Embedding of bulk piezoelectric structures in low temperature co-fired ceramic

• Main Author: Sobocinski, M. (Maciej)
• Other Authors: Jantunen, H. (Heli)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2014
• Subjects: co-firing; embedded; piezoelectric; pietsosähköinen; upotettu rakenne; yhteissintraus; LTCC
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207049; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526207049

Abstract It has been over a century since the Curie brothers discovered the piezoelectric effect. Since then our knowledge about this phenomena has been constantly growing, accompanied by a vast increase in its applications. Modern piezoelectric devices, especially those meant for use in personal equipment, can often have complicated shapes and electric circuits; therefore, a suitable and cost effective packaging method is needed. The recent introduction of self-constrained Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) characterized by virtually no planar shrinkage has pushed the limits of this technology a step further. The practical lack of dimension change between “green” state and sintered ceramic has not only improved the design of multilayer smart packages but also allowed the embedding of other bulk materials within the LTCC and their co-firing in one sintering process. This thesis introduces a novel method of seamlessly embedding piezoelectric bulk structures in LTCC by co-firing or bonding with adhesive. Special attention is paid to the multistage lamination and post-firing poling of the piezoelectric ceramics. Examples of several structures from the main areas of piezoelectric applications are presented as proof of successful implementation of the new technique in the existing production environment. The performance of the structures is investigated and compared to structures manufactured using other methods. Integration of bulk piezoelectric structures through co-firing is a new technique with a wide area of applications, suitable for mass production using existing process flow. === Tiivistelmä Curien veljekset havaitsivat pietsosähköisen ilmiön jo yli sata vuotta sitten. Ilmiöön liittyvä tutkimustieto ja erityisesti siihen perustuvien sovellusten määrä on nykyisin valtava. Uusissa pietsosähköisissä komponenteissa ja varsinkin niissä, jotka on tarkoitettu henkilökohtaisissa laitteissa käytettäviksi, muodot samoinkuin elektroniikapiirit voivat olla monimutkaisia. Siksi tarvitaan tarkoituksenmukaista ja hinnaltaan edullista laitteen pakkausmenetelmää. Hiljattain kehitetyt itseohjautuvat matalan lämpötilan yhteissintattavat keraamit (LTCC), joiden planaarinen kutistuma on lähes olematon, ovat lisänneet LTCC-teknologian sovellusmahdollisuuksia. Muotoon valmistetun sintraamattoman ja lopullisen sintratun keraamin dimensioiden yhtäsuuruus ei ole ainoastaan parantanut älykkäiden monikerrospakkausten suunnittelua, vaan mahdollistanut myös erilaisten materiaalien ja komponenttien upottamisen LTCC-rakenteisiin ja niiden yhteissintrauksen. Väitöstyössä esitetään uusi menetelmä pietsosähköisten bulkrakenteiden upottamiseksi saumattomasti LTCC-rakenteisiin yhteissintrauksella tai liimaliitoksella. Erityistä huomiota on kiinnitetty monivaiheiseen laminointiin ja sintrauksen jälkeiseen pietsosähköisten keraamien polarisointiin. Työssä on esitetty esimerkkejä useista rakenteista pietsosähköisten sovellusten pääalueilta osoituksena uuden tekniikan onnistuneesta käyttöönottamisesta nykyisessä valmistusympäristössä. Tutkittujen uusien rakenteiden ja muilla menetelmillä valmistettujen rakenteiden ominaisuuksia on verrattu keskenään. Pietsosähköisten bulkrakenteiden integroiminen yhteissintrauksella on uusi tekniikka, joka mahdollistaa lukuisia sovelluksia ja soveltuu massatuotantoon olemassa olevilla prosseintilaitteistoilla.