofired Ceramics).  

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Problemstellung

Fraunhofer IWM: Schnitt einer Grünfolie mit in Gießrichtung ausgerichteten Keramikpartikeln
Schnitt einer Grünfolie mit in Gießrichtung ausgerichteten Keramikpartikeln (Quelle: Departement für Werkstoffwissenschaften – Lehrstuhl für Glas und Keramik – Universität Erlangen).

Die Herstellung von integrierten Schichtschaltungen, insbesondere von mehrlagigen LTCCs, erfordert enge Fertigungstoleranzen. Die Chargenabhängigkeit der Toleranzen sollte möglichst gering sein. Eine Optimierung des Herstellungsprozesses hinsichtlich dieser Faktoren und somit die Verbesserung der Produktqualität und der Reproduzierbarkeit erfordert ein tiefes Verständnis der verschiedenen Prozessschritte und der dazugehörigen Einflussgrößen. Die Korrelation der verschiedenen Prozess- und Materialparameter mit den Eigenschaften der Folie, die das Endprodukt bestimmen, muss ermittelt werden. Der Parameterraum ist dabei sehr groß, so ist z.B. das rheologische Verhalten des Gießschlickers auf die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Schlickerkomponenten auf mikroskopischer Ebene zurückzuführen. Die makroskopischen Faktoren, wie die Anlagengeometrie oder die Bandgeschwindigkeit, beeinflussen ihrerseits sowohl die Form der Folie, als auch das Gefüge innerhalb der Folie.
 
Am Fraunhofer IWM wurden  zwei Projekte zur Simulation des Foliengießprozesses bearbeitet: das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Forschungsprojekt SimFol (Förderkennzeichen: 03X0508C, Projektträger: PTJ Forschungszentrum Jülich) in Kooperation mit Kerafol, Heraeus und VIA electronic, in dem der Fokus auf der Verbesserung des Foliengießprozesses in Bezug auf Qualität und Wirtschaftlichkeit lag, sowie das Forschungsprojekt der deutschen Forschungsgemeinschaft Experimentelle Untersuchungen und Simulation der Anisotropieentstehung beim Foliengießen und Trocknen keramischer Folien (KR 1729/9-1) in Kooperation mit dem Institut für Werkstoffwissenschaften der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Hier steht vor allem die Erforschung der Faktoren, welche die Ausrichtung der Keramikpartikel in der Folie bewirken, im Mittelpunkt.

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Ergebnisse

Fraunhofer IWM: Strömungszustand innerhalb der Gießkastens im Gleichgewichtszustand
Strömungszustand innerhalb der Gießkastens im Gleichgewichtszustand (Scherrate und Stromlinien).

Die Simulation erlaubt es, den Foliengießprozess auf verschiedenen Größenskalen zu betrachten und über Parameterstudien die Auswirkungen der einzelnen Einflussgrößen auf die Folienbeschaffenheit zu ermitteln.

Mit dem SimPARTIX®-SPH-Modell ist ein Multiskalen-Ansatz für die Simulation des Foliengießprozesses möglich. Einerseits kann die Strömung innerhalb des Gießkastens, unter Berücksichtigung der komplexen Gießschlicker-Rheologie, simuliert und somit der Einfluss der Gießkastengeometrie auf das Strömungsbild dreidimensional ermittelt werden.

Repräsentative Volumenzelle eines Gießschlickers mit Partikelgrößenverteilung (nur Feststoffpartikel, Lösungsmittel nicht dargestellt).

Anderseits kann mit einem erweiterten SPH-Modell das Schlickerverhalten auf mikroskopischer Ebene berechnet werden. Dazu werden die einzelnen Komponenten der Suspension und ihre Wechselwirkung miteinander direkt simuliert. Effekte wie die Auswirkung der Form der Keramikpartikel auf die Anisotropie im Grünfoliengefüge oder die Viskosität der Suspension können damit untersucht werden.

Im Verlaufe der zuvor erwähnten Projekte wurde die Strömung innerhalb der Gießanlage zwei- und dreidimensional simuliert. Es wurde der Einfluss von Veränderungen der Gießkastengeometrie auf die Strömungssituation untersucht. Auch wurden die Ergebnisse der Simulation mit Versuchen an industriellen Gießanlagen des Projektpartners Kerafol verglichen. Es zeigte sich eine gute Übereinstimung zwischen der Simulation und dem realen Prozess.

Mikroskopisch konnte mit der Simulation die Abhängigkeit zwischen Partikelform und Ausrichtung der Partikel nachvollzogen und quantifiziert werden. Auch hier ergab sich eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Das mikroskopische Modell wird im Verlauf des DFG-Projekts noch weiterentwickelt werden, um Suspensionen genauer beschreiben zu können und somit den Einfluss aller relevanten Parameter auf das Verhalten des Schlickers unter Scherung zu erfassen.

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