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Fertigungsprogramm der deutschen Glasindustrie (vgl. Vorlesung Glastechnologie im SS)
Glastechnologie – Prof. Wondraczek – WS 2012/13 Spezialgläser Informationstechnik
Folie Nr. 1
Fertigungsprogramm der deutschen Glasindustrie (vgl. Vorlesung Glastechnologie im SS)
•
Flachglas
Bauglas, Automobilglas, Gussglas, Farbglas, Drahtglas, Sicherheitsglas,
Verbundglas, Spiegelglas, Antikglas, Überfangglas, Brandschutzglas,
Panzerglas,...
•
•
Hohlglas
Flaschenglas, Kristallglas, Beikristallglas, Konservenglas, Medizin- und
Verpackungsglas, Wirtschaftsglas, Glasbausteine,....
Spezialglas
Optisches Glas, Kieselglas, phototropes Glas, nichtoxidisches Glas,
Glasfasern/Mineralfasern, Lichtleitfaser, Glaskeramik, Borosilicatglas, pöroses
Gläser, Schaumglas, Glas für Elektrotechnik und Elektronik, Lotglas, Sinterglas,
Displayglas, Glasröhren, ....
Folie Nr. 2
Wirtschaftsdaten (vgl. Vorlesung Glastechnologie im SS)
(Statistisches Bundesamt, 2007; BV Glasindustrie, 2007)
Folie Nr. 3
Wirtschaftsdaten (vgl. Vorlesung Glastechnologie im SS)
Telekommunikation und Mikroelektronik
(2000)
Folie Nr. 4
Folie Nr. 5
• Übertragung
• Verarbeitung
• Vermittlung
• (Speicherung)
… von Informationen
Folie Nr. 6
• Übertragung
- optische Fasern
- optische Verstärker
• Verarbeitung
- „electronic packaging“
- Hochleistungslithographie
• Vermittlung
• Glas als Schlüsselkomponente
→ keine Substitution möglich
• Innovationen prozessoder materialgetrieben
- Displays
• (Speicherung)
- Holographische Speicher
• Triebkräfte
• Grenzen
• Potentiale
… von Informationen
Folie Nr. 7
Glashersteller
ca. Umsatz
(2007, Mrd. €)
*)
ca. Angestellte
(2007)
•
Compagnie de Saint-Gobain (1665)
41.6
207.000 *)
•
Nippon Sheet Glass (Sumitomo) (1918)
41.2
37.700
•
Asahi Glass (Mitsubishi) (1907)
10.3
6.000
•
Corning (1851)
3.8
24.800
•
Pilkington (1826)
•
Guardian Industries (1932)
3.6
•
Hoya (1941)
3.1 *)
2.800 *)
•
Schott (1884)
2.1
16.700
•
Nippon Electric Glass (Sumitomo) (1949)
2.0
2.000
•
Ohara (Seiko) (1881/1935)
1.3
•
Gerresheimer (1864)
0.96
- 2006 von NSG übernommen -
*)
19.000 *)
*)
7.400 *)
10.800
*) 2006/07
Folie Nr. 8
(anno –1901)
Glastechnologie
Prof. Wondraczek – WS 2012/13 Spezialgläser Informationstechnik
Folie Nr. 9
>500
50
5
Gbps
(anno 2005)
(anno 2004)
Folie Nr. 10
Triebkräfte: Datenübertragung
Folie Nr. 11
• 1956:
B. Hirschowitz, C.W. Peters, L.E. Curtiss (U Michigan)
optisches Gastroendoskop und Cladding
• 1965:
C. K. Kao, G. A. Hockham (BT)
Machbarkeitsstudie optische Langstreckenkommunikation
• 1970:
R. D. Maurer, D. Keck, P. Schultz, F. Zimar (Corning)
erste optische Faser mit < 20 dB/km (SiO2:Ti)
• 1977:
erste optisches Kabelnetz (GTE, FL, 6MBit/s)
• 1986:
D. Payne, E. Desurvivre (Southhampton, Bell Labs)
Er-dotierter optischer Verstärker
• 1988:
erstes optisches Seekabel TAT8
•1991-1996:
„photonische Faser“ (P. Russel)
Folie Nr. 12
• MCVD-Prozess
• Er-dotierter Faserverstärker
• (Diodenlaser)
…
• PCF-Prozess
stockeryale.com
Folie Nr. 13
Grenzen: Datenübertragung
(Mio. km)
30
(Ariva)
20
Langstrecke
Kabel-TV
lokal
andere SM
10
2001
2003
2005
2007
(KMI Research 2008)
Folie Nr. 14
(GB/s)
1 Wellenlänge
(Kanal)
1.000
pro Faser
(rel.
Rechenleistung)
>1 Kanäle
pro Faser
(WDM)
10.000
1.000
100
1
>>1 Kanäle
pro Faser
(DWDM)
0.1
100
10
1
0.01
1985
1990
1995
2000
Folie Nr. 15
• DWDM-Technologie
• Breitbanddienste: Internet-TV,
digitale Videodienste
(„video-on-demand“, „distance
learning“, …)
(Deutschland)
• bis 2010 ~ 3000 DWDM Kanäle,
5 – 100 TB/s, allein in Japan
(www.ieice.org/~pn/jpn/)
Anzahl
Breitbandanschlüsse
, Potential (Mio)
Folie Nr. 16
Triebkräfte:
Fiber-to-the-curb
/ home
www.exfo.com
lafayetteprofiber
Q. Wang, et al., Opt. Express 13,
4476-4484, 2005
• optischer Biegeverlust
• Festigkeit / Biegeradius
Folie Nr. 17
0.17-0.18 dB/km
(Corning ULL SMF-28)
Rayleigh-Limit
Folie Nr. 18
Potentiale: Datenübertragung
low-loss photonic fibers: Dämpfung, Bandbreite, Faserlänge
100nm
20nm
1.7dB/km
BlazePhotonics
~ 800 m @1.57µm
[Mangan, et al., OFC 2004 PDP24]
Folie Nr. 19
Signal
Pumplaser Verstärkerfaser verstärktes
Signal
RE-dotiertes SiO2
stimulierte
Emission
EDFA(Er2O3): 1525-1565 nm (C); 1570-1610 nm (L)
Folie Nr. 20
Zusammenfassung: Datenübertragung
Trend
• Erhöhung der Verstärkerbreite: DWDM, UDWDM
• Fiber-to-the-curb / fiber-to-the-home
• weitere Verkleinerung der optischen Dämpfung für
Langstreckenkommunikation
Innovationsrichtung
• exponentiell steigende Datenvolumina, v.a. digitale
Videodienste
Ziele
!
• Kommunikation: prozessgetrieben; MCVD, PCF
(Werkstoff: SiO2: MeO, F)
• Verstärkung: materialgetrieben
Folie Nr. 21
Triebkräfte: Datenvermittlung - Displays
P. Semenza, Nature Photonics 1, 267 - 268 (2007)
Folie Nr. 22
Triebkräfte: Datenvermittlung - Displays
www.ednasia.com
Folie Nr. 23
Triebkräfte: Datenvermittlung - Displaygröße ↔ Substratgröße ↔ Preis
• Gen12 in 2012: 3350x3950 m²… ?
(displaybank, 2007)
Folie Nr. 24
Grenzen: Datenvermittlung - Displaygröße ↔ Substratgröße ↔ Preis
• Prozessgetrieben
… aber wo sind die neuen Prozesse der
letzten 30 Jahre?
www.corning.com
Folie Nr. 25
Triebkräfte: Datenvermittlung - flexible Displays
Displaybank, 'Flexible Display Technology and Market (2007~2017)' report (2007)
Folie Nr. 26
Plasticlogic: E-Paper SVGA Display, 2008
E-Inc Corp.: Farbig in 2008?
LG Philips, 2007
Folie Nr. 27
(Small&Medium)
Displaybank, 'Flexible Display Technology and Market (2007~2017)' report (2007)
Folie Nr. 28
Grenzen: Datenvermittlung - 3D Displays
3D- (und andere) Displays:
- neue Werkstoffe und Prozesse
http://www.felix3d.com
- „reale“ Proben
- Labormaßstab: Ausstattung
- Schmelzmethoden, CVD, …
- Homogenität und Reinheit
- Kühl-/Relaxationsverhalten
- optische Eigenschaften
- Oberflächenqualität
- Politur, Trennverfahren
- Festigkeit, Fehlerempfindlichkeit
-…
Folie Nr. 29
Zusammenfassung: Datenvermittlung
Ziele
• größere Formate & geringerer Preis
• flexible und/oder leichtere Displays, touch-screen
• OLED / „neuartige Displaykonzepte“
• (3D-Displays)
• Steigerung der Kantenfestigkeit
• neue (billigere) Prozesse für größeren Durchsatz,
geringere Glasdicke und höchste Oberflächenqualität
• „Hochtemperatur“-Gläser
Innovationsrichtung
Trend
!
• „umweltfreundliche Gläser“
• Viskositätsverhalten
• Formgebung: Prozess und Modellierung
• mechanische Eigenschaften, Fehlerempfindlichkeit
Folie Nr. 30
Triebkräfte: Datenverarbeitung - Integrierte keramische Mikroschaltungen
2006:
4,94 Mrd. US $
Mio. €
1376
907
366
1174
523
590
Japan
Amerika
übr. Europa
Südostasien
Deutschland
Nahost/Afrika
Deutschland: hoher Anteil am Weltmarkt
≈ 590 Mio. € - 12% der Welt, 53% von Europa
LTCC Anteil derzeit 42%
Stark wachsender Markt: 12-13% p.a. für MEMS
“Ceramic packaging”
(Substrate, Gehäuse, Module
Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronik Industrie e.V.: https://www.zvei.org/
J.C. Eloy. mst news 2/08 VDI/VDE/IT, S. 14 ff
Folie Nr. 31
LTCC Mikrohybrid Modul
 thermisch stabil
 Dicht (H2O,..)
 mechanisch stabil
 geringe dielektrische
Verluste
 kleine Chatchpads



⇓
Langzeitzuverlässig
hohe Integrationsdichte
robust
ABS/ESP controller
* Gegenüber den gängigen Polymersystemen: Epoxy-Harze, FR4 (Harz + 60wt% E-Glas), Polyimid
Folie Nr. 32
keramische Mikroschaltungen im Automobilbereich
 85 % keramische Mikroschaltungen
 starkes Wachstum
Sicherheit:
 Airbags, ABS, ESP, adaptive
cruise control ACC (radar-, laser-,
GPS-based), Suspension...
Umwelt/Energie:
 Motorsteuerung zur Senkung
des Kraftstoffverbrauchs
insbesondere für Kleinwagen
(dort höhere thermomechanische Anforderungen),
 Emissionsminderung
Komfort:
 Aircondition, Sitzposition,
Navigation...
Hochleistungskeramik 2025. Strategieinitiative für die
Keramikforschung in Deutschland . ISBN 978-3-88355-364-1
Folie Nr. 33
Mobiltelefonie
GSM front-end, Filter, Bandpass,
Duplexer  Bluetooth, WLAN,
GPS, Digital TV Receiver,
Kameras, ...
Medizintechnik
Herzschrittmacher, BioMEMS
(MCM mit integrierte Mikrofluidik
/ Bio-Sensorik...), ...
Übertragungssysteme
>80GHz:  GPS, Raumfahrt,
Flugassistenz, Wirbelschleppenrada
...
techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20061124/124305/z4b.jpg
Folie Nr. 34
Integration
microvision.com
Folie Nr. 35
Rolle des Glases: LTCC
Bedrucktes LTCC-Substrat vor...
Co-firing:
Gleichzeitiges Brennen
metallischer Leiterbahnen
und keramischer Substrate
techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20061124/124305/z4b.jpg
..nach dem Brand (3,5x)
Low temperature:
Sinterung < 900°C
hochleitende Metalle
TM(Ag) = 962°C
L. Wondraczek, R. Müller: DGG FA1, Jena, 2008
Folie Nr. 36
Glas in LTCC
2006:
4,94 Mrd. US $
Mio. €
1376
907
366
1174
523
590
Japan
Amerika
übr. Europa
Südostasien
Deutschland
Nahost/Afrika
Deutschland: hoher Anteil am Weltmarkt
≈ 590 Mio. € - 12% der Welt, 53% von Europa
LTCC Anteil derzeit 42%
“Ceramic packaging” (Substrate,
Gehäuse, Module)
Stark wachsender Markt: 12-13% p.a. für MEMS
Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronik Industrie e.V.: https://www.zvei.org/
J.C. Eloy. mst news 2/08 VDI/VDE/IT, S. 14 ff
Folie Nr. 37
Glas in LTCC
LTCC Mikrohybrid Modul
 thermisch stabil
 Dicht (H2O,..)
 mechanisch stabil
 geringe dielektrische
Verluste
 kleine Chatchpads



⇓
Langzeitzuverlässig
hohe Integrationsdichte
robust
ABS/ESP controller
* Gegenüber den gängigen Polymersystemen: Epoxy-Harze, FR4 (Harz + 60wt% E-Glas), Polyimid
Folie Nr. 38
Interfaces in Kompositmaterialien: Bsp. LTCC
keramische Mikroschaltungen
im Automobilbereich
 85 % keramische Mikroschaltungen
 starkes Wachstum
Sicherheit:
 Airbags, ABS, ESP, adaptive
cruise control ACC (radar-, laser-,
GPS-based), Suspension...
Umwelt/Energie:
 Motorsteuerung zur Senkung des
Kraftstoffverbrauchs insbesondere
für Kleinwagen (dort höhere thermomechanische Anforderungen),
 Emissionsminderung
Komfort:
 Aircondition, Sitzposition,
Navigation...
Hochleistungskeramik 2025. Strategieinitiative für die
Keramikforschung in Deutschland . ISBN 978-3-88355-364-1
Folie Nr. 39
LTCC Materialien
> 97Vol%
Glaspulver
GC
Glass Ceramics
80-45% Glaspulver
kristalline Pulver
+ kristalline Pulver
+3-20% Glaspulver
GCC
GBC
Glass Ceramic
Composites
Glass Bonded
Ceramics
> 97Vol%
Kristalline Pulver
C
Ceramics
marktdominierend
nach W. A. Schiller, R. Müller, T. Rabe: Über das Sintern von LTCC, CfI 21 (2007) [1] 41-46
Folie Nr. 40
Rolle des Glases: LTCC
 Co-firing < 900°C
 Vielfältige Eigenschaftskombinationen
(e, tand,a, h, Kristallisation)
 Kontinuierliche Einstellbarkeit
Dichtbrand [°C]
1800 G1/A
1600
GBC
 B2O3-Bi2O3-SiO2-ZnO
 Bi2O3-ZnO-B2O3
HTCC
1400
1200
GCC
G1+AN
1000
LTCC
800 Z+G5
T+G4
G3+T
600
400
G2+A
 La2O3-B2O3-TiO2
 K2O-B2O3-SiO2
 CaO-B2O3-Al2O3-SiO2
Dispersphasen
0
20
40
60
80
Glasanteil [vol%]
100
T= BaLa2Ti14O12
A=Al2O3 Z=ZrO2 AN=AlN
Folie Nr. 41
Herstellung eines LTCC-Bauteils
R. Meszaros, R. Müller: DGG FA1, Würzburg, 2009
Folie Nr. 42
Herstellung eines LTCC-Bauteils
• Variation der elektrischen, mechanischen, thermischen,
chemischen und optischen Eigenschaften
Folie Nr. 43
LTCC - Glasmatrixkomposit (GMC)
Sintern
Glas + Keramik (z.B. a-Al2O3)
GMC
•
•
•
•
Verbundwerkstoff aus zwei Phasen
Glasmatrix mit darin dispergierten keramischen Partikeln
Keramikanteil 20-50 Vol%
Sinterung mit Entstehung einer viskosen Glasphase bei niedrigen
Temperaturen
• nichtreaktive GMC
• Reaktive GMC
Folie Nr. 44
Effekte bei der Kompoundierung
Keramik
Glas
Keim
► Kristallisation des Glases (post-firing Stabilität)
► Anlösung der Keramik (Einfluss auf Glaszusammensetzung,
Kristallisationsverhalten und Viskosität)
► Keramik und Kristall Volumenfraktion Φ (Einfluss auf die
effektive Komposit Viskosität ηeff)
Folie Nr. 45
Keramik
Glas
Keim
• Kristallisation der Glases (gibt die nötige post-firing Stabilität)
• Anlösung der Keramik (Einfluss auf Glaszusammensetzung,
Kristallisationsverhalten und Viskosität)
• Keramik und Kristall Volumenfraktion Φ (Einfluss auf die
Folie Nr. 46
Keramik
Einstein-Roscoe

Glas
η eff (Φ ) = 1 −

−n
Φ 
 ⋅η RG
Φ max 
Keim
• Kristallisation der Glases (gibt die nötige post-firing Stabilität)
• Anlösung der Keramik (Einfluss auf Glaszusammensetzung
und Viskosität)
• Keramik und Kristall Volumenfraktion Φ (Einfluss auf die
Folie Nr. 47
Lösung
Keramik
Keramik
Volumenfraktion Φ
Glas
Kristallisation
Keim
• Komplexe gegenseitige Beeinflussung von Kristallisation, neff
und Lösung
Variabilität bei Endeigenschaften
• bisherige Entwicklung überwiegend empirisch
• hochkomplexe Gefügeentwicklung
derzeit keine Simulation möglich
Folie Nr. 48
Sinterung
1000
900
800
700
T (°C)
600
500
Sinterung
400
300
200
Entbinderung
100
0
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
t (min)
Folie Nr. 49
Sinterung und Interfaceausbildung
750°C
G
C
10 µm
• Beginn der Sinterung
• Gute Kornverteilung
• Bildung erster Sinterhälse
Folie Nr. 50
800°
C
10 µm
► beinahe durchgehende Glasmatrix
► Porenstabilisierung durch Al2O3 Partikel
Folie Nr. 51
815°C
10 µm
► Porenstabilisierung durch Al2O3 Partikel
► Isolierte sphärische Poren (Blasen)
Folie Nr. 52
850°C
10 µm
► Maximalschwindung erreicht
► Restporosität (Blasen)
► Entstehung erster sekundärer Kristalle
Folie Nr. 53
DTA --- exo --->
s in %
5 K/min
0
-5
-10
900°C
DTA
W
-15
700
800 900
T in °C
1000
G
C
5 µm
• Entstehung sekundärer
Kristallphasen (hier: Wollastonit
CaSiO3)
Folie Nr. 54
DTA --- exo --->
s in %
5 K/min
0
-5
-10
1000°C
A
W
DTA
-15
700
800 900
T in °C
C
1000
3 µm
• Entstehung weiterer sekundärer
Kristallphasen (hier: Anorthit
CaAl2Si2O8)
• α-Al2O3 Anlösung sichtbar
Folie Nr. 55
• Berechnete Restglasphase und Viskosität
► Diskontinuierliche Abnahme der Restglasviskosität ηRG
Folie Nr. 56
α- Al2O3 Lösung und Gradientenbildung
α-Al2O3
G
α-Al2O3
20 nm
200 nm
S TE M IMG
CAl
200 nm
200 nm
Al K
STEM/ EDX Mapping, Abbruchbrand bei T=1000°C
• Lösungsbereich mit Gradient auf ca. 70nm
Folie Nr. 57
G
At%
Diffuser
Übergangsbereich
1350
α- Al2O3 Lösung und Gradientenbildung
0
α-Al2O3
50 nm
50 nm
LG9
0.00
0 nm
Distance
Abstand
76.37 nm
76 nm
STEM/ EDX Line Scan, Abbruchbrand bei T=1000°C
Al, Ca, Si, O
Folie Nr. 58
Potentiale / Zusammenfassung: Datenverarbeitung
Innovationsrichtung
Ziele
Trend
!
• mobile Kommunikation
• höchste Integration/Funktionsdichte, neue Funktionen
• Kostensenkung
• Miniaturisierung
• Eigenschaftsvorhersage, kurze Entwicklungszeiten
• höhere Frequenzen (GHz)
• dielektrische Verluste
• Permittivität und Permeabilität
• Material- und Prozesskompatibilität
• Prozesskontrolle, Simulationstools
materialgetrieben
prozessgetrieben
Folie Nr. 59
Datenverarbeitung: µ-Lithographie
Corning ULE
www.corning.com
Schott Zerodur
www.schott.com
www.ptb.de
Corning HPFS
www.corning.com
• Gläser höchster Reinheit und
Homogenität
• unkonventionelle Prozesse
• große Bauteile
Folie Nr. 60
Anwendungen
Schlüsselkriterien
Prozess
Grundlagen
Innovationspotential Glas:
Telekommunikation
Datenübertragung
Datenverarbeitung
- Rayleigh-Streuung
- dyn. Heterogenität
- NIR-Absorption, Wasser
- Bruchverhalten
- NLO
- Lumineszenz
- hochreine Gläser
- Faseroberflächen
- Prozessfenster
- Sinterung
- mehrphasige Systeme
- Kristallisationsprozesse
- hochreine Gläser
- Simulationstools
- Simulationstools
- Kontrolle
- Kompatibilität
- optische Dämpfung
- Biegeradius
- breitbandige
Lumineszenz
- Integration
- dielektrischer Verlust
- Arbeitsfrequenz
- Preis
- optische Fasern
- optische Verstärker
- LTCC
- (µ-Lithographie)
- (Optoelektronik)
Datenvermittlung
- Festigkeit,
Kantenfestigkeit
- Viskosität, Liquidus
- Relaxation
- Oberfläche
- optische Eigenschaften
- „green compositions“
- Modellierung
- Prozessfenster
- neue Prozesse
- Up-scaling
- Oberflächenqualität
- Dicke und Format
- Kantenfestigkeit
- Preis
- LCD-TV
- flexible Displays
Folie Nr. 61

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