Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- und ... · Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- und Verbindungstechnik f¨ur die Optoelektronik –Eigenschaften, Bauelemente, Einsatzm¨oglichkeiten–

Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- undVerbindungstechnik fur die Optoelektronik–Eigenschaften, Bauelemente, Einsatzmoglichkeiten–

Dissertation

zur Erlangung des Grades eines

Doktor-Ingenieurs

der Fakultat fur Elektrotechnik und Informationstechnikan der Ruhr-Universitat Bochum

von

Achim Kohler

aus Friedrichshafen

Bochum 1999

Dissertation eingereicht am: 19. Oktober 1999Tag der mundlichen Prufung: 10. Dezember 1999Referent: Prof. Dr.-Ing. P. DullenkopfKoreferent: Prof. Dr.-Ing. H. Thust

i

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Optische Eigenschaften von Dickschichtmaterialien 4

2.1 Voruberlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Meßgroßen und Meßverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 Untersuchungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.1 Substratmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.2 Dickschicht-Leitbahnschichten und Widerstande . . . . . . . . . . 23

2.3.3 Schutzglasuren und Glaslote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 Glas als Substratmaterial fur Dickschicht-Hybridschaltungen 28

3.1 Voruberlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2 Leitbahnstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 Dickschichtwiderstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.1 Widerstande mit Polymerpasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3.2 Glasmatrixbasierte Widerstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4 Leitbahnuberkreuzungen und Schutzabdeckung . . . . . . . . . . . . . . 40

3.5 Montage von Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.6 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Inhaltsverzeichnis ii

4 Optoelektronische Bauelemente in Dickschichttechnik 47

4.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2 Elektrolumineszenz-Leuchtelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2.1 Grundlagen der Elektrolumineszenz-Leuchtelemente . . . . . . . . 48

4.2.2 Eigenschaften von Elektrolumineszenz-Leuchtelementen . . . . . . 52

4.2.2.1 Emissionsspektrum von EL-Leuchtstoffen . . . . . . . . 54

4.2.2.2 Abstrahlcharakteristik von EL-Leuchtzellen . . . . . . . 59

4.2.2.3 Strahlungsemission in Abhangigkeit von der elektrischenAnregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.2.4 Leistungsaufnahme undWirkungsgrad von EL-Leuchtzellen 68

4.2.2.5 Temperaturverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2.2.6 Langzeitverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2.3 Realisierung von Elektrolumineszenz-Leuchtelementen . . . . . . . 75

4.2.3.1 Herstellung von EL-Leuchtzellen unter Verwendung licht-durchlassiger Leitpasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.2.3.2 EL-Leuchtzellen auf der Basis von Interdigitalkondensa-toren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3 Elektrolumineszenz-Zellen als Strahlungsempfanger . . . . . . . . . . . . 84

5 Einsatzmoglichkeiten 87

5.1 Optische Leistungsubertragung mit galvanischer Potentialtrennung . . . . 87

5.2 Wegsensor mit EL-Leuchtzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.3 Anzeigen mit EL-Leuchtzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.4 Ubertragung analoger Signale mit EL-Leuchtzellen . . . . . . . . . . . . . 110

5.4.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.4.2 Signalubertragung mit Pulsweiten-Modulation . . . . . . . . . . . 110

5.4.3 Signalubertragung mit Pulsfrequenz-Modulation . . . . . . . . . . 113

6 Zusammenfassung und Ausblick 116

Inhaltsverzeichnis iii

Literaturverzeichnis 121

Bildverzeichnis 129

Tabellenverzeichnis 133

iv

Formelzeichen, Abkurzungen undSymbole

Abkurzungen und Symbole

Al Aluminium

Ag Silber

AgPd Silber-Palladium

AlN Aluminiumnitrid

Al2O3 Aluminiumoxid

AM Air-Mass

Au Gold

BGA Ball Grid Array

CdS Cadmiumsulfid

CdSe Cadmiumselenid

CdTe Cadmiumtellurid

Cu Kupfer

CuInSe2 Kupfer-Indiumselenid

CuS Kupfersulfid

EL Elektrolumineszenz

FR4 glasfaserverstarktes Epoxidharz

GaAlAs Gallium-Aluminium-Arsenid

I2C Inter Integrated Circuits

ITO Indium-Tin-Oxide

K Kalium

LC Liquid Crystal (Flussigkristall)

LTCC Low Temperature Cofired Ceramic

Formelzeichen, Abkurzungen und Symbole v

MgO Magnesiumoxid

Mn Mangan

Na Natrium

Nd Neodym

Pb Blei

PES Porcelain Enamelled Steel, emaillierter Stahl

Pt Platin

PFM Pulsfrequenzmodulation

PWM Pulsweitenmodulation

R.H. Relative Humidity, relative Luftfeuchte

Sn Zinn

Sb Antimon

SiO2 Siliziumoxid

YAG Yttrium-Aluminium-Granat

ZnS Zinksulfid

Formelzeichen

αB Brewsterwinkel

γ Halbwertswinkel

ε Absorptionskoeffizient

εr relative Dielektrizitatszahl

η Wirkungsgrad

ϑ Temperatur (Celsius)

λ Wellenlange

ρ Reflexionsgrad

σ Streuvermogen

τ Transmissionsgrad, Zeitkonstante

Φe, Φv Strahlungsfluß, Lichtstrom

Ω Raumwinkel

ω Kreisfrequenz

A Flache

Formelzeichen, Abkurzungen und Symbole vi

B Imaginarteil des Admittanz (Suszeptanz)

cosϕ Wirkleistungsfaktor

C Kapazitat

d Substratdicke, Schichtdicke

E elektrische Feldstarke

F Kraft

f Frequenz

G Realteil des Admittanz (Konduktanz)

I elektrische Stromstarke

Iv, Ie Leuchtstarke,Strahlstarke

KFD Verhaltnis zwischen Photostrom und Strahlungsfluß

Km Maximalwert des photometrischen Strahlungsaquivalents

Kv Verhaltnis zwischen Lichtstrom und Strahlungsfluß

Le,Lv Strahldichte, Leuchtdichte

n Brechungsindex

P Leistung

R Ohmscher Widerstand

RF Flachenwiderstand

S Dampfungsfaktor

S(λ) spektrale Empfindlichkeit

tan δ Verlustfaktor

T absolute Temperatur, Periodendauer

t Zeit

U elektrische Spannung

V (λ) spektraler Hellempfindlichkeitsgrad

Y Admittanz

1

1 Einleitung

Optoelektronische Komponenten und Systeme werden in vielen Bereichen, angefangenbei der Kommunikationstechnik uber die industrielle Meßtechnik bis hin zur Unterhal-tungselektronik, eingesetzt. Wie uberall in der Elektronik werden auch an optoelek-tronische Komponenten und Systeme standig steigende Anforderungen gestellt. Dazugehoren kleinere Abmessungen, zunehmende Funktionalitat, hohere Arbeitsfrequenzen,gesteigerte Zuverlassigkeit, Betrieb bei extremen Umweltbedingungen, reduzierte Kostensowie Umweltvertraglichkeit, um nur einige zu nennen. Es gibt eine Reihe unterschiedli-cher Moglichkeiten diese Anforderungen zu erfullen. Eine davon ist die Erforschung undEntwicklung der Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- und Verbindungstechnik fur dieOptoelektronik.

In der Dickschicht-Hybridtechnik, die eine seit vielen Jahren bewahrte Aufbau- und Ver-bindungstechnik fur elektronische Schaltungen darstellt1 [40, 80], wird standig ein hoherForschungs- und Entwicklungsaufwand betrieben, um den stetig zunehmenden techni-schen, okonomischen und auch okologischen Anspruchen gerecht zu werden. Die Untersu-chungen im Bereich der

”klassischen“ Dickschicht-Hybridtechnik betreffen beispielsweise

die Analyse von Parasitarkomponenten in Dickschichtschaltungen [74] oder die Fragenach der Eignung von Dickschicht-Hybridschaltungen fur den Einsatz bei hohen Tem-peraturen [21]. Fur die Forderung nach zunehmender Integrationsdichte wurden Losun-gen wie die Herstellung feinlinienstrukturierter Dickschicht-Komponenten [57] oder dieMehrlagen-Aufbautechnik mit niedrig sinternden Keramikfolien entwickelt und unter-sucht [67, 103]. Dabei zeigt sich stets, daß das Potential der Dickschicht-Hybridtechnikbei weitem noch nicht erschopft ist.

Fur optoelektronische Komponenten und Systeme ist es deshalb naheliegend, der Fragenachzugehen, inwiefern die Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- und Verbindungstech-nik auch fur diesen Bereich geeignet ist. Die Idee ist nicht neu. Beispielsweise wird fur dieFertigung von Leucht- oder Fotodioden haufig die Dickschicht-Hybridtechnik eingesetzt.Allerdings wird die Dickschichtschaltung nur fur die Herstellung elektrischer Verbindun-gen, als mechanischer Trager und, beispielsweise bei Laserdioden, fur die Warmeablei-tung eingesetzt. Eine optische Funktion erfullt die Dickschichtschaltung dabei nicht.

1Kenntnisse der Dickschichttechnik werden als bekannt vorausgesetzt.

1 Einleitung 2

Es sind jedoch sehr wohl auch Applikationen denkbar, bei denen der Dickschichtaufbaueine optische Funktion erfullt. Beispielsweise ein Optokoppler, bei dem die Strahlungs-quelle auf der einen und der Strahlungsempfanger auf der anderen Seite des Dickschicht-Substrates angeordnet ist. Wird als Substrat, wie in der Dickschichttechnik ublich, eineAl2O3-Keramik eingesetzt, dann besitzt der Optokoppler die hervorragenden Isolations-eigenschaften der Keramik. Fur derartige Applikationen sind eine Reihe von Fragen zuklaren: Kann durch eine Dickschicht-Keramik hindurch uberhaupt optische Strahlungubertragen werden? Gibt es moglicherweise bevorzugte Wellenlangen? Wird die Strah-lung gestreut und wenn ja, wie stark? Fur andere Anwendungen ware der Einsatz vonDickschicht-Metallisierungen als optischer Reflektor oder von Dickschicht-Widerstandenals optischer Absorber denkbar. Grundsatzlich stellt sich hier die Frage nach den opti-schen Eigenschaften von Dickschicht-Materialien.

Auch die umgekehrte Fragestellung ist moglich: Welche”Dickschicht-Eigenschaften“ be-

sitzt das Standard-Material der Optik, namlich Glas? Gibt es geeignete Glaser, die alsSubstrat fur Dickschicht-Schaltungen geeignet sind? Sind Dickschicht-Pasten verfugbar,mit denen Leitbahnen, Dickschicht-Widerstande und Leitbahn-Uberkreuzungen auf Glas-substraten hergestellt werden konnen? Welche Eigenschaften besitzen diese Dickschicht-strukturen und Bauelemente? Eine derartige Aufbautechnik eroffnet interessante Moglich-keiten in Bereichen wie der Sensorik oder der Nachrichtenubertragungstechnik. Als ein-faches Beispiel sei eine Reflex-Lichtschranke genannt, bei der eine Leuchtdiode als Strah-lungsquelle und eine Photodiode als Strahlungsempfanger

”kopfuber“ auf ein Glassub-

strat montiert sind. Die Ubertragung der optischen Strahlung erfolgt durch das Glas-substrat hindurch. Gleichzeitig dient das Glas als Trager fur die Ansteuer- und Aus-werteschaltung. Elektrische Verbindungen oder Widerstande sind in Dickschichttechnikrealisiert. Unter Umstanden kann das Glassubstrat auch einen Teil des Gehauses bilden,beispielsweise indem die Schaltung einfach mit Kunststoff umspritzt wird.Weitere Moglichkeiten bietet die Hybridisierung, d.h. die Kombination der Dickschicht-technik auf Glassubstraten mit anderen Technologien. So lassen sich auf das Glassub-strat neben Dickschichtstrukturen auch optische und optoelektronische Komponentenauf Polymerbasis aufbringen [22, 46, 83, 101]. Linsen, Prismen und ahnliche Bauelemen-te konnen mit einfacher Klebetechnik [23] oder mit speziellen Herstellungsverfahren [17]integriert werden.

Neben der Herstellung rein elektrischer Strukturen bietet die Dickschichttechnik be-kanntlich die Moglichkeit, andere Bauelemente, etwa Sensoren oder Aktoren, zu reali-sieren [116, 78, 117]. Auch Bauelemente, die fur die Optoelektronik von Interesse sind,namlich optische Strahlungsempfanger und Strahlungsquellen, konnen in Dickschicht-technik realisiert werden. Bei den Strahlungsempfangern sind dies hauptsachlich Pho-towiderstande und Solarzellen. Als optische Strahlungsquellen konnen Leuchtelemen-te auf der Basis der Dickschicht-Pulver-Elektrolumineszenz hergestellt werden. DieseLichtquellen werden bislang nahezu ausschließlich fur die Hintergrundbeleuchtung vonLC-Displays oder Folientastaturen eingesetzt. In anderen Bereichen wie der Informati-

1 Einleitung 3

onsdarstellung [19, 28], der Nachrichtenubertragung oder in optischen Sensoren [3] sindjedoch bisher nur wenige oder keine Anwendungen bekannt. Untersuchungen uber dieEigenschaften der Leuchtelemente wurden entweder im Hinblick auf die Anwendung zurHintergrundbeleuchtung oder zur Klarung der physikalischen Grundlagen durchgefuhrt.Viele Aspekte, beispielsweise die dynamischen Eigenschaften oder das Temperaturver-halten realer Zellen, sind kaum geklart. Auch sind keine aktuellen Untersuchungen anLeuchtelementen, die mit kommerziell verfugbaren Dickschicht-Leuchtstoffpasten herge-stellt wurden, bekannt.

Die vorliegende Arbeit behandelt die drei genannten Themenbereiche. Im ersten Teilwerden die optischen Eigenschaften konventioneller Dickschichtmaterialien vorgestelltund diskutiert. Dazu gehoren das Reflexions-, das Transmissions- und das Streuverhal-ten von Dickschicht-Substratmaterialien, Widerstands- und Leitbahnschichten sowie derBrechungsindex ausgewahlter Dickschicht-Glaser und Substrate. Gegenstand des zwei-ten Teils ist die Herstellung und Untersuchung von Dickschichtstrukturen auf Glas-substraten. Neben der Haftfestigkeit, der Bondbarkeit und den elektrischen Kennwer-ten von Dickschicht-Leitbahnen auf Glas werden auch Untersuchungen an Dickschicht-Widerstanden und an verschiedenen Pasten fur die Realisierung von Leitbahnuberkreu-zungen prasentiert. Nach einem Uberblick uber die in Dickschichttechnik herstellbarenoptoelektronischen Strahlungsempfanger umfaßt der dritte Teil die Grundlagen, die Ei-genschaften und den Aufbau von Elektrolumineszenz-Leuchtelementen. In Teil 4 der Ar-beit werden mit den Erkenntnissen aus den vorangegangenen Kapiteln Einsatzmoglich-keiten der Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- und Verbindungstechnik fur die Op-toelektronik an einigen exemplarischen Beispielen demonstriert.

4

2 Optische Eigenschaften vonDickschichtmaterialien

2.1 Voruberlegungen

Fur die Realisierung optoelektronischer Komponenten und Systeme mussen die optischenEigenschaften der verwendeten Materialien bekannt sein. In der Dickschichttechnik sinddies vor allem die Substratmaterialien, Dickschicht-Widerstande und Leitstrukturen,Dielektrikumsschichten und Schutzglasuren. Da die charakteristischen optischen Datendieser Materialien von den Herstellern nicht angegeben werden und sich in der Literaturauch nur wenige Angaben finden [102], mussen diese auf meßtechnischem Wege ermitteltwerden.Erste grobe Aussagen uber die zu erwartenden optischen Eigenschaften konnen durchKenntnis des Herstellungsverfahrens und der Zusammensetzung der Dickschichtmateria-lien [21, 40, 53, 80] sowie aufgrund des visuellen Eindrucks getroffen werden:

• Als Substratmaterialien werden in der Dickschichttechnik bevorzugt Aluminium-oxid-Keramiken (Al2O3-Anteil 96%) eingesetzt. Daruber hinaus gelangen in derLeistungselektronik zunehmend Aluminiumnitrid-Substrate (AlN) und im Bereichkomplexer Mehrlagenschaltungen niedrig sinternde Keramikfolien (Low Tempe-rature Cofired Ceramics, LTCC) zum Einsatz. Die Dicken der eingesetzten Al2O3-und AlN-Substrate liegen zwischen 0,25mm und 2,3mm. Bei den LTCC-Substratenhangt die Dicke von der Lagenzahl ab. Die Dicke einer einzelnen Lage betragtca. 70µm. Al2O3-Substrate besitzen eine weiße Farbe und sind, ebenso wie dieuntersuchten beigefarbenen LTCC-Substrate, schwach durchscheinend. Die unter-suchten Aluminiumnitrid-Substrate von zwei verschiedenen Herstellern weisen einedunkelgraue bzw. rosa Farbe auf und sind ebenfalls schwach durchscheinend.Bei allen genannten Materialien handelt es sich um Sinterwerkstoffe. Bei der Her-stellung wird das pulverformige Ausgangsmaterial (Al2O3, AlN) zusammen mitgeeigneten Sinterhilfen (z.B. SiO2, MgO) und organischen Zusatzen in einem mehr-stufigen Prozeß bei Temperaturen bis zu 1600 C versintert. Die entstehenden Ke-ramiken besitzen eine inhomogene Struktur (Korngroße etwa 10µm) und eine hohe


Oberflachenrauhigkeit (0,5µm . . . 5µm), die durch nachtragliches Lappen oder Po-lieren deutlich verringert werden kann.Bezuglich der optischen Eigenschaften bedeutet das gesagte, daß die Substrate fursichtbare Strahlung teilweise durchlassig sind. Außer bei den rosafarbigen AlN-Substraten ist keine ausgepragte Wellenlangenabhangigkeit der optischen Kenn-werte zu erwarten. Aufgrund der Volumenstruktur ist davon auszugehen, daß beider Transmission und der Reflexion ein ausgepragtes Streuverhalten auftritt. DasStreuverhalten bei Reflexion hangt daruber hinaus vom Bearbeitungszustand derOberflache ab.

• Dickschicht-Leitbahnen und Dickschichtwiderstande bestehen aus Metall- bzw.Metalloxidpartikeln, die in eine Glasmatrix1 eingebettet sind. Der Abstand derPartikel liegt im Bereich einiger zehn Nanometer. Leitbahnen besitzen eine ahn-liche Farbe wie die zugrundeliegenden Metalle; den typischen Metallglanz weisensie allerdings nicht auf, vielmehr erscheint ihre Oberflache stumpf und matt. Dick-schichtwiderstande sind im allgemeinen schwarz. Sowohl Leitbahnen als auch Wi-derstande sind nicht lichtdurchlassig und besitzen eine hohe Oberflachenrauhigkeit.Dementsprechend durften diese Materialien nur einen kleinen Reflexionsgrad undein ausgepragtes Streuverhalten aufweisen.

• Zur Herstellung von Leitbahnuberkreuzungen und Vielschichtschaltungen werdenin der Dickschichttechnik Glaspasten (kristallisierend und nichtkristallisierend) so-wie Glas-Keramik-Pasten eingesetzt. Aufgrund der besseren Warmeleitfahigkeitwerden heute bevorzugt Glas-Keramik-Pasten eingesetzt. Diese sind zu Kontroll-zwecken zumeist eingefarbt. In optischer Hinsicht erscheinen die mit diesen Pastengefertigten Schichten lichtundurchlassig und besitzen eine matt schimmernde Ober-flache. Fur die Realisierung von Dickschichtkondensatoren werden ahnliche Pastenverwendet, die mit ferroelektrischen oder dielektrischen Keramikpartikeln gefulltsind. Die Schichten sind ebenfalls lichtundurchlassig, ihre Oberflache ist jedochrauher und erscheint stumpf.

• Schutzglasuren dienen zur Passivierung von Dickschichtstrukturen. Sie bestehenaus einem niedrig schmelzenden Glas und sind zu Kennzeichnungszwecken oderaus Grunden des Sichtschutzes eingefarbt. Die eingebrannten Schichten sind nichthomogen sondern besitzen eine feinporige Struktur. Einige dieser Pasten konnenallerdings auch bei hoheren Temperaturen eingebrannt werden. Hierdurch wird diePorenbildung reduziert und die Schichten weisen eine glatte und glanzende Ober-flache auf.Vereinzelt werden fur die Passivierung auch transparente Polymerpasten angebo-ten. Diese erscheinen nahezu vollstandig lichtdurchlassig und zeichnen sich durcheine glatte Oberflache aus. Gleiches gilt auch fur eine Reihe von Glasloten, die

1Bei Polymerpasten in eine Kunststoffmatrix


beispielsweise fur die Gehausung von Hybridschaltungen oder fur die Montage un-gehauster Halbleiterchips eingesetzt werden.

Aus dieser Ubersicht folgt, daß die meisten Dickschichtmaterialien ein mehr oder wenigerstark ausgepragtes Streuverhalten aufweisen. Die Transmission und Reflexion (optischer)Strahlung erfolgt nicht gerichtet, sondern es tritt diffuse oder teilgerichtete Transmissionbzw. Reflexion auf.Fur eine quantitative Beschreibung der optischen Eigenschaften ist deshalb vor allemdie Streuindikatrix, der Reflexionsgrad und der Transmissionsgrad der Materialien an-zugeben. Fur Substrate, Schutzabdeckungen und Glaslote ist daruber hinaus als weitereGroße der Brechungsindex von Interesse2.

2.2 Meßgroßen und Meßverfahren

Die Streuindikatrix beschreibt die winkelabhangige Verteilung der reflektierten bzw.transmittierten Strahlung fur eine definierte raumliche Verteilung der einfallenden Strah-lung. Im vorliegenden Fall wurde ein quasiparalleles Strahlenbundel verwendet. DieStreuindikatrix ist im allgemeinen abhangig von der Wellenlange der einfallenden Strah-lung. Aus ihr konnen zwei weitere Kennzahlen zur Beschreibung des Streuverhaltensabgeleitet werden. Das Streuvermogen σ einer streuend reflektierenden oder transmit-tierenden Flache ist das Verhaltnis der Leuchtdichten bei den Abstrahlwinkeln 20 und70 zur Leuchtdichte bei 5:

σ =L20 + L70

2L5

.

Der Halbwertswinkel γ ist der Abstrahlwinkel, bei dem die Leuchtdichte den halbenWert der Leuchtdichte L0 beim Abstrahlungswinkel 0 erreicht:

Lγ =1

2L0 .

DIN 5036 (Teil 1) empfiehlt bei stark streuenden Materialien die Angabe des Streu-vermogens σ und bei schwach streuenden Materialien die des Halbwertswinkels γ. BeideKennzahlen gelten jeweils nur fur senkrechten Lichteinfall.Die meßtechnische Erfassung der Streuindikatrix kann mit einem Goniophotometer er-folgen. Ein derartiges Meßgerat mit geeigneten Probenhalterungen wurde eigens hierzuentwickelt und fur die Untersuchung einer Reihe verschiedenster Dickschichtmaterialieneingesetzt [98].

Fur die Messung des spektralen Transmissionsgrades τ(λ) und des spektralen Reflexions-grades ρ(λ), also des Verhaltnisses der durchgelassenen spektralen Strahlungsleistung

2Bis auf die Streuindikatrix sind diese und alle weiteren Kenngroßen in DIN 5036 (Teil 1) definiert.


Φeλ,τ bzw. der reflektierten spektralen Strahlungsleistung Φeλ,ρ jeweils zur einfallendenspektralen Strahlungsleistung Φeλ, wurden aufgrund der teilweise sehr kleinen Meßsi-gnale zwei Meßanordnungen verwendet. Eine Absolutmessung erfolgte unter Verwen-dung einer Ulbrichtkugel gemaß DIN 5036 (Teil 3). Diese Messung wurde bei nur einerWellenlange λa = 670 nm mit einem Halbleiterlaser (Φe = 2mW) als Strahlungsquellevorgenommen. Sofern dabei ein Einfluß der Strahlungspolarisation beobachtet werdenkonnte, wurde die Messung fur die senkrechte und die parallele Polarisationsrichtungdurchgefuhrt. Der Reflexions- und Transmissionsgrad fur unpolarisierte Strahlung er-gibt sich dann aus dem Mittelwert der beiden Meßergebnisse. Fur die Erfassung derWellenlangenabhangigkeit des Reflexions- und Transmissionsgrades wurde eine verein-fachte Anordnung ohne Ulbrichtkugel eingesetzt. Als Strahlungsquelle diente eine Ha-logenlampe mit nachgeschaltetem Monochromator3. Mit dieser Anordnung sind jedochnur Relativmessungen moglich4. Eine vollstandige Angabe des spektralen Reflexions-und Transmissionsgrades erfolgt durch die Kombination der Absolut- und der Rela-tivmessung. Die Messung erfolgte bei beiden Anordnungen mit einem quasiparallelenStrahlenbundel mit einem Einfallswinkel von 0 fur Transmissionsmessungen und 8 furReflexionsmessungen (senkrechter bzw. nahezu senkrechter Strahlungseinfall).

Der (spektrale) Brechungsindex n eines dielektrischen Materials, der das Verhaltnis derAusbreitungsgeschwindigkeit monochromatischer Strahlung in Luft5 zur Ausbreitungs-geschwindigkeit im Material angibt, kann mit verschiedenen Verfahren bestimmt werden.Diese basieren entweder auf dem Snellschen Brechungsgesetz (Strahlablenkung an Pris-men, Grenzwinkel der Totalreflexion), auf den Fresnelschen Gleichungen (Ellipsometrie[77, 107], Brewsterwinkel [24]) oder es werden interferometrische Prinzipien angewandt[12, 68].Da die zu untersuchenden Proben nur als ebene Schichten hergestellt werden konnen undaufgrund der Volumenstreuung der Proben oder des erforderlichen Substrates, erfolgtein Anlehnung an [24, 102] die Bestimmung der Brechungsindizes uber die Messung desBrewsterwinkels.Fur die Reflexion an der Grenzflache zwischen Luft und dem zu untersuchenden Medium

3Die einfallende Strahlungsleistung ist sehr viel kleiner als bei der Absolutmessung; durch den verein-fachten Aufbau ist das Signal des Strahlungsempfangers jedoch leichter meßbar.

4Der Meßablauf entspricht dem der Absolutmessung (siehe DIN 5036, Teil 3).5Das Formelzeichen n ist eigentlich fur die Brechzahl reserviert. Diese ist definiert als das Verhaltnisder Geschwindigkeit c0 der elektromagnetischen Strahlung im Vakuum zur Phasengeschwindigkeit υder monochromatischen Strahlung im Material. Der Unterschied der Ausbreitungsgeschwindigkeitenin Luft und im Vakuum kann in der Praxis zumeist vernachlassigt werden. Das Formelzeichen n wirddeshalb fur die Brechzahl und den Brechungsindex synonym verwendet.


geben die Fresnelschen Gleichungen

ρ‖(n,α) =

(n2 cosα−

√n2 − sin2 α

n2 cosα+√n2 − sin2 α

)2

(2.1)

ρ⊥(n,α) =

(√n2 − sin2 α− cosα

n2 − 1

)2

(2.2)

den Reflexionsgrad ρ⊥ und ρ‖ fur senkrecht bzw. parallel zur Einfallsebene polarisierteStrahlung als Funktion des Einfallswinkels α (gemessen zur Flachennormale) und des ge-suchten Brechungsindexes n an. Beim Brewsterwinkel αB = arctann besitzt Gleichung(2.1) eine Nullstelle: ρ‖(n,αB) = 0.Fur die praktische Durchfuhrung der Messung mit dem zuvor erwahnten Goniopho-tometer ist die Divergenz des einfallenden Strahls, die endliche Blendenoffnung desEmpfangers und die nicht vollstandig zu vermeidende Streuung an der Probenober-flache zu berucksichtigen. Deshalb wurde, wie in Bild 2.1 gezeigt, die winkelabhangigeVerteilung des reflektierten Strahls fur verschiedene Winkel α des parallel polarisierteneinfallenden Strahls gemessen. Die Maxima ρM der einzelnen Verteilungen entsprechenbis auf einen Proportionalitatsfaktor K und einen Streuanteil ρStreu dem gesuchten Re-flexionsgrad ρ‖:

ρM(α) = ρStreu +Kρ‖(α)

AmMinimum der Funktion ρM(α) kann der Brewsterwinkel αB abgelesen und daraus derBrechungsindex n der Probe ermittelt werden. Eine großere Genauigkeit laßt sich jedochmit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erzielen. Hierzu werden die ParameterρStreu, K und n der Schatzfunktion ρM(α,ρStreu,K,n) so bestimmt, daß die quadratischeFehlersumme minimal wird:

∑αi

e2i =∑αi

[ρM(αi)− ρM(αi,ρStreu,K,n)

]2−→ min . (2.3)

Gleichung (2.3) stellt ein nichtlineares Kleinste-Quadrate-Problem dar, das mit verschie-denen numerischen Verfahren losbar ist [30, 36]. Hierbei hat es sich als sinnvoll erwiesen,fur die Minimierung nur Einfallswinkel in einem Bereich von ±6 um das Minimum derFunktion ρM(α) zu berucksichtigen.Die Meßgenauigkeit, die mit dem beschriebenen Meßverfahren erzielt werden konnte,betrug ca. ±5%. Dies ist fur die Charakterisierung der hier betrachteten Materialienausreichend.


o o

oo

10

20

30

40

50

60

70

80

90

103

102

101

100

e;

e

M ()

Bild 2.1: Fur die Bestimmung des Brewsterwinkels αB wird fur verschiedene Einfalls-winkel α die winkelabhangige Verteilung des reflektierten Strahls gemessen(durchgezogene Linien). Aus den Maxima dieser Kurven ergibt sich der Re-flexionsgrad ρM (gestrichelt). Am Minimum des Verlaufes ρM(α) kann derBrewsterwinkel abgelesen werden. (Hier am Beispiel einer polierten Al2O3-Dickschichtkeramik, αB = 60,7

. Aus Grunden der Ubersichtlichkeit ist nurein Teil der vermessenen Reflexionen dargestellt.)

2.3 Untersuchungsergebnisse

2.3.1 Substratmaterialien

Die untersuchten Substratmaterialien sind in Tabelle 2.1 aufgefuhrt. Neben den Sub-stratmaterialien fur die Dickschichttechnik wurde zu Vergleichszwecken auch das Stan-dardmaterial fur die Leiterplattentechnik, glasfaserverstarktes Epoxydharz (FR4), sowieein Al2O3-Dunnschichtsubstrat (Al2O3-Anteil 99,6%) in die Untersuchungen mit einbe-zogen.Die Streuindikatrix der Substrate ist in den Bildern 2.2 bis 2.6 fur die Einfallswinkel0 und 30 dargestellt. Fur senkrechten Strahlungseinfall weisen die Dickschichtsubstra-te eine nahezu perfekte Lambertsche Verteilung der transmittierten Strahlung auf. DasStreuvermogen σ liegt im Bereich zwischen 0,9 und 1. Das Al2O3-Dunnschichtsubstratund das FR4-Material zeigen im Vergleich dazu eine etwas starker ausgepragte Richtcha-rakteristik der transmittierten Strahlung. Das Streuvermogen und der Halbwertswinkeldes Dunnschichtsubstrates betragen σ = 0,74 und γ = 50. Fur das FR4-Material wur-den die Werte σ = 0,83 und γ = 47 ermittelt.Ein Grund fur den Unterschied in der Verteilung der transmittierten Strahlung zwi-


Substrat Hersteller Dicken (in mm) BemerkungenAl2O3-Dickschicht- Kyocera, Narumi, NTK, 0,25; 0,635; 0,8;

substrate Hoechst-CeramTec 1,06;1,3Al2O3-Dunnschicht- Hoechst-CeramTec 0,635 Rubalit 710

substratCofire-LTCC ESL 0,07 (pro Lage) D-41010-70CTransfer-LTCC ESL 0,07 (pro Lage) D-41010-25CAlN-Keramik (A) Hoechst-CeramTec 0,26; 0,63, 1,3 gelappt

0,63 poliert1,3 as-fired

AlN-Keramik (B) Kyocera 1,0; 1,54; 2,3 Oberflachen-bearbeitungunbekannt

FR4 verschiedene 0,1; 0,12; 0,52;0,97; 1,5

Tabelle 2.1: Ubersicht uber die untersuchten Substratmaterialien.

schen dem Al2O3-Dickschichtsubstrat und dem Al2O3-Dunnschichtsubstrat ist der unter-schiedliche Reinheitsgrad der Materialien. Die naturlich vorhandenen Verunreinigungenund die wahrend des Herstellungsprozesses zugesetzten Sinterhilfen lagern sich an derSubstratoberflache und im Volumen zwischen den Keramikpartikeln ab. Die einfallendeStrahlung wird an diesen Inhomogenitaten in unterschiedlichste Richtungen reflektiert.Je mehr Inhomogenitaten vorhanden sind, desto diffuser erscheint die transmittierte undreflektierte Strahlung. Deshalb ist bei Dunnschichtsubstraten mit einem Al2O3-Anteilvon 99,6% eine wenn auch nur sehr gering ausgepragte Richtwirkung erkennbar, die beiDickschichtsubstraten mit etwa 4% Verunreinigungen nicht beobachtet werden kann.Wahrend die Verteilung der transmittierten Strahlung hauptsachlich durch die Volu-menstruktur des Materials bestimmt wird, ist fur das Reflexionsverhalten auch die Ober-flachenbeschaffenheit von Bedeutung. Die Al2O3-Dickschichtkeramik, das Cofire-LTCC-Substrat und das FR4-Leiterplattenmaterial weisen keine ausgepragte Richtcharakteri-stik der reflektierten Strahlung auf. Fur das Dunnschichtsubstrat mit seiner geringerenOberflachenrauhigkeit und fur das Transfer-LTCC-Substrat ist bei einem Einfallswinkelvon 30 deutlich ein gerichteter Reflexionsanteil mit einem uberlagerten diffusen Anteilerkennbar. Weitere Messungen bei großeren Einfallswinkeln zeigten, daß der gerichteteAnteil im Vergleich zum diffusen Anteil mit zunehmendem Einfallswinkel immer großerwird.Der Einfluß der Oberflachenbeschaffenheit auf das Reflexionsverhalten wird bei den AlN-Substraten, die mit polierter, gelappter und unbearbeiteter (

”as-fired“) Oberflache zur

Verfugung standen, besonders deutlich. Die polierten Substrate besitzen bei einem Ein-fallswinkel von 30 eine stark ausgepragte gerichtete Reflexion. Ein Streuanteil ist nicht


erkennbar. Auch bei einem Einfallswinkel von 0 ist ein gerichteter Anteil zumindest an-satzweise erkennbar6. Ganz ahnlich tritt bei Substraten mit unbehandelter Oberflachebei 0-Einfallswinkel ebenfalls ein gerichteter Anteil auf. Bei einem Einfallswinkel von30 ist der gerichtete Anteil jedoch sehr viel weniger stark ausgepragt als bei den polier-ten Substraten und es ist eine zusatzliche diffuse Reflexion erkennbar. Ein vollstandiganderes Verhalten ist bei AlN-Substraten mit gelappter Oberflache zu beobachten. Ver-gleichbar zu Al2O3-Dickschichtsubstraten ist hier weder bei 0

-Einfallswinkel noch bei30 ein gerichteter Reflexionsanteil feststellbar.Erklaren laßt sich dieses Verhalten anhand der sichtbaren Oberflachenstruktur. Dieuntersuchten unbehandelten AlN-Substrate weisen auf der Oberflache verteilt kleinekraterformige Erhebungen auf. Es existieren jedoch große Bereiche ohne solche ma-kroskopische Storungen. Diese erscheinen matt glanzend und erklaren das beobachte-te Reflexionsverhalten somit plausibel. Fur das Aufbringen von Dickschichtstrukturensind die kraterformigen Erhebungen jedoch nicht akzeptabel und mussen deshalb durchLappen (Reibschleifen) oder Polieren beseitigt werden. Gelappte Substrate besitzen einefur die Dickschichttechnik hinreichend glatte Oberflache. Die Oberflachenrauhigkeit istvergleichbar mit der von Al2O3-Dickschichtkeramiken und bestimmt das Reflexionsver-halten. Polierte Substrate, die sich durch eine sehr geringe Oberflachenrauhigkeit aus-zeichnen, erscheinen schon bei bloßer Betrachtung als

”spiegelglatt“. Dementsprechend

zeigt die Streuindikatrix ein gerichtetes Reflexionsverhalten ohne erkennbaren Streuan-teil.Der Bearbeitungszustand der AlN-Substrate des zweiten Herstellers (B) konnte nicht inErfahrung gebracht werden. Die sichtbare Struktur ohne jegliche makroskopische Erhe-bungen deutete auf eine gelappte Oberflache hin. Die Streuindikatrix weist jedoch deut-lich einen gerichteten Reflexionsanteil uberlagert mit einem diffusen Anteil auf. DieseUbereinstimmung des Reflexionsverhaltens mit dem der

”as-fired“-Substrate des ersten

Herstellers legt die Vermutung nahe, daß die Oberflache dieser Substrate unbehandeltist7.

Aus den gemessenen Strahlungsverteilungen ist auch ersichtlich, daß bei fast allen Sub-stratmaterialien der reflektierte Strahlungsanteil stets großer ist als der durchgelasseneAnteil. Die einzigen Ausnahmen stellen das FR4-Material und das gelappte AlN-Substrat(Hoechst-CeramTec) dar.Fur eine quantitative Beschreibung des Reflexions- und Transmissionsverhaltens ist dieMessung des Transmissionsgrades τ und des Reflexionsgrades ρ als Funktion der Ma-terialstarke und der Wellenlange erforderlich. Die Meßergebnisse sind in Bild 2.7 undBild 2.8 dargestellt.Es ist festzuhalten, daß die Wellenlangenabhangigkeit des Transmissions- und Reflexi-

6Aufgrund des mechanischen Aufbaus des Goniophotometers konnten Einfallswinkel im Bereich von±15 um den einfallenden Strahl nicht eingestellt werden.

7Moglicherweise ist der Prozeß des Herstellers so gestaltet, daß die Substrate ohne Nachbehandlungverwendbar sind. Vielleicht besteht auch ein Zusammenhang mit der rosa Farbe der Substrate.


0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++++

++++++++++++++++++++++++++++++

+++

++++++++

++

++

++++++

++

++ + + + + +

+

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++

++

+++

++++++

++

+

+

+

++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++++++

++++++++++++++++++++++++++++++

++++++++

++

++++++++

++

+ + + + + + + ++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++++

++

+

++++

++++++++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

a b

c d

Bild 2.2: Streuindikatrix fur Al2O3-Substrate bei λ = 660 nm fur Einfallswinkel 0 und30:(a,b) Dickschichtsubstrate (96% Al2O3), d = 0,25mm;(c,d) Dunnschichtsubstrate (99,6% Al2O3), d = 0,635mm.


0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++++++

+++++++++++++++++++++++++++++++

++

++++++++

++

++++++++

++

+ + + + + + ++

++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++

++

++

++

+++++

++

++

+++++++

++ + + + + + +

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++

+++++++++

++

+++++++

++

+ + + + + + + + +

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++++++

+

+

+

++

+++++++++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

a b

c d

Bild 2.3: Streuindikatrix fur LTCC-Materialien bei λ = 660 nm fur Einfallswinkel 0

und 30:(a,b) Cofire-LTCC, vierlagig;(c,d) Einlagiges Transfer-LTCC auf Al2O3-Dickschichtsubstrat mit d =0,635mm.


0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++

++

+++++++++

++

++++++

++

+ + + + + + ++

+++++

++++++++++++

+++++++++

++ + + + + + + + + +

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++++++++++++

+

+++++++++++++++++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++

++

+++++++++

++

++++++

++

+ + + + + + ++

+++++

++

+++++++++

++

+++++++

++

++ + + + + +

++

+

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

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210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++++

++

++

+++++++++++++++

++

++

+

++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

a b

c d

Bild 2.4: Streuindikatrix fur AlN-Substrate (Hersteller A, d = 0,63mm) mit polierterOberflache (a,b) und gelappter Oberflache (c,d) bei λ = 660 nm fur Einfalls-winkel 0 und 30.


0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++++++++

++++++++++++++++++++++++++++

+++++++++++++

++++++++

++ + + + + + + + + +

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++++++

+

++

+

++

+++++++++++++++++++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++++

+++++++++++++++++++++++++++++++++

++++++++++++++++++++++++++ + + + + + +

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++++++

+

+

+

+

++

+++++++++++++++++++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

a b

c d

Bild 2.5: Streuindikatrix fur AlN-Substrate bei λ = 660 nm fur Einfallswinkel 0 und30:(a,b) Hersteller A, Oberflache

”as-fired“, d = 1,6mm;

(c,d) Hersteller B, Oberflachenbearbeitung unbekannt, d = 1mm.


0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

+++

++

+++++++++++

++++

++

+ + + + + + + ++++++++

+++++

++++++++++++++++++++++++

+++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

0

30

60120

150

180

210

240

270300

330

Irel

#

Probe

++

++

+++++++

+++++

++ + + + + + + + ++++++

++++++

++++

++++

++++++++++++++++++++++++

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

einfallenderStrahl

a b

Bild 2.6: Streuindikatrix fur FR4-Material (d = 1,5mm) bei λ = 660 nm fur Einfalls-winkel 0 (a) und 30 (b).


Al 2O3

0:1

0:3

0:7

rs

rsrsrs rs

rs

rs

bc

Dunnschichtsubstrat

Dickschichtsubstrate

LTCC

0:1

0:3

0:7

rs

rs

rs

rs

AlN(A)

0:1

0:3

0:7

AbsoluterTransmissionsgrad

(=670nm)

poliert

as-redgelappt

◊rs

rs

rsbc

AlN(B)

0:1

0:3

0:7

rs

rs

rs

FR4

0 0:5 1 1:5 2

0:1

0:3

0:7

d=mm

rsrs rsrsrs rs

0:9

1

1:1

1:2

bc

bcbc bc

bc bc bcbc

bcbc

bc

bc

bcbc

bc

bc

0:6

0:8

1

1:2

bc

bc

bc

bc

bcbc

bc bc

bc bcbc

bcbc bc

bc

bc

0:8

0:9

1

1:1

1:2

RelativerTransmissionsgrad

()

(=670nm)

gelappt

poliert

bc

bcbc bc

bc bc bc bcbc bc bc

bcbc

bc bc

rsrs

rs

rs

rs rsrs rs

rs rsrs

rsrs

rs rs

bc

0:8

1

1:2

1:4

1:6

rsrs rs

rs

rs

rs

rs

rs rs rs

rs

rs

rs

rs rsrs rs

rs

rs

rs

rs

rs

rsrsrsrs

rs

rs

rs

rs

400 500 600 700 800 900 10000:9

1

1:1

=nm

bc

bc

bc bcbc

bc

bc

bcbc

bc bc

bcbc bc

bc

bc

bc bcbc

bc

bc

bc

bcbc bc

bc

bcbc bc

bc

a b

c d

e f

g

h

i j

Bild 2.7: Transmissionsgrad τ in Abhangigkeit von der Wellenlange (links, normier-te Darstellung) und der Materialstarke d (rechts, mit logarithmischer Or-dinatenskalierung)) fur Al2O3-Substrate (a,b), Cofire-LTCC-Substrate (c,d),AlN-Substrate des Herstellers A (e,f) und des Herstellers B (g,h) sowie FR4-Material (i,j).


0:96

0:98

1

1:02

1:04

rs

rs

rsrs

rsrs

rs rsrs

rs

rs

rsrs rs

rs

rs

0:7

0:8

0:9

1

rs

rs

rs

rsrs rs rs rs rs

rsrs

rs rs rsrs rs

0:9

0:95

1

1:05

RelativerRe exionsgrad

()

(=670nm)

rsrs

rs

rs

rs

rsrs

rsrs

rsrs

rsrs

rsrsrs

0:7

0:8

0:9

1

1:1

rs

rs rs rs

rs

rs

rs

rs

rsrs

rs

rs

rs

rs

rs rs rs

rs

rs

rs

rs

rs

rsrsrsrs

rs

rs

rs

rs

400 500 600 700 800 900 1000

0:9

1

1:1

=nm

rs

rs

rsrs

rs

rs

rs

rs rs

rs

rs

rs rsrs

rsrs

Al 2O3

0:65

0:7

0:75

0:8

Dunnschichtsubstrat

Dickschichtsubstrate

rs

rsrsrs

rsrs

rs

bc

LTCC

0:55

0:6

0:65

0:7

rs

rs

rs

rs

AlN(A)

0:3

0:35

0:4

AbsoluterRe exionsgrad

(=670nm)

as-red

poliert

gelappt

bc

bc

rs

rs

rs

AlN(B)

0:225

0:25

0:275

rs

rsrs

FR4

0 0:5 1 1:5 2 2:50:2

0:3

0:4

d=mm

= 0;31

rsrs rsrs

rs

a b

c d

e f

g h

i

j

Bild 2.8: Reflexionsgrad ρ als Funktion der Wellenlange (links, normierte Darstellung)und der Materialstarke d (rechts) fur Al2O3-Substrate (a,b), Cofire-LTCC-Substrate (c,d), AlN-Substrate des Herstellers A (e,f), AlN-Substrate desHerstellers B (g,h) und FR4-Material (i,j).


onsgrades in guter Ubereinstimmung mit dem wahrnehmbaren Farbeindruck der Sub-stratmaterialien steht. Weiße Al2O3-Substrate zeigen im gesamten vermessenen Wel-lenlangenbereich eine nahezu konstante Transmission und Reflexion. Das Absinken desTransmissions- und Reflexionsgrades bei kurzeren Wellenlangen (im

”blauen“ Spektral-

bereich) erklart die beige Farbe des LTCC-Materials und die grauliche Farbe der AlN-Substrate des Herstellers A8. Die rosa Farbe der AlN-Substrate Herstellers B manifestiertsich in einer starken Schwankung der Kennwerte ρ und τ im gesamten Wellenlangenbe-reich und die blaß-grune Farbe des FR4-Materials wird durch das Maximum des Refle-xionsfaktors bei λ ≈ 540 nm hervorgerufen.Der Zusammenhang zwischen dem Transmissionsgrad τ und der Materialstarke d kanndurch die Beziehung

τ ∼ e−Sd (2.4)

beschrieben werden. Diese Gleichung entspricht formal dem Lambertschen Absorptions-gesetz

τ ∼ e−εd (2.5)

fur homogene Materialien. Im Gegensatz zu diesen kann jedoch bei den untersuchtenMaterialien die Abschwachung der durchgehenden Strahlung sowohl durch Absorptionals auch durch Streuung an den Inhomogenitaten im Volumen hervorgerufen werden [90].An die Stelle des Absorptionskoeffizienten ε in Gleichung (2.5) tritt deshalb ein verall-gemeinerter Dampfungsfaktor S, der Streuverluste und Absorptionsverluste beinhaltet.In Tabelle 2.2 ist der aus den Messungen ermittelte Dampfungsfaktor S der Substrat-materialien, die in mehreren Starken verfugbar waren, aufgefuhrt.

Material S in mm−1

Al2O3-Dickschichtsubstrate 0,791Cofire-LTCC 3,105AlN (A), gelappte Oberflache 1,415AlN (B) 0,888FR4 0,111

Tabelle 2.2: Dampfungskoeffizient S verschiedener Substratmaterialien.

Die untersuchten Al2O3-Dunnschichtsubstrate mit ihrem großeren Reinheitsgrad und ih-rer geringeren Oberflachenrauhigkeit weisen im Vergleich zu Al2O3-Dickschichtsubstratenbei gleicher Starke mit τ = 0,3 einen hoheren Transmissionsgrad und mit ρ = 0,66 einengeringeren Reflexionsgrad auf. Bezuglich der Wellenlangenabhangigkeit der Parameterkonnten keine Unterschiede festgestellt werden.

8Qualitativ ahnliche Verlaufe des Reflexionsgrades wurden in [45] veroffentlicht. Die dort beschriebeneVerfarbung der Substrate bei UV-Bestrahlung trat bei den hier untersuchten Substraten nicht auf.


Ein Vergleich der Kennwerte von Al2O3-Dickschichtsubstraten unterschiedlicher Herstel-ler zeigt, daß diese bei gleicher Materialstarke nahezu identisch sind (τ = 0,19 . . . 0,2,ρ = 0,76 . . . 0,77 fur d = 0,635mm). Im Gegensatz dazu konnen bei den AlN-Substratender zwei verschiedenen Hersteller deutliche Unterschiede im Reflexions- und Transmis-sionsverhalten festgestellt werden.Der Bearbeitungszustand der Oberflache wirkt sich besonders stark auf den Reflexi-onsgrad aus (Bild 2.8f). Im Vergleich zu Substraten mit gelappter Oberflache ist derReflexionsgrad bei polierten Substraten großer und bei unbearbeiteten (as-fired) Sub-stratoberflachen kleiner.Besonders bemerkenswert ist die Tatsache, daß der Reflexionsgrad bei den Al2O3- undLTCC-Substraten mit zunehmender Materialstarke anwachst wahrend er bei den AlN-Substraten abnimmt. Die Erklarung dieses Verhaltens kann anhand von Bild 2.9 erfolgen.Fur ein Substrat der Dicke d aus einem homogenen Material mit einem Dampfungskoef-fizienten ε setzt sich die gesamte reflektierte Strahlung aus den Einzelreflexionen an denbeiden Grenzflachen zusammen (Bild 2.9a). Die an der zweiten Grenzflache reflektierteStrahlung durchlauft das absorbierende Medium. Auch ohne mathematische Herleitungist klar, daß dieser Anteil entsprechend dem Lambertschen Gesetz mit zunehmenderMaterialstarke immer starker abgeschwacht wird und einen immer kleineren Beitrag zurgesamten reflektierten Strahlung liefert. Der Reflexionsgrad ρ nimmt deshalb mit zuneh-mender Dicke d ab.Im zweiten Fall wird ein Substratmaterial betrachtet, welches in seinem Volumen sehrviele Inhomogenitaten aufweist (Bild 2.9b). Jede dieser Inhomogenitaten wirkt als Streu-zentrum und reflektiert einen Teil der einfallenden Strahlung. Die gesamte reflektierteStrahlung setzt sich aus den Reflexionen an den Grenzflachen und aus dem an denStreuzentren reflektierten Anteil zusammen. Mit zunehmender Materialstarke nimmtauch hier der Beitrag der an der zweiten Grenzflache reflektierten Strahlung zur gesam-ten reflektierten Strahlung ab. Gleichzeitig jedoch wachst mit zunehmender Dicke auchdie Anzahl der Streuzentren an. Berucksichtigt man, daß weiter von der Oberflache ent-fernte Streuzentren einen geringeren Beitrag zur Reflexion liefern als Streuzentren naheder Oberflache, so wird der gestreute Reflexionsanteil zunachst mit der Materialstarkeanwachsen und sich dann einem konstanten Endwert annahern.Diese beiden Falle zeigen, daß der Zusammenhang zwischen der Materialstarke unddem Reflexionsgrad Ruckschlusse auf die Struktur des Materials erlaubt. Demnach wirddas Reflexionsverhalten von Al2O3- und LTCC-Substraten vor allem durch Streuung imSubstratvolumen bestimmt. Bei AlN-Substraten hingegen dominiert die Reflexion anden Oberflachen und die Streuung im Substratinneren spielt eine untergeordnete Rolle.Gestutzt wird diese Hypothese durch ein Experiment, bei dem die Reflexion an derzweiten Grenzflache ganz oder teilweise eliminiert wird. Hierzu dient die Anordnungnach Bild 2.9c. Durch die transparente Kleberschicht mit einem Brechungsindex n ≈ 1,5wird die Reflexion an der zweiten Grenzflache deutlich reduziert. Die Absorberschichtauf der anschließenden Glasplatte sorgt dafur, daß die transmittierte Strahlung nicht indas Substratmaterial zuruckreflektiert werden kann. Der Reflexionsgrad von AlN- und


Al2O3-Substraten in dieser Anordnung ist in Bild 2.10 im Vergleich zu den ursprunglichenMessungen (mit Ubergang Substrat-Luft an der zweiten Grenzflache) dargestellt. Bei denAlN-Substraten steigt nun der Reflexionsgrad mit zunehmender Materialstarke an. Diesbedeutet, daß durch die Verminderung der Reflexion an der zweiten Grenzflache jetzt dieStreuung im Substratinneren das Reflexionsverhalten bestimmt. Bei Al2O3-Substratenbewirkt die Verminderung der Reflexion an der zweiten Grenzflache eine Abnahme desReflexionsgrades, die erwartungsgemaß bei dunnen Substraten starker ausfallt als beidicken Substraten. Die Zunahme des Reflexionsgrades mit der Materialstarke bleibt je-doch erhalten. Diese Ergebnisse bestatigen die formulierte Hypothese.

Die Ermittlung des Brechungsindexes, der beispielsweise fur die Abschatzung der Re-flexionsverluste an den Substratoberflachen von Bedeutung ist, kann aufgrund des be-schriebenen Streuverhaltens nur an den Al2O3-Dunnschichtsubstraten und an poliertenDickschichtsubstraten durchgefuhrt werden.Fur die Dunnschichtsubstrate liefert die Messung bei λ = 660 nm einenWert von n ≈ 1,4.Dieses Ergebnis ist uberraschend, da in der Literatur [54] der Brechungsindex fur kri-stallines Aluminiumoxid je nach Kristallstruktur (Korund, Spinell) zwischen 1,65 und1,78 angegeben wird. Der Grund fur die beobachtete Abweichung findet sich in der Zu-sammensetzung der Keramik. Nach Angaben des Herstellers wird in der Fertigung alsSinterhilfe praktisch nur Siliziumdioxid zugesetzt. Fur Dickschichtkeramiken ist bekannt,daß sich die Sinterhilfen nach dem Brennprozeß bevorzugt an der Substratoberflache an-reichern. Es darf vermutet werden, daß sich dies bei Dunnschichtkeramiken genau soverhalt. Somit kann sich an der Substratoberflache eine dunne SiO2-Schicht befinden.Der Brechungsindex von SiO2 betragt n ≈ 1,43 [77] und stimmt auffallig genau mit deman der Dunnschichtkeramik gemessenen Wert uberein.Wird die Oberflache der Dunnschichtkeramik poliert und die vermutete SiO2-Schicht da-mit abgetragen, dann liefert die Messung einen Wert von n = 1,77. Dieser Wert stimmtmit dem Brechungsindex von α-Korund (n = 1,76 . . . 1,77) uberein.

a b c

Bild 2.9: Zur Erklarung des Reflexionsverhaltens von Substratmaterialien (Erlauterun-gen siehe Text).


0:2

0:3

0:4

bc

ut

rs

rs

rs

bc

utrs

rs

rs

utpoliertrs gelapptbc as-red

ohne Absorber

mit Absorber

0:2

0:225

0:25

(=670nm)

rs

rs

rs

rs

rsrs

mit Absorber

ohne Absorber

0 0:5 1 1:5 2 2:5

0:6

0:7

0:8

d=mm

rs

rs rsrs

rs

rs

rs rsrs

rsohne Absorber

mit Absorber

a

b

c

Bild 2.10: Einfluß der Reflexion an den Substratoberflachen auf den Reflexionsgrad furAlN-Substrate (a,b) und Al2O3-Substrate (c). Durch einen auf die Strahl-austrittsseite aufgekitteten Absorber wird die Reflexion an dieser Grenz-flache vermindert.


Auch bei Al2O3-Dickschichtkeramiken, bei denen nur Substrate mit polierter Oberflacheuntersucht werden konnen, liefert die Messung mit n = 1,78 einen nahezu identischenWert. Es ist anzunehmen, daß nicht polierte Substrate durch die Ablagerung der Sinter-zusatze an der Oberflache einen anderenWert fur den Brechungsindex ergeben. Aufgrunddes Streuverhaltens der Substrate besteht jedoch keine Moglichkeit, dies zu verifizieren.Neben den Al2O3-Materialien wurde auch der Brechungsindex von AlN-Keramiken unddes LTCC-Transfertape-Materials ermittelt. Bei dem LTCC-Material wurde bei einerWellenlange λ = 670 nm ein Brechungsindex von n = 1,66 gemessen.Fur AlN-Substrate mit polierter Oberflache (A) liefert die Messung bei λ = 670 nm einenWert von n = 1,94. In der Literatur findet sich fur AlN ein Wert von n = 2,13 . . . 2,2[54]. Unter Berucksichtigung der chemischen Zusammensetzung der Substrate (Phasenvon Yttrium-Aluminiumoxiden an der Oberflache [75]) erscheint der gemessene Wertjedoch durchaus plausibel.

2.3.2 Dickschicht-Leitbahnschichten und Widerstande

Metallische Oberflachen werden in der Optik uberwiegend fur die Herstellung von Spie-geln verwendet. Fur die Anwendung von Dickschicht-Leitschichten stellt sich deshalbvor allem die Frage nach deren Streuverhalten und deren Reflexionsgrad. Gleiches giltfur Dickschicht-Widerstande, die moglicherweise als optische Absorber einsetzbar sind.Anhand der in Bild 2.11 dargestellten Streuindikatrix verschiedener Dickschicht-Leit-schichten wird deutlich, daß bei allen untersuchten Materialien eine vergleichsweise breiteVerteilung der reflektierten Strahlung auftritt. Der in Tabelle 2.3 aufgefuhrte Reflexi-onsgrad der Materialien liegt in der Großenordnung des Reflexionsgrades der zugrun-deliegenden reinen Metalle. Aufgrund der breiten Strahlungsverteilung erscheint jedocheine sinnvolle Anwendung von Dickschicht-Leitschichten als Reflektor im Sinne der geo-metrischen Optik ausgeschlossen.Die Streuindikatrix von Dickschicht-Widerstandsschichten in Bild 2.12 zeigt bei den nie-derohmigen Widerstandspasten 8011 und 8021 eine ahnlich breite Verteilung der reflek-tierten Strahlung wie die der Dickschicht-Leitschichten. Die hochohmigeren Widerstand-spasten 8031 und 8059 weisen hingegen eine sehr viel schmalere Abstrahlcharakteristikauf. Der Reflexionsgrad aller untersuchten Widerstandspasten (Tabelle 2.3) ist kleinerals 7%. Aufgrund dieser Tatsache erscheint die Anwendung der hochohmigen Wider-standspasten mit ihrer gerichteten Abstrahlcharakteristik als Reflektor wenig sinnvoll.Fur den Einsatz als optischer Absorber, der ein moglichst richtungsunabhangiges Ver-halten aufweisen sollte, sind die niederohmigen Widerstandspasten 8011 und 8021 zubevorzugen.


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a b

c

Bild 2.11: Streuindikatrix fur Dickschicht-Leitbahnmaterialien bei λ = 660 nm fur denEinfallswinkel 30:(a) Silberpaste DuPont 6160;(b) Silber-Palladium-Paste DuPont 7474;(c) Gold-Paste DuPont 5715.


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einfallenderStrahl

a b

c d

Bild 2.12: Streuindikatrix fur Dickschicht-Widerstandsmaterialien mit unterschiedli-chen Flachenwiderstanden RF bei λ = 660 nm fur den Einfallswinkel 30:(a) Paste DuPont 8011, RF = 10Ω/;(b) Paste DuPont 8021,, RF = 100Ω/;(c) Paste DuPont 8031, RF = 1 kΩ/;(d) Paste DuPont 8059, RF = 1MΩ/.


Dickschicht-LeitbahnschichtenPaste Basismetall ρ ρ fur reines BasismetallDuPont 5715 Au 0,805 0,935DuPont 7160 Ag 0,906 0,970DuPont 7474 AgPd 0,330 –DuPont QP153 Cu 0,838 0,924

Dickschicht-WiderstandsschichtenPaste Flachenwiderstand ρDuPont 8011 10Ω/ 0,062DuPont 8021 100Ω/ 0,059DuPont 8031 1 kΩ/ 0,063DuPont 8059 1MΩ/ 0,069

Tabelle 2.3: Reflexionsgrad ρ von Dickschicht-Leit- und Widerstandsschichten beiλ = 670 nm und senkrechtem Strahlungseinfall. Zum Vergleich ist fur dieLeitschichten der Reflexionsgrad der reinen Metalle angegeben (berechnetmit den Angaben aus [77] bei λ = 632,8 nm).

2.3.3 Schutzglasuren und Glaslote

Die zur Passivierung von Dickschicht-Hybridschaltungen eingesetzten Schutzglasurenwerden in der Regel bei niedrigeren Temperaturen eingebrannt als Dickschichtleitbah-nen und Dickschichtwiderstande. Sie bilden dann poros aussehende Schichten mit einermatten Oberflache. Es ist jedoch auch moglich, diese Schichten bei hoheren Tempe-raturen einzubrennen. Dies fuhrt zu einer geringeren Porositat und zu einer sehr vielglatteren und glanzend erscheinenden Oberflache. Wie in Bild 2.13 dargestellt zeigt dieStreuindikatrix einer bei ϑmax = 850 C eingebrannten Schutzglasur eine dementspre-chend scharfer ausgepragte Reflexion als die Streuindikatrix der gleichen Glasur beieiner Einbrenntemperatur von 500 C.Schichten mit vergleichbarem Reflexionsverhalten lassen sich auch mit Glasloten und mittransparenten Polymer-Abdeckpasten, wie sie z.B. fur Elekrolumineszenz-Leuchtzellenangeboten werden (siehe Kapitel 4.2), herstellen. Glaslote sind im Gegensatz zu Schutz-glasuren normalerweise nicht eingefarbt. Das hier untersuchte Glaslot FX 10-079 (Her-steller Ferro) wird bei Temperaturen unterhalb von 650 C eingebrannt, so daß als Tragerfur die Schichten auch ein Glassubstrat verwendet werden kann. Das Gleiche gilt fur dietransparente Abdeckpaste 5036 (Hersteller DuPont), die bei ϑ = 130 C ausgehartetwird. Der Transmissionsgrad der dunnen Glaslotschicht (d = 10µm . . . 12µm) und derPolymerschicht ist im Vergleich zu dem Glassubstrat so groß, daß er mit dem verwen-deten Meßverfahren nicht mehr erfaßt werden kann.Der Brechungsindex von Schutzglasuren, Glaslotschichten und Polymer-Abdeckungen,der beispielsweise fur die Realisierung von Wellenleiterstrukturen von Bedeutung ist,


0

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60120

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einfallenderStrahl

a b

Bild 2.13: Streuindikatrix der Overglaze-Paste 9137 (DuPont) bei einer Spitzen-Einbrenntemperatur von 500 C (a) und 850 C (b). (Wellenlange λ =660 nm, Einfallswinkel 30).

wurde bei den drei erwahnten Materialien bestimmt. Fur das mit ϑmax = 850C einge-

brannte Schutzglas 9137 (Hersteller DuPont) liefert das auf der Messung des Brewster-winkels basierende Meßverfahren einen Brechungsindex n = 1,74 . . . 1,81 (λ = 660 nm).Die hohe Transparenz des Glaslotes und der Polymer-Abdeckung sowie die Tatsache, daßals Trager fur die Schichten ein Glassubstrat verwendet werden kann, ermoglichte beidiesen Materialien die Messung des Brechungsindexes mit

”konventionellen“ Refraktome-

tern. Mit einem Phasenkontrastmikroskop wurde bei einer Meßwellenlange λ = 589 nmfur den Brechungsindex des Glaslotes FX 10-079 der Wert n = 1,87 ± 0,01 gemessen9.Bei der gleichen Meßwellenlange liefert die Messung des Brechungsindexes der Polymer-Abdeckpaste 5036 mit einem Abbe-Refraktometer den Wert n = 1,516.Weitere aus der Literatur [102] bekannte Meßwerte fur den Brechungsindex verschiedenerDickschichtglaser sind in Tabelle 2.4 angegeben.

Hersteller EMCA DuPont TFS HeraeusTyp Glass 92 2079-3 2130-1 8185 1001TCU IP041 9105HTn 1,82 1,82 1,55 1,79 1,63 1,69 1,61

Tabelle 2.4: Brechungsindex n verschiedener Dickschichtglaser bei λ = 633 nm [102].

9Eine Materialanalyse (EDX bzw. WDX) des Glaslotes FX 10-079 zeigte, daß es sich dabei um einGlas mit einem extrem hohen Bleianteil handelt (Bleiglas). Dies erklart den hohen Brechungsindex.

28

3 Glas als Substratmaterial furDickschicht-Hybridschaltungen

3.1 Voruberlegungen

In Kapitel 2 wurden die optischen Eigenschaften der Standard-Substratmaterialien derDickschichttechnik diskutiert. Fur viele Anwendungen, bei denen das Substrat nebenmechanischen und elektrischen Funktionen auch eine optische Funktion (z.B. Transpa-renz) erfullen muß, also etwa im Bereich der Sensorik oder der Displaytechnik, ist derrelativ geringe Transmissionsgrad und das ausgepragte Streuverhalten dieser Materialieninakzeptabel. Es stellt sich deshalb die Frage, ob der unbestrittene Standardwerkstoff furoptische Anwendungen, namlich Glas, nicht auch als Substratmaterial fur Dickschicht-schaltungen verwendet werden kann. Unter der Randbedingung, daß fur die Herstellungsolcher Schaltungen nur auf dem Markt verfugbare Dickschichtpasten eingesetzt werdensollen (d.h. keine Entwicklung spezieller Pasten), orientiert sich die Auswahl eines furdiesen Zweck geeigneten Glases an den folgenden Anforderungen:

• Bestandigkeit gegenuber den im Dickschichtprozeß auftretenden Temperaturen,

• thermischer Ausdehnungskoeffizient angepaßt an die eingesetzten Dickschichtpa-sten

• hoher elektrischer Widerstand,• geringer Preis,• gute Verfugbarkeit.

Aus der Vielzahl existierender Glaser erfullt der Glastyp”Corning 7059“ (Fa. Corning)

die genannten Anforderungen am besten. Dieses Glas zeichnet sich durch eine hohe Tem-peraturbestandigkeit und einen vergleichsweise geringen Preis aus. Aufgrund des gerin-gen Gehaltes an Alkalimetallen (Na, K) und der daraus resultierenden guten elektrischenIsolationseigenschaften wird es haufig in elektronischen Anwendungen eingesetzt (siehe


z.B. [14, 15, 37]). Die wichtigsten technischen Daten dieses Glases sind in Tabelle 3.1aufgefuhrt.

Fur die Herstellung von Dickschichtstrukturen auf diesem Glas kommen nur solchePasten in Betracht, bei denen die maximale Einbrenntemperatur unterhalb der Glas-Transformationstemperatur ϑg = 639 C liegt. Standard-Dickschichtpasten fur Al2O3-Substrate, die bei einer Spitzentemperatur von ϑmax = 850

C eingebrannt werden, schei-den deshalb aus. In Frage kommen Pasten, die fur emaillierte Stahlsubstrate (PorcelainEnamelled Steel, PES) geeignet sind (ϑmax = 625

C), Polymerpasten (ϑmax ≤ 400 C),spezielle Pasten fur Glassubstrate (z.B. fur Kfz-Heckscheibenheizung oder Displays) so-wie einige

”universelle“ Pasten, die in einem sehr großen Temperaturbereich eingebrannt

werden konnen. Bei den Pasten fur PES-Substrate ist anzumerken, daß diese fur die ther-mische Langenausdehnung von 9 ppm/K der Substrate ausgelegt sind. Da das Glas mit4,6 ppm/K einen sehr viel kleineren Ausdehnungskoeffizient besitzt, sind Probleme beider Anwendung dieser Pasten auf Glassubstraten zu erwarten.Im einzelnen wurden die in Tabelle 3.2 aufgefuhrten Pasten bzw. Pastensysteme hin-sichtlich ihrer Eignung zur Realisierung von Dickschichtstrukturen auf dem ausgewahl-ten Glas untersucht. Die Untersuchungsergebnisse werden in den nachsten Abschnittenvorgestellt.

Corning- Al2O3-DS-glas 7059 keramik Einheit Bemerkungen

max. Betriebstemperatur 565 1600 Cthermische Ausdehnung 4,6 7,1 ×10−6K−1 (0 . . . 300) Cthermische Leitfahigkeit 1,1 20 . . . 30 W/mKWarmekapazitat 832 796 J/ kgK 25 Cspez. elektrischer Widerstand > 1013 > 1014 Ωcm 20 CDielektrizitatszahl 5,84 9,4 . . . 9,9 20 C, 1MHzVerlustfaktor 1 5,9 ×10−3 20 C, 1MHzElastizitatsmodul 67 303 . . . 314 GPaPoisson-Zahl 0,28 0,21Erweichungstemperatur 844 - CTransformationstemperatur 639 - CBrechungsindex nD 1,5333 - λ = 589,3 nm

Tabelle 3.1: Technische Daten zum Corning-Glas 7059 [16]. Zu Vergleichszwecken sindz.T. die entsprechenden Werte fur Al2O3-Dickschichtkeramiken angegeben[53, 59].


LeitpastenHersteller Typ Beschreibung/Anwendungsgebiet ϑmax/

C9912A Ag-Leitpaste fur verschiedenste Anwendungen 625 . . . 9309910A Ag-Leitpaste z.B. fur Kfz-Heckscheibenheizung 580 . . . 700

ESL 9695 AgPd-Leitpaste fur PES und Mehrlagenschal-tungen

625 . . . 930

5835 AuPt-Paste fur Glas und Al2O3 550 . . . 10005837 AuPt-Paste fur Glas und Al2O3 625 . . . 10001109-S Ag-Polymerpaste (Phenolbasis) 150 . . . 220

Widerstandspasten3100 Pastensystem fur PES 600 . . . 650

ESLRS15110 Polymerpasten-System (Phenolbasis) 150 . . . 220

Pasten fur Leitbahnkreuzung/Mehrlagenaufbau/SchutzabdeckungenESL 4026A Glaslot, Abdeckung fur Chipwiderstande 550 . . . 625ESL M4032 Leitbahnuberkreuzungen und Mehrlagenaufbau

auf PES-Substraten600 . . . 650

ESL 242-SB Polymerpaste fur Schutzabdeckung oder Mehr-lagenaufbau (Epoxybasis)

150 . . . 200

Ferro FX10-079 Glaslot 550 . . . 565

Tabelle 3.2: Untersuchte Pasten fur die Herstellung von Dickschichtstrukturen aufGlas.

3.2 Leitbahnstrukturen

Bei Dickschicht-Leitbahnen auf Glas sind vorrangig die erzielbaren Flachenwiderstande,die Haftfestigkeit, die Lot- und Bondbarkeit sowie die Geometrietreue von Interesse.Elektrisch funktionsfahige und optisch einwandfreie Leitstrukturen konnten mit allenin Tabelle 3.2 aufgefuhrten Leitpasten hergestellt werden. Fur das Einbrennen bzw.Ausharten der Pasten wurde dabei das vom Hersteller empfohlene Temperaturprofilverwendet1. Eine Schadigung des Glassubstrates beispielsweise in Form von Rissen warin keinem Fall zu beobachten.Bezuglich der Lotbarkeit ist festzuhalten, daß die Ag-Paste 9912A und die AgPd-Paste9695 mit dem in der Dickschichttechnik ublichen PbSnAg (62/36/2)-Lot ohne Ein-schrankung lotbar sind. Die Ag-Paste 9910A, die AuPt-Paste 5835 und die Ag-Polymer-paste 1109-S erwiesen sich hingegen als nicht lotbar2. Bei der AuPt-Paste 5837 war von

1Ausharten der Polymerpaste bei 150 C/2h bis 220 C/1h. Die Pasten auf Glasbasis wurden mitϑmax = 625 C fur t = 10min eingebrannt

2Laut Hersteller sind Leitstrukturen mit der Polymerpaste 1109-S nach einer chemischen oder galva-nischen Vernickelung gut lotbar.


der Substratruckseite aus eine Verfarbung der geloteten Pads erkennbar. Dies deutet aufein Ablegieren des Goldanteils hin.Die Ermittlung der Haftfestigkeit der Leitstrukturen nach DIN 41850 (Teil 2), die eineLotbarkeit der Leitschichten voraussetzt, erfolgte deshalb nur bei den Pasten 9912A und9695. Fur die Untersuchung wurden die Probanden in Anlehnung an DIN IEC 68 (Teil2-2) bei einer Temperatur ϑ = 150 C in einem Zeitraum bis zu 1000 h gealtert. Dieermittelten Abzugskrafte sind in Bild 3.1 gezeigt. Die gemessenen Haftfestigkeitswerteder gleichen Pasten auf Al2O3-Dickschichtsubstraten (mit ϑmax = 850 C eingebrannt)sind zum Vergleich ebenfalls eingezeichnet.

0 200 400 600 800 10000

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rs

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bc Keramikrs Glas

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bc

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bc

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bc

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rs

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rs rs

bc Keramikrs Glas

a b

Bild 3.1: Mittlere Abzugskraft von 2 · 2mm2-Pads (Schaltest) in Abhangigkeit von derLagerzeit bei ϑ = 150 C fur die Ag-Paste 9912A (a) und die AgPd-Paste9695 (b) auf Glassubstraten (Corning 7059) und Al2O3-Keramiksubstraten.

Fur die Silberpaste 9912A betragt die mittlere Abzugskraft vor der Temperaturlagerungauf Glassubstraten 23,7N und auf Keramiksubstraten 31,6N. Die Abzugskraft nimmt imVerlauf der Temperaturlagerung sowohl bei Glas- als auch bei Keramiksubstraten sehrschnell ab und stabilisiert sich nach 200 h bei Werten von ca. 3,5N fur Glassubstrateund 10N fur Al2O3-Substrate

3. Zu Beginn der Temperaturlagerung war beim Abziehender Pads auf dem Glassubstrat uberwiegend ein Ausbrechen des Glassubstrates unmit-telbar unter der Metallisierung (Muschelbruch) zu beobachten. Hier ist offensichtlichdie Haftfestigkeit der Paste auf dem Substrat großer als dessen mechanische Stabilitat.Bei den Messungen nach Beginn der Temperaturlagerung traten dann lediglich teilweiseoder vollstandige Abrisse der Metallisierung ohne Beschadigung des Substrates auf. Im

3Eine Beurteilung der gemessenen Abzugskrafte ist schwierig. In [80] werden fur Leitpasten Haft-festigkeiten zwischen 10N/mm2 und 30N/mm2 gefordert. Diese Werte ließen sich mit keiner deruntersuchten Pasten erzielen. Die Anforderung gemaß MIL-STD-883C, Methode 2004.5, nach derLotpads mit mindestens 2,2N belastbar sein sollen, wird hingegen von allen untersuchten Probandenauch nach der Temperaturlagerung erfullt.


Vergleich dazu konnte eine Beschadigung des Substrates bei Dickschichtkeramiken inkeinem Fall beobachtet werden.Die initiale Haftfestigkeit der AgPd-Paste 9695 auf Glas liegt mit 15N deutlich unter-halb der Haftfestigkeit der Ag-Paste auf Glas; auf Al2O3-Keramiksubstraten weisen beidePasten jedoch die gleiche initiale Haftfestigkeit auf. Wahrend der Temperaturlagerungnehmen die gemessenen Abzugskrafte bei Keramiksubstraten kontinuierlich ab. Nach1000 h ist die mittlere Abzugskraft auf 6,3N abgesunken. Bei Glassubstraten hingegenstabilisieren sich die Abzugskrafte nach kurzer Zeit auf Werte zwischen ca. 7,5N und9,5N. Am Ende der Temperaturlagerung ist die Haftfestigkeit dieser Paste auf Glassub-straten hoher als auf Keramiksubstraten. Wie bei der Silberpaste 9912A war zu Beginnder Lagerung die Haftfestigkeit der Paste großer als die mechanische Stabilitat des Glas-substrates (Muschelbruch unter dem Pad). Im Verlauf der Temperaturlagerung tratendann Pad-Abrisse ohne Beschadigung des Glases und Abrisse mit partiellem Ausbrechendes Glases in etwa gleich haufig auf.

Neben der Haftfestigkeit und der Lotbarkeit ist ein weiteres Kriterium fur Dickschicht-Leitbahnen ihre Eignung zur Herstellung von Drahtbondverbindungen. Diese werden inder Dickschichttechnik zur Realisierung von Leitbahn-Uberkreuzungen, fur die Verbin-dung zwischen Außenanschlussen und Dickschichtschaltung und vor allem zur Kontak-tierung ungehauster Halbleiter eingesetzt.Untersucht wurde das Thermosonic-Bonden mit Golddraht (Ø 25µm, Ball-Wedge-Bond)und das Ultraschall-Bonden mit Aluminiumdraht (Ø 25µm, Wedge-Wedge-Bond) aufder Ag-Leitpaste 9912A, der AgPd-Leitpaste 9695 und den AuPt-Leitpasten 5835 und5837. Von den beiden letztgenannten Pasten wurden jeweils zwei Testsubstrate vomHersteller zur Verfugung gestellt. Die Paste 5835 erwies sich (auch nach einem zweitenEinbrand) als nicht bondbar. Auf der Paste 5837 konnten keine Al-Bonds sondern nurAu-Bonds hergestellt werden. Die mittlere Abzugskraft fur die Ball-Wedge-Bonds betrug3,6 cN. Allerdings wurde als Zerstorungsursache uberwiegend ein Abriß des Balls bzw.ein Ablosen des Wedge-Bonds festgestellt. Durch einen zweiten Einbrand der Paste, nachdem fur Ball-Wedge-Bonds eine mittlere Abzugskraft von 4,6 cN ermittelt wurde, domi-nierte ein Bruch in der thermischen Schwachungszone des Balls als Zerstorungsursache.Nach einer Temperaturlagerung der Probanden bei ϑ = 150 C uber 168 h wurde einemittlere Abzugskraft von 4,2 cN gemessen.Fur die Pasten 9912A und 9695 sind die ermittelten Abzugskrafte fur Glassubstrate undAl2O3-Dickschichtsubstrate wahrend einer Temperaturlagerung bei ϑ = 150 C uber1000 h in Bild 3.2 gezeigt. Aus den Meßwerten folgt, daß das Golddraht-Bondverfahrendie in MIL-STD 883C, Methode 2011.5 aufgestellte Anforderung einer minimalen Ab-zugskraft von 2,94 cN uber die gesamte Lagerzeit erfullt. Wahrend bei den Proben aufKeramiksubstraten die Zerstorung der Bondverbindung entweder durch einen Bruch inder thermischen Schwachungszone des Balls oder vereinzelt auch in der Deformationszo-ne vor dem Wedge erfolgte, konnte bei den Proben auf Glassubstraten auch ein Abreißendes Balls oder des Wedge-Bonds beobachtet werden. Im Einzelnen traten bei der AgPd-


0 200 400 600 800 1000

t=h

0 200 400 600 800 1000

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0

2

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6

8

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a b

c d

Bild 3.2: Mittlere Abreißkraft von Dunndraht-Bonds (Ø 25µm) auf verschiedenen Me-tallisierungen auf Glassubstraten ( ) und Keramiksubstraten (---) als Funk-tion der Lagerzeit bei 150 C.(a) Gold-Ball-Wedge-Bonds auf Ag-Pads (9912A);(b) Gold-Ball-Wedge-Bonds auf AgPd-Pads (9695);(c) Aluminium-Wedge-Wedge-Bonds auf Ag-Pads (9912A);(d) Aluminium-Wedge-Wedge-Bonds auf AgPd-Pads (9695).

Leitpaste 9695 bei insgesamt 100 Abreißvorgangen 13 Ball-Abrisse und 10Wedge-Abrisseauf. Bei der Ag-Leitbahnpaste 9912A wurden bei 100 Abreißvorgangen 6 Wedge-Abrisseund kein Ball-Abriß festgestellt.Aluminium-Bondverbindungen auf Ag-Metallisierungen weisen zu Beginn der Tempe-raturlagerung vergleichsweise hohe Abzugskrafte auf, die jedoch mit zunehmender La-gerzeit absinken. Bei der Ag-Metallisierung auf Glassubstraten wird die nach MIL-STD883D geforderte Mindest-Abzugsfestigkeit der Bondverbindung von 2,35 cN einmal un-terschritten; am Ende der Lagerung liegen die Abreißkrafte nur geringfugig uber dieserGrenze.Ein gunstigeres Bild ergibt sich bei Aluminium-Bondverbindungen auf AgPd-Pads. DieAbzugskrafte der Proben auf Keramik- und Glassubstraten unterscheiden sich mit 4,4 cNbzw. 4,1 cN gegen Ende der Lagerung nur geringfugig. Die Zerstorung der Bondverbin-dung erfolgte hauptsachlich durch einen Bruch in der thermischen Schwachungszone des


Balls oder in der Deformationszone vor dem Wedge. Fur die Glassubstrate wurden bei100 Abreißvorgangen lediglich 2 Abrisse des ersten Wedge-Bonds und 8 Abrisse des zwei-ten Wedge-Bonds registriert.Zusammenfassend laßt sich festhalten, daß fur die Herstellung von Golddraht-Bondver-bindungen in Dickschichtschaltungen auf Glassubstraten sowohl die untersuchte Ag- alsauch die AgPd-Metallisierung eingesetzt werden kann. Fur Aluminiumdraht-Bondver-bindungen erscheint lediglich die AgPd-Paste 9695 geeignet.

Die Bestimmung des Flachenwiderstandes der Leitpasten und die Untersuchung der Geo-metrietreue wurde an Teststrukturen gemaß DIN 41850 (Teil 2) vorgenommen.Bezuglich der Geometrietreue waren keine Unterschiede zwischen Leitbahnen auf Glas-und auf Keramiksubstraten feststellbar. Leitbahnen mit einer Breite zwischen 100µmund 500µm im Sieb fielen im eingebrannten Zustand um ca. 20µm bis 50µm breiteraus.Die ermittelten Flachenwiderstande und Schichtdicken der AgPd-Paste 9695 und der Ag-Paste 9912A sind in Tabelle 3.3 aufgefuhrt. Leitbahnen auf Keramiksubstraten, die beieiner Maximaltemperatur ϑmax = 850

C eingebrannt wurden, weisen im Gegensatz zuLeitbahnen auf Glassubstraten mit ϑmax = 625

C einen geringeren Flachenwiderstandauf. Auch die Abnahme des Flachenwiderstandes nach einem zweiten Einbrennvorgangfallt bei diesen Substraten sehr viel deutlicher aus. Dies kann als Zeichen dafur gewer-tet werden, daß die Sintervorgange bei den niedrig gebrannten Pasten nicht vollstandigabgeschlossen sind. Beim zweiten Einbrand findet eine weitere Versinterung statt. Dieleitfahigen Partikel rucken enger zusammen, was zu einer Erniedrigung des Widerstands-wertes fuhrt.

Paste Substrat ϑmax RF /mΩ/ RF /mΩ/ d/ µm1×gebrannt 2× gebrannt

9695 (AgPd) Keramik 850 C 6,4 6,35 9 . . . 11Glas 625 C 7,6 7,1 7 . . . 9

9912A (Ag) Keramik 850 C 2,5 2,5 9 . . . 11Glas 625 C 3 2,8 7 . . . 9

Tabelle 3.3: Flachenwiderstand RF der untersuchten Leitpasten auf Glas- und Kera-miksubstraten bei ein- und zweifachem Einbrand und gebrannte Schicht-dicke d der Leitbahnen.

3.3 Dickschichtwiderstande

Fur die Realisierung von Dickschichtwiderstanden auf Glas wurden zwei verschiedenePastensysteme untersucht: ein System, das bei einer Temperatur ϑmax = 625

C einge-brannt wird und das fur den Einsatz auf emaillierten Stahlsubstraten konzipiert ist (Serie


3100) und ein Polymer-Widerstandssystem, das bei Temperaturen zwischen 150 C und220 C ausgehartet werden kann (System RS15110).

3.3.1 Widerstande mit Polymerpasten

Aus dem Polymer-Widerstandssystem wurden exemplarisch Pasten mit nominellen Fla-chenwiderstanden von 100Ω/, 10 kΩ/ und 100 kΩ/ untersucht (RS15112, RS15114und RS15115). Von Interesse waren dabei der Flachenwiderstand, das Driftverhaltender Widerstande sowie die Frage, ob die Polymerwiderstande getrimmt werden konnen.Fur die Untersuchungen wurden Teststrukturen gemaß DIN 41850 (Teil 4) hergestellt.Der Flachenwiderstand wurde an quadratischen Widerstanden mit einer Flache von2,5 · 2,5mm2 bestimmt. Das Ausharten (Polymerisieren) der gedruckten Widerstands-schichten erfolgte bei einer Maximaltemperatur von 220 C fur t = 15 s. Nach Angabendes Herstellers soll sich dadurch ein besseres Driftverhalten der Widerstande [60] erge-ben. Ein Teil der Probanden wurde mit einer Schutzabdeckung (Polymerpaste 242-SB,Ausharten bei 150 C fur 2 h) versehen. Fur die Anschlußkontakte wurde die Ag-Paste9912A und die AgPd-Paste 9695 eingesetzt.

Die Untersuchungen zeigten, daß keine Abhangigkeit des Flachenwiderstandes von derAnschlußmetallisierung festzustellen ist. Der Flachenwiderstand der Probanden (Tabel-le 3.4) liegt unterhalb der nominellen Flachenwiderstande der Pasten. Der Grund hierfurliegt in der hohen Aushartungstemperatur4 [60]. Die Streuung des Flachenwiderstandes

Paste Flachenwiderstand Standard-nominell gemessen abweichung

RS15112 100Ω/ 26Ω/ 51%RS15114 10 kΩ/ 6,5 kΩ/ 13%RS15115 100 kΩ/ 52 kΩ/ 6%

Tabelle 3.4: Flachenwiderstande von Polymerwiderstanden (Serie RS15100) auf Glasgemessen an quadratischen Widerstanden mit A = 2,5 · 2,5mm2.

befindet sich mit 13% fur die Paste RS15114 und 6% fur die Paste RS15115 innerhalbder ublichen Toleranzen eines Dickschichtprozesses. Im Gegensatz dazu ist die Streuungder niederohmige Widerstandspaste RS15112 mit 51% extrem hoch.Zur Ermittlung des Driftverhaltens der Widerstande wurden die Probanden fur 168 hbei ϑ = 85 C und einer relativen Luftfeuchte von 85% gelagert. Bei allen Pasten stiegendie Widerstandswerte im Verlauf der Lagerung monoton an. Die Widerstandsanderungnach 168 h lag fur die Paste RS15114 zwischen 7% und 12% und fur die Paste RS15115

4Eine Kontrolluntersuchung zeigte, daß sich durch Ausharten der Widerstande bei 150 C fur t = 2hder angegebene nominelle Flachenwiderstand einstellt.


zwischen 11% und 16%. Die Paste RS15112 zeigte mit einer Drift zwischen 5% und 55%wiederum ein deutlich abweichendes Verhalten. Diese sehr schlechte Stabilitat von Po-lymerwiderstanden ist bekannt [60] und tritt auch bei anderen Polymerpastensystemenauf [32, 50]. Besonders erwahnenswert ist, daß die Schutzabdeckung die Stabilitat derWiderstande nicht verbessert, sondern daß ganz im Gegenteil bei den Pasten RS15114und RS15115 die Widerstande mit Abdeckung eine starkere Drift aufweisen als die Wi-derstande ohne Abdeckung. Weiterhin ist die Empfindlichkeit der Widerstande auf eineAnderung der Luftfeuchte bemerkenswert. Bild 3.3 zeigt exemplarisch die Drift eines Po-lymerwiderstandes wahrend einer Lagerung bei ϑ = 85 C mit abwechselnd 85% relativerLuftfeuchtigkeit und trockener Umgebungsluft.

0 50 100 150 200 250 30020

15

10

5

0

5

10

15

20

R R

100

t=h

bc

bcbc

bc bcbc bc

bc

bcbc

bc bc bc bc bc bcbcbc

bcbc

bcbc bc bc bcbc

bc

bcbc bc bc bc bc bc

mit

Feuchte

ohne

Feuchte

mit

Feuchte

ohne

Feuchte

Bild 3.3: Relative Widerstandsanderung eines Polymerwiderstandes wahrend einer La-gerung bei ϑ = 85 C mit abwechselnd 85% relative Luftfeuchtigkeit undtrockener Umgebungsluft (Paste RS15114, quadratischer Widerstand mitA = 2,5 · 2,5mm2).

Neben der Drift der absoluten Widerstandswerte ist das Gleichlaufverhalten der Wi-derstande, beispielsweise bei Spannungsteilern oder zur Einstellung von Verstarkungsfak-toren, von Interesse. Bei der Paste RS15114 andert sich das Widerstandsverhaltnis zweierunmittelbar benachbarter Widerstande (A = 2,5 · 2,5mm2) wahrend der Temperatur-und Feuchtelagerung um weniger als ±0,5%. Bei der Paste RS15115 fallt die Drift desWiderstandsverhaltnisses mit maximal ±0,2% noch geringer aus. Ein extrem schlech-tes Gleichlaufverhalten war bei wieder der Paste RS15112 zu beobachten: hier tratenAnderungen des Widerstandsverhaltnisses zwischen −6% und +11% auf.

Zur Klarung der Frage, ob Polymerwiderstande auf Glas abgeglichen werden konnen,wurden entsprechende Versuche mit einem Nd:YAG-Trimmlaser (λ = 1094 nm) durch-


gefuhrt. Bei geeigneter Einstellung der Laserparameter (Leistung und Wiederholfre-quenz) konnte in der Tat ein Abgleich durchgefuhrt werden. Bei falscher Wahl derParameter, insbesondere bei einer zu hohen Pulsfrequenz, lassen sich zwar optisch ein-wandfrei aussehende Schnitte in das Widerstandsmaterial herstellen, aber die Trimm-kerbe ist nicht elektrisch isolierend. Messungen an vollstandig

”durchgeschnittenen“

Widerstanden mit der Paste RS15114 zeigten, daß eine solche Trimmkerbe zu einerWiderstandserhohung von lediglich 3 kΩ bis 6 kΩ fuhrt. Ein derartiger Effekt konntebei Polymerwiderstanden auf Keramik- oder FR4-Substraten nicht beobachtet werden.Moglicherweise bleibt beim Laserabgleich eine sehr dunne, optisch nur gering absorbie-rende Widerstandsschicht unmittelbar an der Oberflache des Glassubstrates zuruck. Daauch das Glas nur eine kleine Strahlungsabsorption aufweist, kann der Laserstrahl we-der in der angenommenen dunnen Widerstandschicht noch an der Glasoberflache einenvollstandigen Materialabtrag bewirken.

Das Driftverhalten abgeglichener Widerstande wurde an Polymerwiderstanden mit derPaste RS15114 untersucht. Hierzu wurden die Widerstande mit einem Plunge-Cut aufdas 1,5-fache ihres ursprunglichen Wertes getrimmt. Nach einer Temperaturlagerunguber 168 h bei 85 C/85% R.H. wiesen die Absolutwerte der Widerstande eine vergleich-bare Drift wie die ungetrimmten Polymerwiderstande auf. Auch hier war die Drift vonWiderstanden mit einer Schutzabdeckung hoher als die Drift nicht abgedeckter Wi-derstande.Das Gleichlaufverhalten der getrimmten Widerstande ist im Vergleich zu den unge-trimmten Widerstanden schlechter. Bei zwei unmittelbar benachbarten getrimmten Wi-derstanden ohne Schutzabdeckung wurden Anderungen des Widerstandsverhaltnis zwi-schen 0 und −1% beobachtet. Mit Schutzabdeckung lagen die Anderungen zwischen 0und −2%.

3.3.2 Glasmatrixbasierte Widerstande

Das Pastensystem R3100 basiert auf einer Glasmatrix als Trager fur die elektrischleitfahigen Partikel (Metalloxide). Die Einbrenntemperatur betragt ϑmax = 625

C. Ausdieser Pastenfamilie wurden die Pasten R3112, R3114 und R3116 mit nominellen Flachen-widerstanden von 100Ω/, 10 kΩ/ und 1MΩ/ untersucht.

In einer ersten Versuchsreihe wurden die Anschlußpads der Widerstande mit der AgPd-Paste 9695 und der Ag-Paste 9912A gedruckt und eingebrannt. Nach dem Einbrand deranschließend gedruckten Widerstande zeigte sich, daß unabhangig von der Widerstand-spaste an einem Großteil der Probanden am Ubergang zwischen der Anschlußmetallisie-rung und der Widerstandsschicht Risse im Glassubstrat aufgetreten waren. Diese Rissetreten auch auf, wenn die Anschlußmetallisierung und die Widerstandsschicht in einemProzeßschritt gemeinsam eingebrannt werden (Cofiring). Unter dem Gesichtspunkt der


Zuverlassigkeit erscheint diese Aufbautechnik fur Dickschichtwiderstande auf Glassub-straten nicht akzeptabel.

In einer zweiten Versuchsreihe wurde deshalb untersucht, inwieweit die Kontaktierungder Widerstande mit der Polymer-Silberpaste 1109-S erfolgen kann. Bei dieser Aufbau-technik, die bereits fur Dickschichtwiderstande auf Keramiksubstraten untersucht wur-de [118], werden zuerst die Widerstandspasten gedruckt und eingebrannt. Dann wer-den mit der Ag-Polymerpaste die Anschlußpads auf die Widerstande gedruckt und beiϑ = 220 C fur t = 1h ausgehartet. Bei dieser Aufbauvariante konnten keine Risse imGlassubstrat beobachtet werden. Die ermittelten Flachenwiderstande der Pasten R3112und R3114 stimmen gut mit den Nominalwerten uberein (Tabelle 3.5). Auch die Stan-dardabweichung der Widerstandswerte liegt bei diesen Pasten innerhalb der typischenProzeßtoleranzen. Fur die hochohmige Paste R3116 wurde hingegen ein Flachenwider-stand ermittelt, der deutlich unterhalb des Nominalwertes liegt. Die Standardabweichungfallt mit 45% sehr groß aus. Bemerkenswert ist, daß bei allen drei Widerstandspastenungewohnlich hohe Ausreißerquoten zwischen 12% und 24% festgestellt wurden (beiN = 56 Probanden). In der Praxis bedeutet dies eine sehr deutliche Einschrankung hin-sichtlich der Prozeßausbeute.

Paste Flachenwiderstand Standard- Ausreißer- Schicht-nominell gemessen abweichung quote dicke

R3112 100Ω/ 113Ω/ 12% 14% 14µmR3114 10 kΩ/ 9,6 kΩ/ 13% 12% 16µmR3116 1MΩ/ 0,239MΩ/ 45% 24% 14µm

Tabelle 3.5: Mittlere Flachenwiderstande und Schichtdicken von Widerstanden der Se-rie R3100 auf Glassubstraten. Messung an quadratischen Widerstandenmit A = 2,5 · 2,5mm2, N = 56 Probanden, Anschlußpads mit Silber-Polymerpaste 1109-S.

Ein weiterer negativer Effekt tritt bei der Feuchtelagerung der Widerstande (85 C, 85%R.H. fur t = 168 h) zutage. Bei den Pasten R3112 und R3116 treten bei mehr als 2/3der Probanden Sprunge des Widerstandswertes zwischen −70% und +103% auf. EinBeispiel fur einen gemessenen Widerstandsverlauf ist in Bild 3.4 gezeigt. Bei der PasteR3114 konnte dieses Verhalten lediglich an einem einzigen Probanden beobachtet wer-den. Bei den Widerstanden, die keine Wertesprunge aufwiesen, liegt die Drift im Verlaufder Feuchtelagerung fur alle drei Pasten unterhalb von 0,6%.Wahrscheinliche Ursache fur die beobachteten sprunghaften Anderungen des Wider-standswertes sind mechanische Spannungen, die durch die unterschiedliche thermischeLangenausdehnung der Widerstandsschicht und des Glassubstrates wahrend der Abkuhl-phase des Einbrennvorganges entstehen und die zur Rißbildung im Glas oder im Wi-derstandsmaterial fuhren. Bei mikroskopischer Untersuchung der Widerstande (von derSubstratruckseite aus) sind in der Tat Risse in der Widerstandsschicht erkennbar. Zur


o o

oo

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0

20

40

60

80

100

120

R R

100

t=h

Bild 3.4: Anderung des Widerstandswertes eines Dickschichtwiderstandes aus der PasteR3112 auf einem Glassubstrat bei Feuchtelagerung (ϑ = 85 C, 85% R.H.)

Reduktion dieser mechanischen Spannungen wurden zwei Maßnahmen ergriffen: eineVerringerung der Schichtdicke der Widerstande und eine Verlangerung der Abkuhlpha-se des Einbrennprofiles. Bei den Pasten R3112 und R3114 fuhrt die Verringerung derSchichtdicke um den Faktor 1,5 . . . 1,8 zusammen mit einer Reduktion der Abkuhlge-schwindigkeit des Einbrennprofiles von 26K/min auf 14K/min zu deutlich besserenErgebnissen (Tabelle 3.6). Bei der hochohmigen Widerstandspaste R3116 zeigte sichallerdings, daß die Reduktion der Schichtdicke und die Verlangerung der Abkuhlphaseeinen Totalausfall aller Widerstande (R → ∞) hervorruft. Bei der Paste R3114 warenbei Feuchtelagerung der Widerstande (85 C/85%R.H.) fur t = 168 h keine plotzlichenAnderungen des Widerstandswertes zu beobachten. Die Widerstandsdrift wahrend derVersuchsdauer lag unterhalb von 0,3%. Bei der Paste R3112 trat an einem einzigenWiderstand eine abrupte Widerstandserhohung um +1,1% auf. Die Widerstandsdriftaller anderen Probanden betrug weniger als 0,2%. Ausreißer konnten bei beiden Pastennicht festgestellt werden. Problematisch jedoch ist die Beobachtung, daß nach Been-digung der Feuchtelagerung die Widerstandswerte um bis zu 25% von dem Wert vorder Feuchtelagerung abweichen. Es ist zu vermuten, daß diese Widerstandsanderungen

Paste Flachenwiderstand Standard- Ausreißer- Schicht-nominell gemessen abweichung quote dicke

R3112 100Ω/ 169Ω/ 6,3% 0 8µmR3114 10 kΩ/ 14,8 kΩ/ 12,5% 0 9µmR3116 1MΩ/ - - 100% 8µm

Tabelle 3.6: Flachenwiderstande und Schichtdicken von Widerstanden der Serie R3100mit reduzierter Schichtdicke und verlangerter Abkuhlphase des Einbrenn-profiles. Messung an quadratischen Widerstanden mit A = 2,5 · 2,5mm2;Anschlußpads mit Silber-Polymerpaste 1109-S.


durch die beim Temperaturwechsel von 85 C auf Raumtemperatur auftretenden me-chanischen Spannungen hervorgerufen werden. Ein ahnlicher Effekt tritt auf, wenn dieWiderstande mit einem Laser abgeglichen werden. Durch den thermischen Materialab-trag beim Trimmvorgang werden erneut mechanische Spannungen erzeugt, die wahrendeiner Feuchtelagerung wiederum zu abrupten Anderungen der Widerstandswerte fuhren(±3% bei der Paste R3114, bis zu +90% bei der Paste R3112). Die genannten Effekteverbieten den Einsatz der untersuchten glasmatrixbasierten Widerstandspasten fur dieHerstellung von Dickschichtwiderstanden auf Glas.

3.4 Leitbahnuberkreuzungen und Schutzabdeckung

Fur die Herstellung von Leitbahnuberkreuzungen und Passivierungsschichten wurden dieGlaspasten 4026A (ESL) und FX10-079 (Ferro), die Dielektrikumspaste M4032 (ESL)sowie die Polymerpaste 242-SB (ESL) untersucht. Die Untersuchung erfolgte an den inBild 3.5 gezeigten Teststrukturen nach DIN 41850 (Teil 3).Mit den beiden Glaspasten konnen direkt auf dem Glassubstrat optisch einwandfreiaussehende Schichten ohne erkennbare Risse oder Poren hergestellt werden. Beim Uber-drucken von Dickschichtleitbahnen oder Widerstanden (R3100) weisen die Schichtenjedoch nach dem Einbrennen eine sehr starke Rißbildung auf. Aus diesem Grund kom-men die Glaspasten fur die Herstellung von Leitbahnuberkreuzungen oder Passivierungs-schichten nicht in Frage.

Die Dielektrikumspaste M4032 wird zur Herstellung von Mehrlagenschaltungen oderLeitbahnuberkreuzungen auf emaillierten Stahlsubstraten (PES) eingesetzt. Auf Glas-substraten sind bei großflachig uberdruckten Leitbahnen (Strukturen B,D,E in Bild 3.5)jedoch wiederum Risse im Glassubstrat zu beobachten. Diese treten bevorzugt an denKanten der uberdruckten Leitbahnen auf. Bei kleinen Flachen, etwa bei einzelnen Leit-bahnuberkreuzungen mit einer Flache A ≈ 1,2×1,2mm2 fur den Isolationsdruck (Struk-tur A in Bild 3.5), konnten zunachst auch bei doppelt oder dreifach gedruckten Schichtenkeine Risse im Substrat oder in der Isolationsschicht beobachtet werden. Nach einer La-gerung bei ϑ = 85 C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit uber t = 168 h wiesen jedochauch diese Strukturen eine Vielzahl von Rissen im Glas und in der Isolationsschichtauf. Somit ist auch diese Paste fur die Herstellung von Leitbahnuberkreuzungen undSchutzabdeckungen nicht geeignet.

Mit der Polymerpaste 242-SB, die bei Temperaturen zwischen 150 C und 200 C aus-gehartet werden kann, treten derartige Probleme nicht auf. Bezuglich der Eignung dieserPaste fur Schutzabdeckungen ist anzumerken, daß im Gegensatz zu Glasern mit Kunst-stoffen grundsatzlich keine hermetische Verkapselung realisiert werden kann [39]. Einepolymere Abdeckschicht gewahrt zwar einen Schutz vor mechanischen Beanspruchungenoder verschiedenen aggressiven Medien, jedoch ist ein Schutz vor Feuchte insbesondere


Bild 3.5: Teststrukturen nach DIN 41850 (Teil 3) zur Untersuchung von Dielektrikums-pasten fur die Herstellung von Leitbahnuberkreuzungen (A), Mehrlagenschal-tungen (B,C) und Schutzabdeckungen (E). Die dielektrischen Eigenschaftender Isolationsschicht konnen mit dem Plattenkondensator (D) bestimmt wer-den.

bei erhohten Temperaturen nicht gegeben. Die Effekte, die bei Verwendung der Pasteals Abdeckung fur Polymerwiderstande auftreten, wurden bereits in Abschnitt 3.3.1 be-schrieben.

Zur Untersuchung der Eigenschaften von Leitbahnuberkreuzungen und Mehrlagenschal-tungen, fur die die Paste nach Herstellerangaben geeignet ist, wurden die erwahntenTeststrukturen nach DIN 41850 (Teil 3) angefertigt. Fur die untere Leitbahnebene wurdedie AgPd-Paste 9695 eingesetzt. Darauf folgt der doppelte Isolationsdruck mit der Poly-merpaste 242-SB. Die Schichten wurden bei ϑ = 200 C fur t = 1h ausgehartet. Fur dieobere Leitbahnebene wurde die Polymer-Silberpaste 1109-S, ausgehartet bei ϑ = 150 Cfur t = 2h, verwendet. Die an den Teststrukturen gemessenen elektrischen Kennwerteder Isolationsschicht sind in Tabelle 3.7 aufgefuhrt. Die Geometrietreue der erzeugtenIsolationsstrukturen wurde an Durchkontaktierungsfenstern mit einer Abmessung von0,5 · 0,5mm2 im Drucksieb bestimmt. In der ausgeharteten Isolationschicht betrugen dieAbmessungen der Strukturen ca. 0,4 · 0,4mm2. Diese Flachenabnahme, die durch dasVerfließen der Pasten nach dem Druck hervorgerufen wird, ist beim Layoutentwurf zuberucksichtigen.

Zur Untersuchung des Einflusses erhohter Temperatur und erhohter Luftfeuchte auf dieLeitbahnuberkreuzungen wurden die Teststrukturen bei ϑ = 85 C und einer relativenLuftfeuchte von 85% fur eine Zeit t = 168 h gelagert. Dabei wurde eine Polarisationsspan-nung von 10V an die uberkreuzenden Leitbahnen angelegt. Wie nicht anders zu erwartenkonnten am Ende der Lagerung Migrationserscheinungen festgestellt werden. Die Span-


Schichtdicke: 31µmSpannungsfestigkeit: ≥ 500VIsolationswiderstanda: > 108Ω

f 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1MHzεr 5,02 4,98 4,90 4,79tan δ 0,004 0,007 0,013 0,014aFlache der Leitbahnuberkreuzung 0,5 · 0,5mm2

Tabelle 3.7: Kennwerte doppelt gedruckter Isolationschichten aus der Polymerpaste242-SB.

nungsfestigkeit der Leitbahnuberkreuzungen sinkt auf bis zu 180V ab. Bemerkenswertist, daß die Migration nicht nur durch die Isolationsschicht hindurch sondern auch un-ter der Isolationsschicht, d.h. am Ubergang zwischen Glassubstrat und Isolationsschicht,auftrat. Bei Betrachtung von der Ruckseite des Substrates aus sind die Migrationser-scheinungen, wie in Bild 3.6 gezeigt, deutlich erkennbar. Ganz offensichtlich erfolgt dieMigration der Silberionen auch uber unbedruckte Glasflachen hinweg. Besonders stark

Bild 3.6: Migrationserscheinungen an Leitbahnuberkreuzungen von der Ruckseite desGlassubstrates aus gesehen. Im dargestellten Fall war die Polarisationsspan-nung mit dem Pluspol an der obere Leitbahn (Ag-Polymerpaste 1109-S) undmit dem Minuspol an der unteren Leitbahn (AgPd-Paste 9695) angeschlossen.Im linken Bild ist erkennbar, daß die Silbermigration auch uber unbedruckteGlasflachen hinweg stattfindet. (Das rechte Bild wurde mit einem Kantenfilternachbearbeitet, um die Migrationseffekte deutlicher hervorzuheben.)

tritt die Silbermigration an den Stellen auf, an denen die Diffusion der Silberionen durchdas Polarisationsfeld unterstutzt wurde. Im Vergleich zu den Silberleitbahnen mit derPolymerpaste 1109-S sind die Migrationserscheinungen an den AgPd-Leitbahnen sehrviel weniger stark ausgepragt. Diese erhohte Migrationsfestigkeit von AgPd-Leitpastenist bekannt. Beim Layoutentwurf sollte dieser Umstand an all den Stellen berucksich-tigt werden, an denen eine Gleichspannung zwischen sich uberkreuzenden Leitbahnenauftritt.


3.5 Montage von Bauelementen

Die Montage und Kontaktierung elektronischer Bauelemente erfolgt in der Dickschicht-technik zumeist durch Drahtbonden, Leitkleben oder Loten. Die Eignung von Dick-schichtleitbahnen auf Glassubstraten fur das Thermosonic-Bonden mit Golddraht undfur das Ultraschall-Bonden mit Aluminiumdraht wurde bereits in Abschnitt 3.2 demon-striert. Das Leitkleben ist eine Verbindungstechnik, die nur niedrige Prozeßtemperaturenunterhalb von 200 C erfordert. Die auftretenden Temperaturgradienten sind gering. DieMontage von Bauelementen auf bedruckten Glassubstraten erscheint deshalb unpro-blematisch. Beim Loten hingegen konnen Temperaturen bis zu 260 C und sehr hoheTemperaturgradienten auftreten. Aus diesem Grund wurde die Frage, ob das Loten alsVerbindungstechnik fur elektronische Bauelemente auf Dickschicht-Glassubstraten ge-eignet ist, genauer untersucht.Auf der in Bild 3.7 gezeigten Dickschichtschaltung sind Bauelemente mit unterschied-lichen Bauformen untergebracht (PLCC, SO, SO-wide, SOT-23, SOT-89, 1206, 0805,MELF). Die Leitbahnen und Anschlußpads fur die Bauelemente auf dem Glassubstratwurden mit der Ag-Paste 9912A gedruckt. Die Kontaktierung der Bauelemente erfolg-te in einem Lotprozeß mit einem Temperaturprofil, wie es auch fur Schaltungen aufFR4-Substraten verwendet wird. Als Lot wurde das Standardlot PbSnAg (62/36/2) ein-gesetzt. Bei einer Betrachtung der geloteten Schaltung von der Bauelementeseite aus

Bild 3.7: Ober- und Unterseite einer Dickschichtschaltung auf Glas mit Bauelemen-ten unterschiedlicher Gehauseform. Mit diesem Aufbau wurde die Eignungdes Lotens als Kontaktierungstechnik fur elektronische Bauelemente aufDickschicht-Glassubstraten untersucht.

sind keine Fehlstellen feststellbar. Erst bei Betrachtung von der Substratruckseite aussind an einer ganzen Reihe von Anschlußpads insbesondere bei den integrierten Schal-


tungen im SO-Gehause kleine Risse im Glassubstrat direkt unter den Pads erkennbar(Bild 3.8). Diese Risse entstehen durch mechanische Spannungen, die sich aufgrund der

Bild 3.8: Rißbildung im Glas unter einem Lot-Anschlußpad.

unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Glas, Lot, Leitbahn und Bauelementwahrend der Abkuhlphase ausbilden. Mit einem geanderten Layout, bei dem von allenAnschlußpads Leitbahnen mit einer Breite vom mindestens 300µm abgehen, konnte dieRißbildung vollstandig unterdruckt werden. Grund hierfur ist, neben dem großeren Vo-lumen der Leitbahnen an jedem Pad, durch das ein langsameres und gleichmaßigeresAbkuhlen stattfindet, die Verteilung der mechanischen Spannung entlang der gesamtenLeitbahn.

Ein interessanter Nebeneffekt ergibt sich aus der Transparenz der Glassubstrate. Beieiner mikroskopischen Inspektion der Lotstellen von der Substratruckseite aus wurdefestgestellt, daß der verwendete Reinigungsprozeß nach dem Lotvorgang (mehrstufigeStandard-Naßreinigung5) nicht ausreichend ist. Unter einigen Bauelementen verbliebenFlußmittelreste und Lotpartikel. Ein Beispiel hierfur ist in Bild 3.9 gezeigt. Diese Ver-unreinigungen konnten erst durch eine Modifikation des Reinigungsprozesses zuverlassigbeseitigt werden.Die Verwendung von Glas als Substratmaterial fur Dickschichtschaltungen konnte des-halb eine interessante Inspektionsmoglichkeit bei der Entwicklung und Erprobung ver-schiedener Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik darstellen. Als Beispiele seienReinigungsprozesse [58], Flip-Chip-Underfill, BGA- oder Flip-Chip-Positionierung undKontaktierung [2, 65, 84] genannt. Ublicherweise mussen fur solche Verfahren aufwendigeInspektionsmethoden wie die akustische Mikroskopie [88] oder Rontgenuntersuchungeneingesetzt werden. Im Einzelfall ist naturlich abzuklaren, inwieweit das zu untersuchendeVerfahren durch die Verwendung eines Glassubstrates beeinflußt wird.

5Reinigung mit ZestronTM und anschließend Isopropanol fur jeweils 3min im Ultraschallbad, dannSpulung mit Isopropanol und nochmalige Reinigung mit Isopropanol fur 3min im Ultraschallbad.Abschließend Spulung mit Ethanol und Trocknung mit Druckluft.


Bild 3.9: Beispiel fur Verunreinigungen unterhalb eines Bauelementes, die aufgrund derTransparenz des Glases von der Substratruckseite aus erkennbar sind.

3.6 Fazit

Prinzipiell ist es moglich, Glas als Substratmaterial fur Dickschichtschaltungen einzu-setzen. Fur die Herstellung von Leitstrukturen konnen kommerziell verfugbare Pasteneingesetzt werden. Die Haftfestigkeit sowie deren Lot- und Bond-Eigenschaften sind aus-reichend. Das Loten als Verfahren zur Kontaktierung elektronischer Bauelemente kanneingesetzt werden, sofern an allen Lotpads Leitbahnen angeschlossen sind.Der Einsatz der untersuchten Dickschichtwiderstande auf Glassubstraten ist problema-tisch. Bei den Widerstanden, die mit Pasten auf Glasbasis hergestellt wurden, war einesehr hohe Ausreißerquote zu verzeichnen. Wahrend der Feuchtelagerung der Widerstandewurden teilweise sehr große, plotzlich auftretende Anderungen des Widerstandswertesregistriert. Widerstande mit den untersuchten Polymerpasten sind, abgesehen von derniederohmigen Paste R15112, in der Herstellung unproblematisch. Die große Drift beiFeuchtelagerung verbietet den Einsatz in Anwendungen, bei denen eine hohe Genauig-keit und Stabilitat des absoluten Widerstandswertes erforderlich ist. Dort, wo nur dasWiderstandsverhaltnis von Bedeutung ist und die Anspruche an die Genauigkeit nichtallzu hoch sind, konnen Polymerwiderstande eingesetzt werden.Leitbahnuberkreuzungen konnten unter Verwendung von Polymerpasten fur den Isolati-onsdruck und fur den oberen Leitbahndruck hergestellt werden. Die Spannungsfestigkeitder Uberkreuzungen ist fur Standardanwendungen hinreichend groß. Problematisch istdie beobachtete Silbermigration, die besonders deutlich unter Einwirkung eines elektri-schen Feldes bei erhohter Umgebungstemperatur und erhohter Luftfeuchte zutage tritt.Außerdem eroffnet die Transparenz der Glassubstrate interessante Moglichkeiten furdie Inspektion bei aufbau- und verbindungstechnischen Problemstellungen. Die Proble-me bei der Herstellung von Dickschichtwiderstanden auf Glas, die Migration bei Leit-bahnuberkreuzungen oder die Risse unter Lotpads konnten durch Betrachtung von der


Ruckseite durch das Glas hindurch sehr einfach festgestellt werden. Die Anwendung die-ser Aufbautechnik beispielsweise fur Untersuchungen im Bereich der Flip-Chip-Technikoder zur Analyse von Reinigungsverfahren ist denkbar.

47

4 Optoelektronische Bauelemente inDickschichttechnik

4.1 Vorbemerkungen

Die Idee, Methoden und Verfahren der Dickschichttechnik auch fur die Herstellung opto-elektronischer Bauelemente einzusetzen, ist keineswegs neu. In der Vergangenheit wurdedieser Ansatz vor allem im Bereich der Solarzellen verfolgt. Bei Solarzellen handelt es sichum großflachige Bauelemente, fur deren Anwendung in der solaren Energieversorgunghohe Stuckzahlen bei geringen Stuckkosten erforderlich sind. Unter diesen Gesichtspunk-ten stellt die Dickschichttechnik eine interessante Fertigungsmethode dar.Fur die Herstellung von Solarzellen in Dickschichttechnik wurde neben Materialsyste-men wie CdS/CuInSe2 [11, 111] oder CdS/CuxS [4, 44] hauptsachlich das MaterialsystemCdS/CdTe untersucht [13, 14, 15, 44]. Die Eigenschaften dieser Solarzellen sind stark vonder Große der Zellenflache abhangig. In [44] wird fur kleine Solarzellen (A = 0,78 cm2) einWirkungsgrad von 12,8%, eine Leerlaufspannung von 0,75V und ein Kurzschlußstromvon 28mA angegeben (Standardbeleuchtung AM1,5). Der nutzbare Wellenlangenbereichder Zellen liegt zwischen ca. 550 nm und 850 nm.Prinzipiell konnen Solarzellenstrukturen auch als Photodioden verwendet werden. Un-tersuchungen uber die Eigenschaften solcher Dickschicht-Photodioden, wie etwa Dun-kelstrom oder dynamisches Verhalten, sind allerdings nicht bekannt.Eine weiterer Typ optoelektronischer Bauelemente, die in Dickschichttechnik realisiertwurden, sind Photowiderstande mit verschiedenen Cadmium-Verbindungen (CdS, CdSe)als Ausgangsmaterial. In [99] findet sich eine ausfuhrliche Darstellung des Herstellungs-verfahrens und der Eigenschaften von CdS-Dickschicht-Photowiderstanden. Ein Ver-gleich zu anderen Herstellungsverfahren zeigt, daß Photowiderstande in Dickschichttech-nik keine wesentlich anderen Merkmale aufweisen. Dies gilt auch fur die Ansprechzeit,die bei Photowiderstanden generell im Bereich mehrerer Millisekunden bis hin zu einigenSekunden liegt. Fur viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der optischen Nach-richtenubertragung, konnen Photowiderstande deshalb nicht eingesetzt werden. Jedocheroffnet die Tatsache, daß mittels der Dickschichttechnik Photowiderstande mit nahezubeliebigen Geometrien herstellbar sind, interessante Moglichkeiten beispielsweise fur die


Sensorik [89].

Zusammenfassend ist festzustellen, daß fur die Realisierung optischer Strahlungsempfan-ger in Dickschichttechnik eine ganze Reihe verschiedener Untersuchungen und Losungenexistieren.Ein ganz anderes Bild bietet sich fur der Herstellung optischer Strahlungsquellen inDickschichttechnik. Die einzigen bislang bekannten optischen Strahlungsquellen, die sichvollstandig in Dickschichttechnik realisieren lassen, sind Elektrolumineszenz-Leuchtzellen.

4.2 Elektrolumineszenz-Leuchtelemente

Bei Elektrolumineszenz-Leuchtzellen wird ein Leuchtstoff durch ein elektrisches Wech-selfeld zur Emission von Licht angeregt. Entdeckt wurde dieser Effekt bereits 1936 vondem franzosischen Physiker Destriau (vgl. [51]). In den 50er Jahren gab es intensiveBestrebungen die physikalischen Grundlagen dieser

”Lichtquelle der Zukunft“ [27] zu

erforschen und optimierte Leuchtstoffe zu entwickeln. Es gelang damals allerdings nicht,Leuchtstoffe mit einer ausreichend hohen Lebensdauer herzustellen. Dieser Umstandfuhrte zusammen mit den enormen Fortschritten, die gleichzeitig bei der Entwicklungvon Leucht- und Laserdioden auf der Basis von III-V-Halbleitern erzielt wurden, zu ei-nem baldigen Nachlassen des Interesses.Erst in den letzten funf Jahren begann sich diese Situation zu andern. Mit einem neu-en Mikro-Verkapselungsverfahren stehen heute Leuchtstoffe mit einer deutlich hoher-en Lebensdauer zur Verfugung. Außerdem gibt es aufgrund der zunehmenden Ver-breitung batteriebetriebener mobiler Gerate mit Flussigkristallanzeigen oder Folien-tastaturen (portable Rechner, Mobiltelefon etc.) einen standig wachsenden Bedarf ankompakten und energiesparenden Hintergrundbeleuchtungen. Fur dieses Einsatzgebietsind Elektrolumineszenz-Leuchtzellen sehr gut geeignet. Die Anzahl der Anbieter vonElektrolumineszenz-Leuchtzellen und den zugehorigen elektronischen Ansteuerbaustei-nen hat deshalb in den vergangenen Jahren standig zugenommen. Inzwischen sind auchkomplette Pastensysteme zur Herstellung von Leuchtelementen kommerziell erhaltlich[114].

4.2.1 Grundlagen der Elektrolumineszenz-Leuchtelemente

Der Begriff der Elektrolumineszenz (EL) bezeichnet die Emission von (optischer) Strah-lung durch einen Stoff bei Zufuhr elektrischer Energie ohne gleichzeitig einhergehendeTemperaturerhohung. Dabei kann zwischen der Injektions-Elektrolumineszenz, die dieBasis fur Leuchtdioden und Halbleiterlaser darstellt, und der durch ein elektrisches Feldangeregten Elektrolumineszenz unterschieden werden. Bei der letzteren gibt es drei ver-schiedene Formen:


• Die bereits sehr weit entwickelte Dunnschicht-Elektrolumineszenz, die vor allemfur Bildschirme verwendet wird [55, 56],

• die gleichfelderregte Dickschicht-Pulver-EL [66, 109, 115], die bislang keine tech-nische Bedeutung erlangt hat, sowie

• die wechselfelderregte Dickschicht-Pulver-Elektrolumineszenz, von der im folgen-den die Rede ist.

Das Ausgangsmaterial fur den in der Dickschicht-Pulver-Elektrolumineszenz verwende-ten Leuchtstoff (Leuchtphosphor) ist Zinksulfid. Bei dem in [49] skizzierten Herstel-lungsverfahren wird das Zinksulfid zunachst unter Zugabe von Aktivatoren (z.B. Kup-fer, Mangan) und Koaktivatoren (Chlor, Jod) bei etwa 1000 C gegluht. Es folgt eineTemperung bei 800 C zusammen mit Schwefel oder bei 500 C mit Cadmiumsulfat.Abschließend wird der Leuchtstoff in Salzsaure oder Kaliumzyanatlosung gewaschen,getrocknet und gesiebt. Fur mikroverkapselte Leuchtstoffe folgt nun ein Prozeßschritt,bei dem die einzelnen Partikel mit einer dunnen Schutzschicht z.B. aus Aluminiumoxidoder Siliziumdioxid uberzogen werden [8, 47, 48, 71, 81, 100]. Diese Schicht fuhrt zueiner hoheren Lebensdauer der Leuchtstoffe indem sie die Partikel vor Feuchtigkeitsein-wirkungen schutzt.Der Standardaufbau eines Dickschicht-EL-Leuchtelementes ist in Bild 4.1 gezeigt. Derpulverformige Leuchtstoff (Korndurchmesser ca. 10µm . . . 30µm) wird in ein Binderma-terial (Glas- oder Kunststoff) eingebettet und zwischen die Elektroden eines Plattenkon-densators eingebracht. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Kondensatorplattenwird der Leuchtstoff durch das resultierende elektrische Feld zur Lichtemission angeregt.Zur Auskopplung des Lichtes besteht eine der Elektroden des Kondensators aus einemoptisch transparenten Material. Haufig wird auch noch eine zusatzliche Dielektrikums-schicht verwendet, die einerseits als optischer Reflektor wirkt und mit der zum andereneine hohere Spannungsfestigkeit der Zelle erzielt werden kann.

Bild 4.1: Prinzipieller Aufbau einer Elektrolumineszenz-Leuchzelle.

Der physikalische Prozeß, der zu der Lichtemission des Leuchtphosphors fuhrt, ist bis-lang nicht vollstandig geklart. Die detaillierteren Modelle basieren auf Untersuchungenan einzelnen Pulverpartikeln des Leuchtstoffes [25] oder an entsprechend praparierten


ZnS-Kristallen [33]. Bild 4.2a zeigt die dort beobachtbaren Leuchterscheinungen. DasLicht wird in Form von Linien, die sich in kleinen Winkeln zum anregenden elektrischenFeld durch die gesamte Partikelgroße erstrecken, emittiert. Die Linien erscheinen wie

”zwei auseinanderstrebende Kometen“ [26]. Die Form der Kometen erscheint mit zuneh-mender Feldstarke immer ausgepragter (siehe Bild 4.2b ). Die beiden Halften leuchtenabwechseln auf, und zwar immer dann, wenn die angrenzende Elektrode positiv wird.

a b

Bild 4.2: (a) Elektrolumineszenz-Leuchterscheinungen an einem praparierten ZnS-Kristall (aus [51]).(b) Die Form der

”Leuchtkometen“ erscheint mit zunehmender Feldstarke

immer ausgepragter (nach [33]).

Nach dem bekanntesten Modell1 [26], welches hier nur verkurzt wiedergegeben wird, ent-halten die Kristallpartikel des Leuchtstoffes aufgrund der sehr ahnlichen Gitterenergiender kubischen und hexagonalen Modifikation des ZnS sehr viele eindimensionale Stapel-fehler und Schraubenversetzungen. In der Abkuhlphase des Herstellungsprozeßes bildensich an diesen Gitterstorungen elektrisch leitende linienformige Einschlusse aus Cu2S.Beim Anlegen eines außeren elektrischen Feldes wird dieses an den leitenden Linien, dieeine Komponente parallel zum elektrischen Feld besitzen, so verzerrt, daß der Einschlußauf konstantem Potential bleibt. Dies fuhrt, wie in Bild 4.3 verdeutlicht, zu einer Feld-verstarkung von der Mitte der leitfahigen Linie zu den Spitzen, wo das Feld sehr vielgroßer als das außere elektrische Feld ist. In diesen Bereichen erhohter Feldstarke findetnun die Erzeugung freier Ladungstrager, die letztendlich zur Lichtemission fuhrt, statt.In dem Modell werden hierzu zwei Mechanismen vorgeschlagen, wobei nicht ausgeschlos-sen wird, daß beide Mechanismen auftreten konnen.Bei der bipolaren Feldemission werden von entgegengesetzten Enden eines leitfahigenEinschlusses Elektronen und Locher in den umgebenden Isolator (ZnS besitzt einenBandabstand von 3,7 eV) emittiert (Bild 4.4a). Der Zusammenhang zwischen dem Emis-sionsstrom I und dem elektrischen Feld E gehorcht zumindest naherungsweise der aus

1In [6, 10] wird ein anderes Modell fur die Effekte in Elektrolumineszenz-Leuchtstoffen vorgestellt. Inder spateren Literatur (z.B. [20]) wird allerdings ausschließlich das beschriebene Modell erwahnt.


Bild 4.3: Feldverstarkung an den Spitzen der leitenden Einschlusse in Leuchtstoffpar-tikeln.

der Vakuum-Feldemission bekannten Fowler-Nordheim-Beziehung [72]:

I = K1E2 exp

(−K2

E

)mit K1, K2 = const.

Die Locher werden nach einer kurzen Distanz von Aktivator-Haftstellen (Traps), dieElektronen nach einer langeren Distanz von Koaktivator-Zentren

”eingefangen“. Das

durch die emittierten Ladungstrager erzeugte Polariationsfeld wirkt dem außeren Feldentgegen und unterbindet letztendlich die weitere Emission. Bei Umkehr des außerenFeldes (Bild 4.4b) finden zwei Prozesse statt. Die eingefangenen Elektronen fließen inden Bereich der eingefangenen Lochern zuruck und rekombinieren strahlend. Zudem wer-den aus dem leitenden Einschluß neue Elektronen emittiert und rekombinieren ebenfallsstrahlend mit den eingefangenen Lochern.

a b

Bild 4.4: Zur Verdeutlichung des grundlegenden Prinzips des bipolaren Feldemissions-Modells (Erlauterungen siehe Text).

Der zweite mogliche Mechanismus zur Erzeugung freier Ladungstrager basiert auf Stoß-ionisation, die im Vergleich zur bipolaren Feldemission hohere Feldstarken erfordert.


Elektronen werden aus Haftstellen im Isolator gelost und wandern in Richtung des lei-tenden Einschlusses. Die Stoßionisation findet in der Hochfeldregion der leitfahigen Liniestatt. Die durch Stoße erzeugten Locher werden dort in Aktivator-Zentren eingefangenund schwachen durch ihre positive Ladung das wirksame Feld. Die Uberschußelektro-nen fließen in den Leiter, von wo sie mittels Feldemission in das ZnS am anderen Endedes Einschlusses gelangen. Dort rekombinieren sie mit eingefangenen Lochern aus demvorhergehenden Zyklus. Ein kleiner Teil der Uberschußelektronen gelangt nicht in denLeiter sondern wandert durch das Kristallvolumen, um mit den gefangenen Lochern di-rekt zu rekombinieren.Die Ladungstrager gelangen demnach wie bei der bipolaren Feldemission auf zwei un-terschiedlichen Wegen zur Rekombination. Ein weiteres gemeinsames Merkmal beiderMechanismen ist das durch die emittierten Ladungstrager hervorgerufene Polarisations-feld. Bei einem schnellen Polaritatswechsel des außeren Feldes (z.B. durch Ansteuerungmit einer Rechteckspannung) addiert sich im ersten Augenblick dieses Polarisationsfeldzu dem außeren Feld. Dies fuhrt zu einer starkeren Ladungstrageremission und damitzu einer hoheren Lichtemission.

Das Modell liefert eine qualitative Beschreibung der Vorgange in der Umgebung einesidealisierten einzelnen leitfahigen Einschlusses in einem Partikel des Leuchtstoffes. Furdie Charakterisierung des Verhaltens realer EL-Leuchtzellen ist das Modell aus verschie-denen Grunden nur bedingt geeignet:

• Jedes Partikel durfte mehrere leitende Einschlusse mit unterschiedlicher Orientie-rung zum anregenden Feld besitzen.

• Die Gestalt der Einschlusse ist vermutlich nur in erster Naherung linienformig.• In einer EL-Leuchtzelle befindet sich eine Vielzahl von Leuchtpartikeln unterschied-licher Große und Geometrie.

• Das Verhalten einer Leuchtzelle hangt vom Aufbau der Zelle und den verwendetenMaterialien ab. Beispielsweise ist das in den Partikeln wirksame elektrische Feldvon der Dielektrizitatszahl und der Schichtdicke der aktiven Schicht (Leuchtstoffin Binder) und der Isolationsschicht abhangig.

Zuverlassige Aussagen uber die optischen, optoelektronischen und elektrischen Eigen-schaften von EL-Leuchtzellen konnen somit nur durch meßtechnische Untersuchungengetroffen werden. Diese wurden vor allem im Hinblick auf die Anwendung von EL-Leuchtzellen durchgefuhrt.

4.2.2 Eigenschaften von Elektrolumineszenz-Leuchtelementen

Fur die Herstellung von EL-Leuchtzellen steht eine Reihe unterschiedlicher Leuchtstof-fe zur Verfugung. Fur die Fertigung der Zellen in Siebdrucktechnik ist daruber hinaus


ein komplettes Polymer-Pastensystem erhaltlich [114], welches fur die Untersuchungenhauptsachlich verwendet wurde. Ein Uberblick uber die verschiedenen Materialien ist inTabelle 4.1 gegeben.

LeuchtstoffeHersteller Bezeichnung Emissions- Symbol ver-

farbe kapseltOS10 gelb ZnS:Mn:Cu •OS20, OS60 blau-grun ZnS:Cu •OS30, OS40, OS50 grun ZnS:Cu •

Osram OS70 weiß a ZnS:Cu, ZnS:Cu:Mn •Sylvania OS523 gelb ZnS:Mn:Cu

OS723, OS813 blau-grun ZnS:CuOS727, OS728, OS729 grun ZnS:CuOS830 weiß a ZnS:Cu, ZnS:Cu:Mn

Riedel-de Haen LUMILUX 54505b grun k.A. k.A.

PastensystemDP7145E, DP7145L SilberleitpasteDP7148E, DP7153E DielektrikumspasteDP7160E transparente Leitpaste (InSn02)DP7162E transparente Leitpaste (SbSn02)

DuPont DP5036, DP5018 transparente AbdeckungDP7141E Paste mit Leuchtstoff, gelb-grunDP7151E Paste mit Leuchtstoff, blau-grunDP7154E Paste mit Leuchtstoff OS40, blau-grunDP7138E a Paste mit Leuchtstoff, weiß

Ingenieurburo ELL-OC/OS10 Paste mit Leuchtstoff OS10, gelbFalkenhagen

aFarbeindruck weiß nur bei bestimmten Anregungsbedingungen.bProduktion 1996 eingestellt.

Tabelle 4.1: Materialien fur die Herstellung von EL-Leuchtzellen [73, 85].

Fur die meßtechnische Erfassung der Eigenschaften von EL-Leuchtzellen wurden Zellenmit den Pasten DP7154E und ELL-OC/OS10 untersucht. Die Paste DP7154E basiert aufdem Leuchtstoff OS40, der im blau-grunen Spektralbereich emittiert. Ahnliche Leucht-stoffe sind in den Pasten DP7141E und DP7151E enthalten, die im wesentlichen diegleichen Eigenschaften aufweisen. Fur den gelb-orangen Spektralbereich wurde die Pa-ste ELL-OC/OS10 mit dem Leuchtstoff OS10 untersucht, der vergleichbare elektrischeund optische Eigenschaften wie die nicht-mikroverkapselte Version OS523 dieses Leucht-stofftyps besitzt.Die Zellen mit einer lichtemittierenden Flache A = 1 cm2 (quadratisch oder kreisformig)


wurden nach Herstellerangaben auf einer mit Indium-Zinn-Oxid (”Indium-Tin-Oxide“,

kurz ITO) beschichteten PET-Folie (Polyethylenterephtalat) in Siebdrucktechnik gefer-tigt. Die verwendeten Materialien und Pasten sind in Tabelle 4.2 aufgefuhrt. Außerdemwurden fur die Erfassung der Emissionsspektren von EL-Leuchtstoffen Zellen mit ei-nem flussigen Bindermaterial (Rizinusol) prapariert (nach [49]). Der Aufbau der beidenZellentypen ist in Bild 4.5 skizziert.

Schicht Dicke Paste/Material BemerkungenTragerfolie 125µm PolyesterITO-Schicht < 1µm InSn02 Flachenwiderstand 200Ω/Leuchtschicht 25µm DP7154EDielektrikum 33µm DP7153E doppelt gedrucktobere Elektrode 30µm DP7145E Ag

Tabelle 4.2: Angaben zu den untersuchten Leuchtzellen.

a b

Bild 4.5: Aufbau von EL-Leuchtzellen fur die meßtechnische Untersuchung (nichtmaßstablich).

4.2.2.1 Emissionsspektrum von EL-Leuchtstoffen

Der spektrale StrahlungsflußΦeλ = dΦe/ dλ wird durch die Dotierung des ZnS-Grund-materials bestimmt. In Bild 4.6a ist der normierte spektrale Strahlungsfluß eines kupfer-und mangandotierten Leuchtstoffes (ZnS:Cu,Mn) dargestellt. Das Emissionsmaximumliegt bei der Wellenlange λp = 580 nm, der Leuchtstoff emittiert ein orangefarbiges Licht.Die spektrale Strahlungsbandbreite2 betragt ∆λ ≈ 64 nm. Bei EL-Zellen, die mit diesemLeuchtstoff hergestellt sind, hangt das Emissionsspektrum weder von der Hohe nochvon der Kurvenform der Anregungsspannung ab; es ist auch nicht von der Frequenz

2Die spektrale Strahlungsbandbreite bezeichnet den Wellenlangenbereich, in dem der spektrale Strah-lungsfluß großer oder gleich der Halfte des maximalen Wertes ist.


der Anregungsspannung abhangig. Das in Bild 4.6b gezeigte Emissionspektrum einesZnS:Cu-Leuchtstoffes ist ebenfalls unabhangig von der Hohe der Anregungsspannung.Die Emissionsspektren bei Ansteuerung mit sinus- und rechteckformigen Spannungen(Tastverhaltnis 50%) stimmen gleichfalls uberein. Allerdings tritt hier eine deutlicheAbhangigkeit von der Frequenz der Anregungsspannung zutage. Bei niedrigen Anre-gungsfrequenzen emittiert der Phosphor im grunen Spektralbereich. Mit zunehmenderAnregungsfrequenz verschiebt sich das Emissionsmaximum in den blauen Spektralbe-reich. Die spektrale Strahlungsbandbreite nimmt dabei geringfugig von ∆λ ≈ 90 nm auf∆λ ≈ 105 nm zu. Bemerkenswert ist auch, daß, wie in Bild 4.7 dargestellt, diese spek-trale Verschiebung weniger stark ausgepragt ist, wenn der Leuchtstoff zuvor mit einerhohen Temperatur beaufschlagt wurde. Eine genauere Aussage uber die Verschiebung

o o

oo

300 400 500 600 700 800

0

0:2

0:4

0:6

0:8

1

e,rel

=nm

bc bc bc bcbcbcbcbcbcbcbcbcbcbcbc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bcbcbcbcbc bc bc bc bc o o

oo

300 400 500 600 700 8000

0:2

0:4

0:6

0:8

1

e,rel

=nm

+ + +++

+

+

+

+

+

+++

+++

+

+

+

+

++++++++++++++++ + + +× × × ××

×

×

×

×

×

×

×

××××

×

×

×

×

×

×××××××××××××× × × × ×bc bc bc bc

bcbcbc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bcbcbc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bcbcbcbcbcbcbcbcbcbcbc bc bc bc bc

f =

(0:4; 4; 10) kHz

a b

Bild 4.6: Emissionsspektren von EL-Phosphoren fur verschiedene Anregungsfreqenzen.(a) ZnS:Cu:Mn-Leuchtstoff, Osram Sylvania, Typ OS523 bzw. Typ OS10; (b)ZnS:Cu-Leuchtstoff, Osram Sylvania, Typ OS50.

des Emissionsspektrums liefert ein Versuch, bei dem die Leuchtzelle mit der in Bild4.8a skizzierten Spannung mit unterschiedlich langen Pulsen angesteuert wird. Von derLeuchtzelle werden bei jedem Polaritatswechsel der Anregungsspannung einzelne

”Lich-

timpulse“ emittiert (Bild 4.8b). Eine Analyse der Spitzenwerte dieser Impulse zeigt, wiein Bild 4.8c dargestellt, daß das Emissionsmaximum des ersten Impulses bei ca. 530 nmliegt. Die Emissionsmaxima des zweiten und dritten Lichtimpulses liegen hingegen beideutlich kleineren Wellenlangen.Eine mogliche Erklarung fur dieses Verhalten wird in [26] gegeben. Demnach ist dieunmittelbare Umgebung der linienformigen Einschlusse, von denen die Ladungstragere-mission ausgeht, reicher an Kupfer als das Kristallvolumen. Die injizierten Ladungstragerdriften unter dem Einfluß des elektrischen Feldes. Wirkt das Feld eine lange Zeit auf dieLadungstrager ein, so findet die anschließende Rekombination im kupferarmen Kristall-volumen statt. Es dominiert somit die grune Emission des ZnS-Kristalles. Bei kurzer


o o

oo

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

470

480

490

500

510

520

530

p=nm

f= kHz

erhitzt bis 430C

nicht erhitzt

bcbc bc bc bc bc bc

bc

bc

rs

rs rs

rs rs rs

rs

rs

rs

Bild 4.7: Abhangigkeit der Wellenlange des Emissionsmaximums von der Anregungs-frequenz fur eine temperaturbehandelte und eine unbehandelte Leuchtstoff-Probe (sinusformige Anregung mit konstanter Spannung, ZnS:Cu-Leuchtstoff,Osram Sylvania, Typ OS50).

Einwirkungsdauer des Feldes findet die Rekombination bevorzugt in den kupferreiche-ren Regionen statt und es herrscht die blaue Emission des kupferreichen ZnS vor. EineErhitzung der Partikel forciert die Abscheidung des Uberschußkupfers an der leitendenLinie und unterdruckt somit die Farbverschiebung.

Aus den gemessenen Emissionsspektren konnen zwei Kennzahlen bestimmt werden, diefur die Anwendung von EL-Leuchtzellen in der Beleuchtungstechnik und im Bereich derSensorik von Bedeutung sind. Das Verhaltnis Kv zwischen dem Lichtstrom Φv und demStrahlungsfluß Φe erlaubt die einfache Umrechnung zwischen radiometrischen Strah-lungsgroßen und den korrespondierenden photometrischen Großen. Es gilt [97]:

Kv =Φv

Φe

= Km

780 nm∫λ=380 nm

Φeλ,rel(λ)V (λ) dλ

∞∫λ=0

Φeλ,rel(λ) dλ

Hierbei bezeichnet Km = 683 lm/W den Maximalwert des photometrischen Strah-lungsaquivalents und V (λ) den spektralen Hellempfindlichkeitsgrad fur das Tagessehen.

Tritt an die Stelle des menschlichen Auges ein anderer Strahlungsempfanger, beispiels-weise eine Si-Photodiode fur Sensorapplikationen, so wird der Zusammenhang zwischendem Photostrom IPh der Diode und dem einfallenden Strahlungsfluß Φe durch das


o o

oo

Us

0

+Us

UEL

o o

oo

0 1 2 3 4 5 6 7

0

e

e

t=ms

32

1

a

b

o o

oo

350 400 450 500 550 600 6500

0:2

0:4

0:6

0:8

1

e;rel

=nm

2,3

1

bcbc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bcbc bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc bc

rs rs rsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rsrs rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

c

Bild 4.8: Zur Anderung des Emissionsspektrums bei Ansteuerung mit unterschiedli-chen langen Pulsen (Erlauterung siehe Text). (a) Ansteuerspannung; (b) zeit-licher Verlauf der emittierten Strahlungsleistung; (c) normierter spektralerStrahlungsfluß der drei

”Lichtimpulse“.


Verhaltnis

KFD =IPhΦe

=

∞∫λ=0

Φeλ,rel(λ)S(λ) dλ

∞∫λ=0

Φeλ,rel(λ) dλ

beschrieben. Der Term S(λ) kennzeichnet die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode.

Fur die untersuchten Leuchtstoffe sind die Kennzahlen Kv und KFD (fur eine typischeSi-Photodiode [31]) in Tabelle 4.3 aufgefuhrt.Da das Emissionsspektrum des blau-grun emittierenden Leuchtstoffes OS40 von derFrequenz der Anregungsspannung abhangt, andern sich auch die Faktoren Kv und KFD

mit der Frequenz. Im Vergleich zu dem gelb-orange emittierenden Leuchtstoff OS10 sinddie Kennzahlen allerdings stets kleiner. Dies bedeutet, daß bei gleichem Strahlungsflußdie gelb-orange emittierenden Leuchtzellen als

”heller“ wahrgenommen werden und bei

einer Si-Photodiode einen großeren Signalstrom liefern.

Paste DP7154, Leuchtstoff OS40f in kHz 0,4 0,8 4 10 20Kv in lm/W 377 361 295 252 228KFD in A/W 0,278 0,275 0,258 0,248 0,242

ELL-OC/OS10, Leuchtstoff OS10Kv in lm/W 446KFD in A/W 0,342

Tabelle 4.3: Kennzahlen Kv und KFD aus den Emissionsspektren der untersuchtenLeuchtstoffe (Erlauterungen siehe Text).

Außer den beiden beschriebenen Leuchtstofftypen mit Kupfer- und Kupfer-Mangando-tierung sind keine anderen Leuchtstoffe kommerziell verfugbar. Leuchtzellen, die ein an-dersfarbiges Licht emittieren, konnen jedoch mit Fluoreszenzfarbstoffen3 [62] realisiertwerden. Diese photolumineszierenden Substanzen absorbieren Strahlung in einem be-stimmtenWellenlangenbereich und emittieren Strahlung in einem anderen Wellenlangen-bereich. Das Emissionsspektrum ist im Vergleich zum Absorptionsspektrum zu großerenWellenlangen hin verschoben (Stokes-Verschiebung).Es gibt eine große Auswahl an Fluoreszenzfarbstoffen, so daß sich eine breite Palettevon Leuchtfarben zwischen grun und dunkelrot herstellen laßt. Auch die Mischfarbeweiß kann, wie auch bei weißen Leuchtdioden [96], so realisiert werden.

3Auch als ”Tagesleuchtfarben“ bezeichnet.


4.2.2.2 Abstrahlcharakteristik von EL-Leuchtzellen

Die Richt- oder Abstrahlcharakteristik einer optischen Strahlungsquelle beschreibt dieraumliche Verteilung der Strahl- und Leuchtstarke. Die Messung wurde an planarenZellen4 mit einer kreisformigen Leuchtflache durchgefuhrt. Aufgrund der Rotationssym-metrie ist es ausreichend, die Winkelabhangigkeit der Strahlstarke auf einem Kreisbo-gen um den Mittelpunkt der Leuchtflache zu messen. Die normierte RichtcharakteristikIrel(ϑ) , d.h. die auf den Maximalwert bezogene Strahlstarke Ie bzw. Leuchtstarke Ivist in Bild 4.9 dargestellt. Der Winkel ϑ1/2, bei dem die Strahldichte auf die Halfte desMaximalwertes abgesunken ist, betragt ca. 72. Fur die Praxis bedeutet dies, daß dieLichtemission auch noch fur große Betrachtungswinkel gut erkennbar ist.

10

20

30

40

50

60

70

80

90

#

bb

b

b

b

b

b

b

b

0:0

0:2

0:4

0:6

0:8

1:0

Irel

0

15

30

45

60

75

90

#

b b bb

b

b

b

b

b

Bild 4.9: Abstrahlcharakteristik einer Elektrolumineszenz-Leuchtzelle auf einer (plana-ren) ITO-beschichteten Folie. Zum Vergleich ist eine Lambertsche Abstrahl-charakteristik dargestellt (gestrichelt).

4.2.2.3 Strahlungsemission in Abhangigkeit von der elektrischen Anregung

Die von einer EL-Leuchtzelle emittierte Strahlungsleistung wird ganz wesentlich durchdie Kurvenform, die Amplitude und die Frequenz der Ansteuerspannung bestimmt. Alsoptische Große zur Charakterisierung der Zusammenhange wird die Strahldichte Le bzw.die Leuchtdichte Lv der Zellen verwendet. Die Messung der Strahldichte erfolgte auf der

4Leuchtzellen auf einer ITO-beschichteten Folie konnen auch gebogen werden. Bei einer Folienstarkevon 125µm lassen sich Biegeradien bis zu 5mm erreichen. Solche Zellen weisen eine ganzlich andereAbstrahlcharakteristik auf.


Mittelachse der Leuchtflache (A = 1 cm2) in einem Raumwinkel Ω ≤ 0,0025 sr. Im fol-genden wird zunachst ausschließlich das Verhalten von Zellen mit der LeuchtstoffpasteDP7154E diskutiert.Aufgrund der einfachen technischen Realisierbarkeit werden EL-Leuchtzellen zumeistmit einer sinus- oder rechteckformigen Spannung (Tastverhaltnis 50%) angesteuert. Beieiner rechteckformigen Anregung wird, wie in Bild 4.10 dargestellt, bei jedem Polaritats-wechsel der Ansteuerspannung ein

”Strahlungsimpuls“ emittiert. Zwischen dem Anstieg

o o

oo

0 0:1 0:2 0:3 0:4 0:5

Us

0

+Us

0

2

4

6

8

L

e=

W

/m2sr

t=ms

Ue = Us

U

o o

oo

0:1 0:12 0:140

0:2

0:4

0:6

0:8

1

L

e

=

^ Le

t=ms

Ue = Us

Bild 4.10: Zeitlicher Verlauf der Strahldichte bei der ansteigenden Flanke einer recht-eckformigen Anregungsspannung U mit unterschiedlichen EffektivwertenUeff = Us = 70V, 115V, 200V (Zelle mit Leuchtstoffpaste DP7154E).

(bzw. dem Abfall) der Ansteuerspannung und dem Beginn der Strahlungsemission liegteine Verzogerungszeit von ca. 1µs bis 3µs. Der Anstieg bis zum Maximalwert Le desStrahlungsimpulses erfolgt innerhalb von 11µs bis 14µs. Das Abklingen des Impulsesnach dem Maximum bei t = t0 kann formal durch die Uberlagerung zweier Exponenti-alfunktionen beschrieben werden:

Le(t) = Le1

1 + α

(e− t−t0

τ1 + αe− t−t0

τ2

)fur t ≥ t0 . (4.1)

Es ist eine naheliegende Annahme, daß diese beiden Exponentialfunktionen in direktemZusammenhang mit den zwei verschiedenen Wegen der rekombinierenden Ladungstrageraus dem Elektrolumineszenz-Modell (Kapitel 4.2.1) stehen.


Die Parameter τ1 und τ2 in Gleichung (4.1) sind nicht von der Hohe sondern nur, wie inBild 4.11 dargestellt, von der Frequenz der Ansteuerspannung abhangig. Der Parameter

o o

oo

0 1 2 3 4

60

70

80

90

100

110

1=s

f= kHz

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

o o

oo

0 1 2 3 4

8

10

12

14

16

2=s

f= kHz

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

a b

Bild 4.11: Frequenzabhangigkeit der Parameter τ1 und τ2 aus Gleichung (4.1) fur EL-Zellen mit der Paste DP7154.

α (α ≈ 2 . . . 4) sowie der Spitzenwert Le hangen hingegen sowohl von der Frequenz alsauch vom Effektivwert der Ansteuerspannung ab.Die Beziehung zwischen dem Spitzenwert Le und dem Effektivwert Ueff kann durch dieFunktion

Le = Le,0 exp[− (Ur/Ueff)

γ]

(4.2)

mit den Konstanten γ ≈ 0,70 . . . 0,75 und Ur beschrieben werden.Der Spitzenwert zeigt nur eine geringe Abhangigkeit von der Frequenz der Anregungs-spannung; es gilt in guter Naherung

Le ∼(

f

Hz

)β

mit β ≈ 0,1 . . . 0,2 . (4.3)

Die Abhangigkeit desMittelwertes der emittierten Strahldichte vom Effektivwert Ueff derAnsteuerspannung ist durch eine ahnliche Gleichung wie (4.2) beschreibbar (siehe Bild4.13):

Le = Le,0 exp[− (U0/Ueff)

γ] . (4.4)

Fur den Exponenten γ gilt hier5 γ ≈ 0,5 . . . 0,7.Der Mittelwert Le der Strahldichte kann naherungsweise auch durch Integration der

5In der Literatur (z.B. [26]) wird zumeist γ = 0,5 angegeben.


Gleichung (4.1) berechnet werden. Zur Vereinfachung wird hierbei angenommen, daßdie Parameter α, τ1 und τ2 fur die beiden ”

Strahlungsimpulse“ bei der ansteigendenund abfallenden Flanke der Anregungsspannung identisch sind. Außerdem wird ange-nommen, daß die Anstiegsfunktion der Impulse (vom Beginn der Emission bis zumErreichen des Maximums bei t = t0) nur geringfugig zum Mittelwert Le beitragen. Mitder Periodendauer T = 1/f der Ansteuerspannung gilt dann:

Le =2

T

∫ T/2

0

Le(t) dt

=2

TLe

1

1 + α

∫ T/2

0

(e−t/τ1 + α e−t/τ2

)dt

=2

TLe

1

1 + α

(τ1 + ατ2 − τ1 e

−T/2τ1 − ατ2 e−T/2τ2

)= 2fLe

1

1 + α

(τ1 + ατ2 − τ1 e

−1/2fτ1 − ατ2 e−1/2fτ2) .

Im Bereich typischer Ansteuerfrequenzen f ≈ 0,2 kHz . . . 4 kHz gilt in guter Naherung

τ1 ατ2 und

τ1 e−1/2fτ1 ατ2 e

−1/2fτ2 .

Damit ergibt sich

Le ≈ 2fLe1

1 + α

[τ1

(1− e−1/2fτ1

)]. (4.5)

Mit den Beziehungen (4.2) und (4.4) kann daraus die Spannungsabhangigkeit des Para-meters α ermittelt werden:

Le = Le,0 exp[− (U0/Ueff)

γ]= 2fLe,0 exp

[− (Ur/Ueff)

γ] 1

1 + α

[τ1

(1− e−1/2fτ1

)]⇒ α ∼ exp

[(Ur/Ueff)

γ − (U0/Ueff)γ] − 1

Alle gemessenen Verlaufe stimmen gut mit den nach Beziehung (4.1) berechneten Ver-laufen uberein. Dies ist in Bild 4.12 beispielhaft fur zwei unterschiedliche Anregungsbe-dingungen verdeutlicht.Vernachlassigt man die Frequenzabhangigkeit des Spitzenwertes Le nach Beziehung (4.3)und geht außerdem davon aus, daß der Term 1

1+αin erster Naherung als frequenzun-

abhangig betrachtet werden kann (im interessierenden Betriebsbereich gilt α ≈ 2 . . . 4und somit 1

1+α≈ 0,2 . . . 0,33), so beschreibt Gleichung (4.5) auch die Abhangigkeit


o o

oo

0 40 80 120 160 2000

0:2

0:4

0:6

0:8

1

L

e(t)=^ Le

t= s

×××××××××××××××××××××

×

×

×

××××××××××××××××××××××

××××××××××××××××××××××××××××××××

× Messung

Approximation

o o

oo

0 20 40 60 80 1000

0:2

0:4

0:6

0:8

1

L

e(t)=^ Le

t= s

×××××××××××××××××

×

×

×

×

×

×

×

××××××××××××××××××××××

××××××××××××××××××××××××××××××××

× Messung

Approximation

a b

Bild 4.12: Beispiele fur die Approximation der Abklingfunktion der emittierten”Strah-

lungsimpulse“ durch die Funktion nach Gleichung (4.1) bei Rechteckanre-gung mit unterschiedlichen Spannungen und Frequenzen.(a) Ueff = 50V, f = 400Hz, ansteigende Flanke der Anregungsspannung;(b) Ueff = 150V, f = 4 kHz, abfallende Flanke der Anregungsspannung.

des Mittelwertes Le von der Frequenz der (rechteckformigen) Anregungsspannung. Bild4.13 zeigt einen Vergleich zwischen gemessenen Werten und berechneten Werten nachGleichung (4.5). Großere Fehler treten nur bei hoheren Anregungsfrequenzen auf; diemaximale Abweichung betragt jedoch stets weniger als 10%.

Bei Ansteuerung einer Elektrolumineszenz-Leuchtzelle mit einer Rechteckspannung wirddie mittlere Strahldichte nicht nur durch die Hohe und Frequenz der Anregungsspannungbestimmt. Aufgrund der Wirkung des in Kapitel 4.2.1 beschriebenen Polarisationsfeldesist die Strahldichte daruber hinaus auch von der Flankensteilheit des Signals abhangig.Bild 4.14 zeigt das Verhalten der mittleren Strahldichte bei Anderung der Anstiegszeittr der Rechteckspannung. Die Ansteuerung erfolgte hierbei mit einer Rechteckspannungmit einem Tastverhaltnis von 50%, einer Frequenz f = 1/T = 400Hz und ungefahrgleichen Anstiegs- und Abfallszeiten.Bei konstantem Spitzenwert der Anregungsspannung nimmt die Strahldichte mit zuneh-mender Anstiegszeit ab. Im Extremfall bei tr

T/2= 0,8 (d.h. Anregung mit einer drei-

eckformigen Spannung) fallt die Strahldichte auf etwa 40% . . . 50% des Wertes, der sichbei minimaler Anstiegszeit erzielen laßt, ab. Bei konstantem Effektivwert der Anregungs-spannung steigt hingegen die Strahldichte mit zunehmender Anstiegszeit an.


o o

oo

40 60 80 100 120 140 160 1800

0:2

0:4

0:6

0:8

1

1:2

1:4

1:6

1:8

2

Le=

W/m2sr

Ue=V

4kHz

1 kHz

0; 4 kHz◊◊

◊◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

rsrs

rsrs

rsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

× × × × × × × × × × × × ×

o o

oo

0 0:5 1 1:5 2 2:5 3 3:5 40

0:2

0:4

0:6

0:8

1

1:2

1:4

1:6

1:8

Le=

W/m2sr

f= kHz

Ue = 150V

Ue = 100V

Ue = 50Vrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

++

+ + +

+

+

× × × × × ××

a b

Bild 4.13: Abhangigkeit der mittleren Strahldichte vom Effektivwert (a) und der Fre-quenz (b) der rechteckformigen Anregungsspannung (EL-Zelle mit PasteDP7154; gemessene Werte sind als Einzelpunkte, berechnete Werte nachGleichung (4.4) bzw. Gleichung (4.3) als durchgezogene Linie dargestellt).

o o

oo

0 0:2 0:4 0:6 0:80:4

0:5

0:6

0:7

0:8

0:9

1

L

e(tr)

L

e(tr;m

in)

tr

T=2

Us = 75V; 115V; 150V

◊

◊◊

◊◊

◊◊

◊

◊

◊

◊

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×o o

oo

0 0:2 0:4 0:6 0:80:9

1

1:1

1:2

1:3

1:4

1:5

1:6

L

e(tr)

L

e(tr;m

in)

tr

T=2

Ue = 75V; 115V; 150V◊ ◊ ◊◊

◊◊

◊◊

rs rsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

× ××

××

×

×

×

×

×

×

a b

Bild 4.14: Normierte mittleren Strahldichte bei Anderung der Anstiegszeit tr der

”rechteckformigen“ Ansteuerspannung (f = 1/T = 400Hz, Anstiegszeit tr≈ Abfallszeit tf ).(a) bei konstantem Spitzenwert der Spannung;(b) bei gleichzeitig konstantem Effektivwert der Spannung.


Wird die Leuchtzelle nicht mit einer rechteckformigen sondern mit einer sinusformigenSpannung angesteuert, so ergeben sich die in Bild 4.15 gezeigten Zeitverlaufe fur dieemittierte Strahldichte. Bei nicht zu hohen Anregungsfrequenzen konnen deutlich zweiMaxima unterschieden werden. Das kleinere Nebenmaximum erscheint mit zunehmen-der Frequenz immer weniger ausgepragt (siehe auch [61]). Es wird vermutet [26], daß diebeiden Maxima wiederum in direktem Zusammenhang mit den zwei verschiedenen We-gen der rekombinierenden Ladungstrager aus dem Elektrolumineszenz-Modell stehen.

o o

oo

200

0

200

U=V

o o

oo

0 0:1 0:2 0:3 0:4 0:5 0:6 0:7 0:8 0:9 10

1

2

3

Le=W

/m2sr

t=T

f = 4kHz

o o

oo

0

0:3

0:6

Le=W

/m2sr f = 0; 4 kHz1

2

c

b

a

Bild 4.15: Zeitverlaufe der emittierten Strahldichte einer EL-Leuchtzelle mit derLeuchtstoffpaste DP7154E bei Anregung mit sinusformigen SpannungenU unterschiedlicher Frequenz. Bei nicht zu hohen Anregungsfrequenzen istdeutlich ein Hauptmaximum (1) und ein Nebenmaximum (2) erkennbar.

Der Minimal- und Maximalwert der Strahldichte, Le,min bzw. Le,max, der Mittelwert Le

und die Hohe des Nebenmaximums, Le,sek hangen von der Hohe der Anregungsspannungab. Diese Großen gehorchen einer Funktion ahnlich Gleichung (4.2):

Le ∼ exp[− (Um/Ueff)γ] , γ ≈ 0,4 . . . 0,7

Le,min ∼ exp[− (Ul/Ueff)γl ] , γl ≈ 0,5 . . . 0,7

Le,max ∼ exp [− (Uh/Ueff)γh ] , γh ≈ 0,5 . . . 0,9

Le,sek ∼ exp [− (Usek/Ueff)γsek ] , γsek ≈ 0,7

(4.6)


Der Verlauf der Großen Le,min, Le,max und Le als Funktion des Effektivwertes der Anre-gungsspannung ist in Bild 4.16a dargestellt.Die Abhangigkeit des Mittelwertes Le von der Frequenz der Anregungsspannung laßtsich durch die Beziehung

Le ∼[ln

(1 +

f

1Hz

)]βmit β ≈ 5 . . . 5,5 (4.7)

beschreiben. Dieser Ausdruck liefert, wie in Bild 4.16b gezeigt, eine sehr gute Approxi-mation uber einen großen Frequenzbereich 0,2 kHz ≤ f ≤ 20 kHz.

o o

oo

50 100 150 200102

101

100

101

Le=W/m2sr

Ue=V

Le;max

Le;min

Le

Le;max

Le;min

Le×

×

×× ×

×

×

×

×× ×

×

×

×

×× ×

×

×

×

× × ×× ×

×

××

×× ×

×

×

×

×× ×

××

f = 0; 4 kHz

f = 4kHz

o o

oo

102 103 1040

0:5

1

1:5

2

2:5

Le=

W/m2sr

f=Hz

Ue = 175V Ue = 115V

Ue = 75V

×

×

×

×

×

×

××

×

×

××

×

×

×

× × ××

×× ×

×

×

×

×

a b

Bild 4.16: (a) Abhangigkeit des Maximalwertes Le,max, des Minimalwertes Le,min unddes Mittelwertes Le der emittierten Strahldichte vom Effektivwert der An-steuerspannung bei sinusformiger Anregung mit verschiedenen Frequenzen.(b) Mittelwert Le als Funktion der Frequenz der Anregungsspannung.(Zelle mit Paste DP7154. Dargestellt sind gemessene Werte (×) und berech-nete Werte nach Gleichung (4.6) bzw. (4.7).)

Vergleicht man die Strahl- und Leuchtdichten bei sinusformiger und bei rechteckformigerAnregungsspannung (Tabelle 4.4), so ist festzuhalten, daß bei gleichem Effektivwertdie sinusformige Spannung stets eine großere Strahl- und Leuchtdichte liefert. DieserEffekt ist bei kleinen Spannungen und niedrigen Frequenzen besonders ausgepragt. Mitzunehmender Spannung wird der Unterschied allerdings immer kleiner.Ein anderes Bild ergibt sich, wenn die sinusformige und die rechteckformige Spannungden gleichen Spitzenwert besitzen6. In diesem Fall ist die Leucht- und Strahldichte beirechteckformiger Anregung deutlich großer als bei sinusformiger Anregung.

6Dieser Fall ist von Bedeutung, wenn die Anregungsspannung durch Wechselrichtung aus einer Gleich-spannung erzeugt wird.


Gleicher Effektivwert der Spannung fur Sinus- und RechteckanregungSinusanregung Rechteckanregung

fkHz

UeffV

Le

W/m2srLv

cd/m2Le

W/m2srLv

cd/m2Le,Sinus

Le,Rechteck

75 0,10 39,5 0,07 27,7 1,430,4 115 0,21 79,5 0,18 66,6 1,19

175 0,37 138,7 0,36 134,0 1,0375 0,53 156,8 0,44 129,1 1,22

4 115 1,14 335,6 1,04 306,4 1,10175 2,08 614,4 2,06 609,0 1,01

Gleicher Spitzenwert der Spannung fur Sinus- und RechteckanregungSinusanregung Rechteckanregung

fkHz

UsV

Le

W/m2srLv

cd/m2Le

W/m2srLv

cd/m2Le,Sinus

Le,Rechteck

75 0,05 19,8 0,07 27,7 0,720,4 115 0,12 45,6 0,18 66,6 0,68

175 0,23 88,3 0,36 134,0 0,6675 0,25 74,2 0,44 129,1 0,58

4 115 0,62 183,4 1,04 306,4 0,60175 1,27 376,5 2,06 609,0 0,62

Tabelle 4.4: Vergleich der mittleren Strahl- und Leuchtdichten fur sinus- und recht-eckformige Anregung (Rechteckspannung mit tr ≈ tf = 15µs, Zellen mitLeuchstoffpaste DP7154E).

Bislang wurde ausschließlich das Verhalten von Zellen mit der Leuchtstoffpaste DP7154E,deren Leuchtstoff OS40 im blau-grunen Spektralbereich emittiert, diskutiert. Elektrolu-mineszenz-Zellen mit dem Leuchtstoff OS10 (Paste ELL-OC/OS10) fur den gelb-orangenSpektralbereich besitzen qualitativ sehr ahnliche Eigenschaften. In quantitativer Hin-sicht sind jedoch einige sehr markante Unterschiede festzustellen:

• Das bei sinusformiger Anregung beobachtbare Nebenmaximum im Zeitverlauf deremittierten Strahldichte (Bild 4.15) ist bei diesem Leuchtstofftyp extrem schwachausgepragt.

• Der zeitliche Verlauf der Strahldichte bei Rechteckanregung kann unverandertdurch Gleichung (4.1) beschrieben werden. Die Zeitkonstanten τ1 und τ2 sind je-doch um den Faktor 5 . . . 8 großer. Der Gewichtungsfaktor α ist sehr viel kleinerund der Spitzenwert der Strahldichte betragt nur 1

60bis 1

100des Spitzenwertes der

Zellen mit dem Leuchtstoff OS40.

• Der Mittelwert der Strahldichte ist bei gleicher elektrischer Anregung um denFaktor 8 . . . 14 kleiner. Gleiches gilt fur die mittlere Leuchtdichte.


Fur den Einsatz in der Beleuchtungstechnik bedeutet dies, daß uberall dort, wo die Wel-lenlange des emittierten Lichtes keine Rolle spielt, die blau-grun emittierenden Leucht-stoffe zu bevorzugen sind7. Auch in anderen Anwendungsgebieten, wie der Sensorik oderder Nachrichtenubertragung, sind bis auf die unterschiedlichen Emissionsspektren keinezwingenden Grunde fur den Einsatz der gelb-orange emittierenden Leuchtstoffe erkenn-bar.

4.2.2.4 Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad von EL-Leuchtzellen

Bei Ansteuerung einer Elektrolumineszenz-Leuchtzelle mit einer sinusformigen Spannungder Frequenz f weist das Spektrum des Stromes durch die Zelle Oberschwingungen beiden Frequenzen fn = nf mit n ∈ N auf. Allerdings liegt im typischen Betriebsbereichder Zellen bei Ueff = 60V . . . 200V und f = 400Hz . . . 4 kHz das Verhaltnis der Am-plitude der großten Oberschwingung (bei n = 3) zur Amplitude der Grundschwingungbei maximal 6%. Die Amplituden aller weiteren Oberschwingungen sind kleiner als 1%der Grundschwingungsamplitude. Somit kann in dem angegebenen Betriebsbereich eineLeuchtzelle zumindest naherungsweise als lineares Element betrachtet werden.In Bild 4.17 ist exemplarisch die frequenzabhangige Admittanz Y (jω) = G(ω) + jB(ω)einer Zelle mit einer Leuchtflache A = 8,82 cm2 dargestellt. Der Realteil G und derImaginarteil B der Admittanz andern sich um maximal ±10% uber den gesamten Be-triebsspannungsbereich. Fur den gezeigten Admittanzverlauf gilt in guter Naherung

G(ω) = ωK mit K = 0,44 · 10−9As/V, (4.8)

B(ω) = ωC mit C = 4,05 · 10−9As/V. (4.9)

Bei den untersuchten Leuchtzellen mit Flachen A ≤ 10 cm2 ist die Admittanz propor-tional zur Flache.

Die Wirkleistung PW , die Scheinleistung PS und der Leistungsfaktor cosϕ = PW/PS

konnen aus den Gleichungen (4.8) und (4.9) berechnet werden:

PW = G(ω)Ueff2 = ωKUeff

2

PS = |Y (jω)|Ueff2 = ωUeff

2√K2 + C2 ≈ ωCUeff

2 fur C K

cosϕ = PW/PS ≈ K/C ≈ 0,1 . . . 0,14.

Zur Ermittlung des elektrisch-optischen Wirkungsgrades η muß die emittierte Strah-lungsleistung Φe bekannt sein. Diese laßt sich aus der gemessenen Strahldichte Le undder bereits diskutierten Abstrahlcharakteristik der Zellen bestimmen. Die auf die Leucht-flache A bezogene Wirkleistungsaufnahme und der elektrisch-optische Wirkungsgrad fur

7In der Tat finden sich in kommerziellen Produkten kaum gelb-orange emittierende Leuchtzellen.


o o

oo

102

103

104

107

106

105

104

G=S

f=Hz

×

××

××

××

××

×

×

o o

oo

102

103

104

106

105

104

103

B=S

f=Hz

×

××

××

××

××

×

×

a b

Bild 4.17: Realteil G und Imaginarteil B der Admittanz Y einer EL-Zelle als Funktionder Frequenz (Anregungsspannung Ueff = 115V, Leuchtflache A = 8,82 cm2,Paste DP7154E).

eine typische Leuchtzelle sind in Bild 4.18 als Funktion der Anregungsfrequenz dar-gestellt. Da die Wirkleistung proportional mit der Frequenz und quadratisch mit derSpannung ansteigt, die emittierte Strahlungsleistung jedoch einen geringeren Anstieguber der Anregungsfrequenz bzw. der Anregungsspannung aufweist, nimmt der Wir-kungsgrad mit zunehmender Strahlungsleistung ab.

Bei Ansteuerung einer EL-Zelle mit einer rechteckformigen Spannung und einer si-nusformigen Spannung mit jeweils gleichem Effektivwert wird bei der rechteckformi-gen Ansteuerung eine kleinere Strahlungsleistung emittiert (Tabelle 4.4). Gleichzeitigfolgt aus der Fourier-Reihenentwicklung, daß die Amplitude der Grundschwingung die-ser Rechteckspannung großer ist als die Amplitude der sinusformigen Spannung. Somitist auch die aufgenommene Wirkleistung großer. Insgesamt ergibt sich demnach fur dieAnsteuerung mit einer rechteckformigen Spannung ein geringerer Wirkungsgrad.Die elektrischen und elektrisch-optischen Kennwerte einer typischen Leuchtzelle bei si-nusformiger und rechteckformiger Anregung sind in Tabelle 4.5 zusammengestellt.


o o

oo

102

103

104

104

103

102

101

Pw

=A

W

/cm2

f=Hz

Ue = 75V; 115V; 175V

◊

◊◊

◊ ◊◊

◊◊

◊

◊

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

×

××

× ××

××

×

×

×

o o

oo

102

103

104

0

2

4

6

8

=%

f=Hz

Ue = 75V; 115V; 175V

◊ ◊ ◊ ◊ ◊◊

◊ ◊◊

◊

rsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

×

××

× ×

×

××

×

×

a b

Bild 4.18: Flachenbezogene Wirkleistungsaufnahme (a) und elektrisch-optischer Wir-kungsgrad (b) einer typischen EL-Leuchtzelle (DP7154E) als Funktion derFrequenz bei sinusformiger Ansteuerung mit verschiedenen Anregungsspan-nungen.

f in Hz 400 4000Ueff in V 75 115 175 75 115 175Φe/A in mW/ cm2 0,044 0,092 0,167 0,225 0,507 1,002PW/A in mW/ cm2 0,64 1,63 4,07 6,42 16,11 40,78η in % 6,86 5,66 4,10 3,50 3,15 2,46PS/A in mVA/ cm

2 6,19 15,73 39,37 59,64 150,85 377,64Sinus-

anregung

cosϕ 0,103 0,103 0,103 0,108 0,107 0,108

Φe/A in mW/ cm2 0,035 0,075 0,137 0,189 0,445 0,828PW/A in mW/ cm2 1,11 3,09 6,39 8,02 22,73 49,15η in % 3,15 2,44 2,15 2,36 1,96 1,68

Rechteck-

anregung

PS/A in mVA/ cm2 25,7 63,0 140,7 85,1 214,4 464,9

Tabelle 4.5: Strahlungsleistung Φe , Wirk- und Scheinleistung PW bzw. PS (jeweils be-zogen auf die Leuchtflache), Leistungsfaktor cosϕ und elektrisch-optischerWirkungsgrad η einer typischen Leuchtzelle bei sinusformigen und recht-eckformigen Anregungsspannungen mit unterschiedlichen Effektivwertenund Frequenzen (Leuchtflache A = 8,82 cm2, Paste DP7154E).


4.2.2.5 Temperaturverhalten

Das Temperaturverhalten von Elektrolumineszenz-Leuchtelementen wurde im Bereich266K . . . 358K untersucht. Innerhalb dieses Temperaturbereiches bleibt das Emissions-spektrum der Zellen nahezu unverandert. Bei einer Temperaturanderung von 266K auf358K verschiebt sich das Emissionsmaximum um ca. 5 nm hin zu großeren Wellenlangen.Im Gegensatz dazu ist die Temperaturabhangigkeit der Strahldichte der Zellen, wie inBild 4.19 gezeigt, sehr deutlich ausgepragt. Fur unterschiedliche Anregungsfrequenzenergeben sich unterschiedliche Temperaturverlaufe. Eine Abhangigkeit des Temperatur-ganges von der Kurvenform und der Hohe der Anregungsspannung konnte hingegen nichtbeobachtet werden.Eine mogliche Erklarung fur dieses Verhalten liefert die bereits diskutierte Frequenz-abhangigkeit des Emissionsspektrums (Kapitel 4.2.2.1), wenn man davon ausgeht, daßdie beiden Rekombinationszentren im ZnS-Kristallvolumen bzw. in der unmittelbarenUmgebung der elektrisch leitenden Einschluße eine unterschiedliche Temperaturempfind-lichkeit aufweisen.

o o

oo

260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360

0:7

0:8

0:9

1

1:1

1:2

1:3

1:4

L

e(T

)

L

e(T

=

300K)

T=K

f = 4kHz

f = 400Hz

bcbc

bcbc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bcbc bc

bc

bc

bc

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs rs rs

rs

rs

rs

rs

Bild 4.19: Normierte Strahldichte einer Leuchtzelle bei zwei verschiedenen Anregungs-frequenzen als Funktion der Temperatur. (Bezugswert bei T = 300K, si-nusformige Anregung mit Ueff = 115V bei f = 400Hz und f = 4 kHz,Leuchtstoffpaste DP7154E).

4.2.2.6 Langzeitverhalten

Ein großer Nachteil von Elektrolumineszenz-Leuchtzellen ist die Abnahme der Strahl-bzw. Leuchtdichte wahrend der Betriebsdauer. Diese Degradation ist ein wesentlicher


Grund dafur, daß Elektrolumineszenz-Leuchtelemente bis heute nur in wenigen Appli-kationen eingesetzt werden.Das Langzeitverhalten von EL-Zellen ist von sehr vielen Parametern abhangig: der Auf-bau der Zelle, die eingesetzten Materialien [113], die Art der elektrischen Ansteuerung,die Umweltbedingungen und die Vorbehandlung der Zelle spielen eine Rolle. Einige derEffekte, die bei der Alterung von EL-Zellen beobachtet werden konnen sind in [76, 110]beschrieben. Das Zusammenspiel der verschiedenen Parameter und die Ursachen furdie Degradation sind bislang jedoch nicht geklart. Eine umfangreiche Ubersicht uberverschiedene Untersuchungsergebnisse ist in [29] gegeben. Demzufolge wird die Degra-dation der Zellen durch erhohte Umgebungstemperatur, Einwirkung von Feuchtigkeitund UV-Bestrahlung beschleunigt. Es erscheint als gesichert, daß an der Alterung derLeuchtzellen zwei oder mehr Degradationsprozesse beteiligt sind. Bezuglich der elektri-schen Ansteuerung besitzt vor allem die Hohe der Ansteuerfrequenz einen maßgeblichenEinfluß auf das Langzeitverhalten. Die Große der Anregungsspannung ist von unterge-ordneter Bedeutung.Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf eine vollstandige Charakterisierung des Langzeit-verhaltens der untersuchten Leuchtzellen hinsichtlich des Einflusses aller moglichen Pa-rameter verzichtet. Untersucht wurde das Alterungsverhalten der Zellen bei Raumtem-peratur und bei erhohter Temperatur mit und ohne Feuchtigkeitseinfluß fur verschiedeneAnregungsfrequenzen und Kurvenformen der Anregungsspannung. Die Ergebnisse sindin Bild 4.20 zusammengefaßt.Aus den Kurvenverlaufen laßt sich als ein quantitatives Maß fur die

”Lebensdauer“ der

Leuchtzellen die Halbwertszeit t1/2, also die Zeit, nach der die Strahl- oder Leuchtdichteauf die Halfte des Ausgangswertes bei t = 0 abgefallen ist, ablesen. Im einzelnen ergibtsich aus den Messungen das folgende Bild:

• Bei Standardansteuerung der Zellen, d.h. Anregung mit sinusformiger Wechsel-spannung mit Ueff = 115V und f = 400Hz, betragt die (extrapolierte) Halb-wertszeit bei Betrieb in Raumtemperatur t1/2 ≈ 2400 h (Bild 4.20a). Dieser Wertliegt weit unterhalb der Lebensdauer von 10000 h . . . 20000 h, die vom Hersteller desLeuchtstoffes angegeben wird. Allerdings ist nicht genau spezifiziert, unter welchenUmwelt- und Anregungsbedingungen diese Lebensdauer ermittelt wurde.

• Bei einer Lagerung der Zellen bei Raumtemperatur (Betrieb nur zu den Meßzeit-punkten) uber einen Zeitraum von 1700 h sinkt die Strahldichte um ca. 4% ab.

• Erhohte Temperatur und hohe Luftfeuchtigkeit (ϑ = 85 C, R.H.=85%) fuhren zueiner extremen Beschleunigung der Degradation. Bei Standardansteuerung betragtdie Halbwertszeit dann nur noch t1/2 = 47 h.

• Der Einfluß der elektrischen Ansteuerung wird anhand von Bild 4.20b deutlich.Bei sinusformiger Anregungsspannung mit Ueff = 115V fuhrt eine Erhohung derAnregungsfrequenz von 400Hz auf 4 kHz zu einer Abnahme der Halbwertszeit von


47 h auf 8 h. Bei gleichem Effektivwert und gleicher Frequenz ergibt sich fur dieAnsteuerung mit rechteckformiger anstelle sinusformiger Ansteuerspannung mitt1/2 = 33 h ebenfalls eine geringere Lebensdauer. Allerdings ist zu berucksichtigen,daß in diesem Fall auch die emittierte Strahldichte großer ist. Durch ein Absenkender Ansteuerfrequenz kann die gleiche Strahldichte wie bei sinusformiger Anregungeingestellt und eine hohere Lebensdauer erzielt werden.In Bild 4.20b nicht dargestellt ist der Fall, daß der Anregungsspannung ein Gleich-spannungsanteil UDC uberlagert ist. Bei rechteckformiger Anregung mit f = 400Hz,Ueff = 115V und UDC = Ueff/2 sank die Strahldichte der Zellen innerhalb von 3 hbis 4 h auf Null ab.

• Die Auswirkung erhohter Luftfeuchtigkeit geht aus Bild 4.20c hervor. Bei Standard-anregung der Zellen erhoht sich die Halbwertszeit von t1/2 = 47 h bei Betrieb inhoher Luftfeuchte auf t1/2 = 82 h fur Betrieb ohne erhohte Luftfeuchtigkeit.

• Bild 4.20d zeigt das Alterungsverhalten von Zellen auf einer ITO-beschichtetenKunststoffolie und von Leuchtzellen, deren transparente Elektrode ebenfalls imSiebdruckverfahren hergestellt wurde (inverser Aufbau mit lichtdurchlassiger Leit-paste DP7160, siehe Kapitel 4.2.3.1). Diese Zellen weisen mit t1/2 = 24 h eine umden Faktor 2 geringere Halbwertszeit auf.

Die Meßergebnisse zeigen, daß die Halbwertszeiten der Leuchtzellen trotz des Einsat-zes mikroverkapselter Leuchtstoffe immer noch sehr gering sind. Dies gilt insbesonderebei einem Einsatz der Leuchtzellen bei erhohten Umgebungstemperaturen und hoherLuftfeuchtigkeit.


0 500 1000 1500 2000 25000

0:25

0:5

0:75

1

L

e(t)

L

e(t=0)

t=h

Lagerung

Dauerbetrieb

bcbcbcbcbcbcbcbcbcbcbcbc bc bcbc bc bc bc bc bc bc

bcbc

bcbc×××

×××××××× × ×

× × × × × × × × ××× ××

a

0 50 100 150 2000

0:25

0:5

0:75

1

L

e(t)

L

e(t=0)

t=h

400Hz

400Hz

4 kHz

rs

rs

rsrs

rs

rs

rsrsrsrsrsrsrsrs rs rs

rs rs rs rs rsrsrs rs

rsrsrs

××

××

××

×× × × × × × × × × × × × × × × × ×××

bcbc

bcbc

bc

bc

bc

bcbcbcbcbcbcbc bc

bc bcbc bc bc bc bc bc bc

bcbcbc

b

0 50 100 150 2000

0:25

0:5

0:75

1

L

e(t)

L

e(t=0)

t=h

ohne Feuchte

mit Feuchte

rs

rsrs

rsrs

rs

rs

rsrs

rs

bcbc

bcbc

bc

bc

bc

bcbcbcbcbcbcbcbcbc bc bc bc bc bc bc bc bc

bcbcbc

c

0 50 100 150 2000

0:25

0:5

0:75

1

L

e(t)

L

e(t=0)

t=h

DP7160

ITO-beschich-

tete Folie

rsrsrs

rs

rs

rsrsrs

rs

rs

bcbc

bcbc

bc

bc

bc

bcbcbcbcbcbcbcbcbc bc bc bc bc bc bc bc bc

bcbcbc

d

Bild 4.20: Langzeitverhalten von Elektrolumineszenz-Leuchtelementen fur verschiede-ne Umweltbedingungen, Ansteuerspannungen und Aufbauvarianten. Darge-stellt ist die Leuchtdichte der Zellen, bezogen auf den Wert bei t = 0, alsFunktion der Zeit.(a) Dauerbetrieb (sinusformige Anregung, Ueff = 115V, f = 400Hz) undLagerung bei Raumtemperatur.(b) Betrieb bei ϑ = 85 C, relative Luftfeuchtigkeit R.H.=85% bei si-nusformiger Anregung mit f = 400Hz und f = 4 kHz sowie rechteckformigerAnregung mit f = 400Hz (Ueff = 115V=const.).(c) Betrieb mit erhohter Luftfeuchtigkeit R.H.=85% und

”normaler“ Luft-

feuchtigkeit bei ϑ = 85 C (Sinusanregung, Ueff = 115V, f = 400Hz).(d) Langzeitverhalten von Zellen auf ITO-beschichteter Folie und Zellenmit lichtdurchlassigen Leitpasten bei ϑ = 85 C, R.H.=85%, Ueff = 115V,f = 400Hz, sinusformige Anregung.


4.2.3 Realisierung von Elektrolumineszenz-Leuchtelementen

Bei der weitaus am haufigsten verwendeten Aufbautechnik fur Dickschicht-Elektrolumi-neszenz-Leuchtelemente wird eine ITO-beschichtete Kunststoffolie als Substrat verwen-det. Die ITO-Schicht fungiert als lichtdurchlassige Elektrode eines Plattenkondensators,die zweite Elektrode besteht in der Regel aus einer Silber-Schicht. Zwischen den Elektro-den befindet sich eine Dielektrikumsschicht zur Erhohung der Spannungsfestigkeit sowieder in eine Kunststoffmasse eingebettet Leuchtstoff (Bild 4.5). Beim Anlegen einer Wech-selspannung an die Kondensatorplatten wird der Leuchtstoff durch das elektrische Feldzur Lichtemission angeregt.Neben dieser Standardaufbautechnik existieren im wesentlichen drei weitere Moglichkei-ten:

1. Zellen auf ITO-beschichteten Glassubstraten wie sie beispielsweise fur LC-Displaysverwendet werden.

2. Verwendung lichtdurchlassiger Leitpasten zur Herstellung der transparenten Elek-trode in Siebdrucktechnik.

3. Leuchtzellen auf der Basis von Interdigitalkondensatorstrukturen.

Die erstgenannte Variante unterscheidet sich nicht wesentlich von der Standardauf-bautechnik. Geeignete Glassubstrate mit niederohmigen und hochtransparenten ITO-Schichten werden von verschiedenen Herstellern angeboten (z.B. [64]). Eine interessanteMoglichkeit eroffnet sich, wenn ein Teil des Glassubstrates nach chemischer Entfernungder ITO-Schicht (Atzen mit heißer Salzsaure) fur den Aufbau der Ansteuerschaltungverwendet wird. Die Schaltung kann dann wie in Kapitel 3 beschrieben in Dickschicht-Hybridtechnik realisiert werden.Die beiden verbleibenden Aufbaumoglichkeiten sind von besonderer Bedeutung, weildamit Leuchtzellen auf nahezu beliebigen Substratmaterialien realisiert werden konnen.Die Eigenschaften solcher Leuchtzellen werden in den nachsten Abschnitten diskutiert.

4.2.3.1 Herstellung von EL-Leuchtzellen unter Verwendung lichtdurchlassigerLeitpasten

Zu dem Elektrolumineszenz-Pastensystem, welches fur die vorliegenden Untersuchungenhauptsachlich verwendet wurde [114], gehoren auch mehrere Leitpasten zur Realisie-rung lichtdurchlassiger, elektrisch leitfahiger Strukturen in Siebdrucktechnik. Danebengibt es nur wenige andere Hersteller fur derartige Pasten (siehe Tabelle 4.6). Elektro-lumineszenz-Leuchtelemente konnen mit diesen Pasten auf zwei verschiedene Arten her-gestellt werden. Der Zellenaufbau nach Bild 4.21a entspricht dem Standardaufbau einer


Bezeichnung Her- Flachenwider- Optische Schicht- Verarbei-steller stand in Transmission dicke tungstem-

Ω/ in % in µm peraturDP7160 1,2 · 103 k.A. 25DP7162

DuPont(5 . . . 10) · 103 k.A. 25

130 C

D-3030 (5 . . . 12) · 106 k.A. < 13050a

ESL(1± 0,5) · 103 > 95 0,25

625 C

900155/VPN 100b Ormecon900155/19 b Chemie

103 . . . 109 70 . . . 90 k.A. 80 Ca Diese Paste ist zur Realisierung von Gassensoren gedacht.b In eigenen Versuchen konnten mit diesen Pasten keine leitfahigen Schichten hergestellt werden.

Vom Hersteller war hierzu keine Stellungnahme zu erhalten.

Tabelle 4.6: Pasten zur Herstellung lichtdurchlassiger und elektrisch leitfahiger Struk-turen (Angaben nach Datenblattern).

Leuchtzelle. Die transparente Elektrode auf dem Substrat wird jedoch nicht in Dunn-schichttechnik (z.B. als gesputterte ITO-Schicht) sondern per Siebdruck hergestellt. Esist zu beachten, daß die lichtdurchlassigen Leitpasten nicht auf alle Substratmaterialiengedruckt werden konnen. So zum Beispiel ist eine Polyesterfolie als Substrat nicht ge-eignet. Auf Glas hingegen lassen sich gute Ergebnisse erzielen.Die zweite mogliche Aufbauvariante ist in Bild 4.21b skizziert. Hier werden die einzel-nen Schichten in genau umgekehrter (

”inverser“) Reihenfolge aufgebracht. Die Auswahl

des Substratmaterials ist hierbei unkritisch. Leuchtzellen konnten mit dieser Variantebeispielsweise auf FR4-, Glas- und Keramiksubstraten realisiert werden [112, 41, 79].

Fur die Charakterisierung derartiger Leuchtzellen wurden zwei lichtdurchlassige Leit-pasten untersucht: die auf Indium-Zinn-Oxid basierende Paste DP7160 und die aufAntimon-Zinn-Oxid basierende Paste DP7162.Der Flachenwiderstand der gedruckten Pasten hangt sehr stark davon ab, auf welcheSchichten gedruckt wurde und mit welchen Schichten die Leitschicht uberdruckt wurde.Anhand von Tabelle 4.7 wird deutlich, daß beim Uberdrucken der Leitschicht mit einertransparenten Schutzschicht (DP5036) oder mit einer Leuchtschicht der Flachenwider-stand deutlich ansteigt. Moglicherweise wird durch die Losungsmittel in der Schutzab-deckung bzw. der Leuchtschichtpaste die Oberflache der Leitschicht angegriffen. Diesfuhrt zu einer Verringerung der mittleren Leitschichtdicke und somit zu einer Erhohungdes Flachenwiderstandes.Eine auf die Leuchtschicht aufgedruckte Leitschicht besitzt ebenfalls deutlich großereFlachenwiderstande. Dies laßt sich durch die hohe Oberflachenrauhigkeit der Leucht-schicht erklaren, die durch die eingebetteten Leuchtpartikel mit einem Korndurchmesserzwischen ca. 10µm und 30µm hervorgerufen wird. Eine darauf gedruckte Leitschichtbesitzt eine im Mittel kleinere Schichtdicke und dadurch einen hoheren Flachenwider-stand.


a b

Bild 4.21: a) Aufbau einer EL-Leuchtzelle mit gedruckter lichtdurchlassiger Leitpasteanstelle einer gesputterten oder aufgedampften ITO-Schicht.b) Inverse Schichtenfolge fur den Aufbau einer Leuchtzelle auf einem nicht-transparenten Substrat.

Schichtenfolge Flachenwiderstand der Leitschicht in kΩ/ fur

DP7160 DP7162

LeitschichtGlassubstrat

3,4 20,3

SchutzabdeckungLeitschichtGlassubstrat

4,5 33,7

SchutzabdeckungLeuchtschichtLeitschichtGlassubstrat

31,3 62,1

LeitschichtLeuchtschichtGlassubstrat

6,7 39,6

SchutzabdeckungLeitschicht

LeuchtschichtGlassubstrat

77,0 58,2

Tabelle 4.7: Flachenwiderstand der untersuchten lichtdurchlassigen Leitpasten fur ver-schiedene Schichtenfolgen.


Im Vergleich zu gesputterten ITO-Schichten auf Kunststoffolien oder Glasern, die mitFlachenwiderstanden zwischen ca. 5Ω/ und 2 kΩ/ verfugbar sind, weisen lichtdurch-lassige Leitschichten aus den untersuchten Pasten deutlich hohere Flachenwiderstandeauf.

Ein weiterer Unterschied ist bezuglich des spektralen Transmissionsgrades τ(λ) fest-stellbar, der ein Maß fur die optischen Verluste durch Absorption und Reflexion anGrenzflachen darstellt [97]. In Bild 4.22a ist der spektrale Transmissionsgrad einer ITO-beschichteten Kunststoffolie, eines ITO-beschichteten Glassubstrates und der beidenuntersuchten Leitpasten (auf Glas gedruckt, mit Schutzabdeckung) dargestellt. Uberden gesamten vermessenen Wellenlangenbereich weisen die Leitschichten mit den licht-durchlassigen Leitpasten eine deutlich niedrigere spektrale Transmission auf.Der Einfluß der Schutzabdeckung wird anhand von Bild 4.22b und Bild 4.22c deutlich.Eine aufgedruckte Abdeckschicht fuhrt zu einem hoheren Transmissionsgrad. Dies istein weiteres Indiz fur die oben formulierte Vermutung, daß durch die Abdeckung diemittlere Dicke der Leitschicht reduziert wird.

o o

oo

300 400 500 600 700 800 900 10000

0:1

0:2

0:3

0:4

0:5

0:6

0:7

0:8

0:9

1

Transmissionsgrad

=nm

DP7160+DP5036

DP7162+DP5036

ITO-Glas

ITO-Folie

bc

bc

bc

bc bcbc

bc

bcbcbcbc bc

bcbcbc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc bc

◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊ ◊

rs rs rs

rs

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× ×× × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

o o

oo

300 400 500 600 700 800 900 10000

0:1

0:2

0:3

0:4

0:5

Transmissionsgrad

=nm

DP7162+DP5036

DP7162

rsrsrs rs rs rs

rs rs rs rs rs rsrsrsrs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs

rsrsrs rs rs rs rs

× × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

o o

oo

300 400 500 600 700 800 900 10000

0:1

0:2

0:3

0:4

0:5

Transmissionsgrad

=nm

DP7160

DP7160+DP5036

rs

rs

rs

rs rsrs

rs

rs

rsrsrsrsrsrsrs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs rs

××

×× × ×

××

× × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

a c

b

Bild 4.22: Spektraler Transmissionsgrad τ(λ) verschiedener lichtdurchlassiger Leit-schichten.a) ITO-beschichtetes Glassubstrat (RF = 5Ω/) und ITO-beschichteteKunststoffolie (RF = 200Ω/) im Vergleich zu den Leitpasten DP7160und DP7162 (mit Schutzabdeckung DP5036).b,c) Einfluß der Schutzabdeckung DP5036 auf den spektraler Transmissi-onsgrad der Leitpasten DP7160 und DP7162.

Eine bei niedrigen Anregungsfrequenzen durchgefuhrte Messung der Strahldichte von


Leuchtzellen, die mit diesen Leitpasten hergestellt wurden, ergibt fur den inversen Auf-bau großere Werte, als dies aufgrund der spektralen Transmission vermutet werden durf-te (siehe Tabelle 4.8). Da die Leitschichten beim inversen Zellenaufbau auf die Leucht-schicht gedruckt sind, kann dieser Umstand ebenfalls durch die Reduktion der Dickeder Leitschichten erklart werden. Deutlich ist auch der Einfluß der Schutzabdeckung zuerkennen, der durch eine weitere Reduktion der Leitschichtdicke zu noch hoheren Strahl-bzw. Leuchtdichten fuhrt.Fur den Standardaufbau, bei dem die lichtdurchlassigen Leitschichten direkt auf dasGlassubstrat gedruckt sind, ergeben sich sehr viel kleinere Leucht- und Strahldichten.Sie liegen nur geringfugig uber den Werten, die sich aufgrund des spektralen Transmissi-onsgrades ergeben wurden. Dieses Verhalten steht nicht mehr in Ubereinstimmung mitden beobachteten hoheren Flachenwiderstanden und den daraufhin vermuteten niedri-geren Leitschichtdicken.

Standardaufbau (Bild 4.21a)lichtdurchlassige Leitschicht Le in W/m

2sr Lv in cd/m2

gesputterte ITO-Schicht, RF = 200Ω/ 0,213 . . . 0,226 80,3 . . . 85,1DP7160 0,091 . . . 0,110 34,2 . . . 41,8DP7162 0,054 . . . 0,069 20,5 . . . 25,9

Inverser Aufbau (Bild 4.21b)lichtdurchlassige Leitschicht Abdeckung Le in W/m

2sr Lv in cd/m2

DP7160 keine 0,118 . . . 0,126 44,7 . . . 47,5DP7160 DP5036 0,120 . . . 0,132 45,2 . . . 50,0DP7162 keine 0,170 . . . 0,172 64,2 . . . 64,8DP7162 DP5036 0,176 . . . 0,190 66,4 . . . 71,8

Tabelle 4.8: Strahldichte Le und Leuchtdichte Lv von EL-Zellen in Standardaufbau-technik und inverser Aufbautechnik mit verschiedenen Leitschichtmate-rialien fur die lichtdurchlassige Elektrode. (sinusformige Anregung mitUeff = 115V, f = 400Hz, Leuchtstoffpaste DP7154E).

Neben dem geringeren Transmissionsgrad der lichtdurchlassigen Leitpasten tritt beihoheren Anregungsfrequenzen eine weitere negative Eigenschaft der damit realisiertenLeuchtzellen zutage. Wahrend bei Leuchtzellen auf einer Folie mit einer niederohmigengesputterten ITO-Schicht die Strahldichte monoton mit der Frequenz anwachst, kannbei diesen Leuchtzellen ein Absinken der Strahldichte ab einer bestimmten Frequenz be-obachtet werden. Dieser Effekt, der in Bild 4.23 verdeutlicht ist, wird durch den hoherenFlachenwiderstand der lichtdurchlassigen Leitpasten hervorgerufen. Dieser Widerstandbildet zusammen mit der Kapazitat der Leuchtzelle einen Tiefpaß, so daß mit zunehmen-der Anregungsfrequenz eine immer großere Spannung uber dem Elektrodenwiderstandabfallt. Damit sinkt das elektrische Feld in der Leuchtschicht und die emittierte Strah-lungsleistung nimmt ab.


Bei großflachigen Leuchtzellen kann aufgrund der Tiefpaßwirkung eine inhomogene Strahl-dichteverteilung uber der Flache beobachtet werden. Die Strahldichte ist in der Naheder Anschlußleitung der lichtdurchlassigen Elektrode hoch und nimmt mit zunehmendemAbstand von der Anschlußleitung ab8.

Der hohere Widerstand der lichtdurchlassigen Elektrode ist auch dafur verantwortlich,daß diese Leuchtzellen eine hohere Wirkleistungsaufnahme aufweisen. Im Vergleich zuLeuchtzellen auf einer niederohmig ITO-beschichteten Folie liegt die Wirkleistungsauf-nahme dieser Leuchtzellen bei gleicher Anregungsfrequenz und gleicher Strahldichte (ein-gestellt durch eine hohere Spannung) um etwa den Faktor 3 hoher.

Selbstverstandlich wird auch die Abstrahlcharakteristik der Leuchtzellen durch die Artdes Aufbaus bestimmt. In Bild 4.24 sind die gemessenen Abstrahlcharakteristiken einerLeuchtzelle in inverser Aufbautechnik (mit Schutzabdeckung) und einer Leuchtzelle inStandardaufbautechnik mit einer lichtdurchlassigen Leitpaste auf einem 1mm dickenGlassubstrat dargestellt. Der Halbwertswinkel γ der beiden Aufbauvarianten ist mit 60

bzw. 64 kleiner als der Halbwertswinkel, der bei Zellen auf einer ITO-beschichtetenFolie gemessen wurde (Bild 4.9).

o o

oo

102

103

104

102

101

100

Le=W

/m2sr

f=Hz

DP7160

DP7162

ITO-Folie

◊

◊

◊◊

◊ ◊ ◊ ◊◊

rs

rs

rs

rs

rsrs rs

rs

rs

×

×

×

×

× ××

××

Bild 4.23: Frequenzabhangigkeit der Strahldichte von EL-Leuchtzellen mit verschiede-nen lichtdurchlassigen Elektroden (Leitpasten DP7160 und DP7162 sowieniederohmige ITO-Schicht mit RF = 200Ω/; sinusformige Anregung mitUeff = 115V).

8Dieser Effekt tritt auch auch bei großen Zellen auf niederohmig beschichteten Tragern auf. Je nachFlachenwiderstand der Schicht allerdings erst bei Leuchtflachen ab DIN-A3-Format [95].


10

20

30

40

50

60

70

80

90

#

bcbc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

rsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

0:0

0:2

0:4

0:6

0:8

1:0

Irel

0

15

30

45

60

75

90

#

bc bcbc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

rs rsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

c

b

a

Bild 4.24: Abstrahlcharakteristik einer Elektrolumineszenz-Leuchtzelle in inverser Auf-bautechnik (a) und einer Leuchtzelle in Standardaufbautechnik mit einerlichtdurchlassigen Leitpaste auf einem 1mm dicken Glassubstrat (b). ZumVergleich ist eine Lambertsche Abstrahlcharakteristik dargestellt (c).


4.2.3.2 EL-Leuchtzellen auf der Basis von Interdigitalkondensatoren

Interdigital- oder Kammkondensatoren konnen in der Dickschichttechnik zur Realisie-rung kleiner Kapazitaten verwendet werden [74, 80]. Die Struktur eines derartigen Kon-densators ist in Bild 4.25a gezeigt. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenbildet sich zwischen den

”Kondensatorfingern“ ein elektrisches Feld aus. Uberdruckt

man diese Struktur mit einer Leuchtschicht, so werden die eingebetteten Leuchtpartikeldurch das Feld zur Lichtemission angeregt.Die Starke und die Verteilung des elektrischen Feldes und damit die erzielbare Strahl-bzw. Leuchtdichte wird durch den Elektrodenabstand d und das Verhaltnis der Dielek-trizitatskonstanten εsub und εL des Substrates bzw. der aufgedruckten Schicht bestimmt.Außerdem zeigte sich, daß durch einen zusatzlichen Dielektrikumsdruck (mit εr ≈ 40)entsprechend Bild 4.25b hohere Strahl- bzw. Leuchtdichten erzielt werden konnen.

a b

Bild 4.25: a) Aufsicht auf einen Interdigitalkondensator mit der Elektrodenbreite b unddem Elektrodenabstand d.b) Prinzipieller Aufbau einer EL-Leuchtzelle auf der Basis eines Interdigi-talkondensators.

In Bild 4.26 sind die gemessenen Leuchtdichten9 von EL-Zellen ohne Dielektrikums-schicht und mit einfachem und doppeltem Dielektrikumsdruck in Abhangigkeit vomElektrodenabstand d dargestellt. Die Elektrodenbreite b betrug bei allen Zellen 100µm.Derartige Bahnbreiten konnen in der konventionellen Dickschichttechnik noch problem-los realisiert werden. Als Substrat wurde eine Al2O3-Keramik mit εr ≈ 10 verwendet.Die Meßergebnisse zeigen, daß bei gleicher Anregung die Leuchtdichte, die mit diesenZellen erreichbar ist, bestenfalls 1/8 der Leuchtdichte von Standard-Leuchtzellen auf ei-ner ITO-beschichteten Folie nach Bild 4.5a betragt (vgl. Tabelle 4.4).Zur Erhohung der Leuchtdichte sind verschiedene Ansatze denkbar:

• Durch Reduzierung der Bahnbreite b konnen mehr”Kondensatorfinger“ auf glei-

cher Flache untergebracht werden. Gleiches gilt auch fur eine Reduzierung der9Fur die Leuchtdichte ergeben sich anschaulichere Zahlenwerte als fur die Strahldichte


o o

oo

40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6

8

10

12

Lv

=cd/m2

d=m

kein Dielektrikumsdruck

doppelter Dielektrikumsdruck

einfacher Dielektrikumsdruck

**

** *

*

bc

bcbc

bc

bc

◊

◊

◊

◊◊

◊

Bild 4.26: Abhangigkeit der Leuchtdichte von EL-Zellen auf der Basis einer Interdigi-talstruktur vom Elektrodenabstand d fur Zellen ohne Dielektrikumsdruck,mit einfachem und mit doppeltem Dielektrikumsdruck (sinusformige Anre-gung mit Ueff = 115V, f = 400Hz; Elektrodenbreite b = 100µm = const.).

Elektrodenabstande d. Hierbei nimmt zudem die elektrische Feldstarke zwischenden Elektroden zu. In [57] wurde gezeigt, daß in dere Dickschichttechnik mit ent-sprechendem Aufwand Bahnbreiten bis zu 40µm und Bahnabstande bis zu 20µmrealisierbar sind.

• Der Interdigitalkondensator wird nicht auf das Substrat gedruckt sondern zwi-schen zwei Leuchtschichten

”eingebettet“ (Bild 4.27a). Die untere Leuchtschicht

liefert damit einen zusatzliche Beitrag zur Lichtemission. Allerdings zeigte sich, daßaufgrund des Fließverhaltens der verfugbaren Silber-Polymerpasten keine Bahn-abstande und Bahnbreiten kleiner als 100µm reproduzierbar hergestellt werdenkonnen.

• Bei zwei versetzt ubereinander angeordneten Interdigitalstrukturen, die durch ei-ne Leuchtschicht voneinander getrennt sind (Bild 4.27b), bildet sich ein horizon-tal orientiertes elektrisches Feld zwischen den Elektroden des oberen und unterenKondensators aus; zudem entsteht ein vertikal orientieres Feld zwischen den bei-den Kondensatorstrukturen. Allerdings besteht auch hier das Problem der minimalmoglichen Bahnabstande und Bahnbreiten von 100µm. Außerdem zeigten entspre-chende Versuche, daß die obere Silberschicht wahrend des Druck- und Trockenpro-zesses in die Leuchtschicht eindringt und so Kurzschlusse mit der unteren Leit-schicht erzeugt10.

10Eine bezuglich der Schichtenfolge ahnliche Variante, bei der die untere Silberschicht flachig unddie obere Schicht als Gitter ausgebildet ist (es handelt sich hierbei um eine Plattenkondensator-Anordnung) kann somit ebenfalls nicht realisiert werden.


Es ist jedoch nicht zu erwarten, daß sich mit diesen Ansatzen ahnlich hohe Strahldichtenwie mit EL-Zellen auf der Basis eines Plattenkondensators erzielen lassen.

a b

Bild 4.27: Ansatze zur Optimierung von Leuchtzellen mit Interdigitalstrukturen.a) Der Interdigitalkondensator befindet sich zwischen zwei Leuchtschichten.b) Gleicher Aufbau wie bei a) mit einem weiteren Interdigitalkondensatorauf dem Substrat. Zwischen dem oberen und dem unteren Kondensator kannein zusatzliches vertikales elektrisches Feld aufgebaut werden.

4.3 Elektrolumineszenz-Zellen als Strahlungsempfanger

Bei der Untersuchung der Admittanz von Elektrolumineszenz-Leuchtzellen (siehe Ka-pitel 4.2.2.4) zeigte sich, daß die Werte fur den Real- und Imaginarteil der Admittanzdavon abhangig waren, ob die Messung bei Tageslicht oder in einem abgedunkelten Raumvorgenommen wurden. Diese Abhangigkeit der Admittanz von der Bestrahlung bei ei-ner Kondensatorstruktur mit einem eingebetteten Halbleiter (hier ZnS) ist seit langembekannt und wird als photokapazitiver Effekt bezeichnet [35, 82].Als Ursache fur diesen Effekt werden zwei Grunde angefuhrt: zum einen die Anderungder dielektrischen Eigenschaften des Halbleiters, die auf die Polarisation von Haftstellenzuruckzufuhren ist (photodielektrischer Effekt) und zum anderen die Photoleitung desHalbleitermaterials. Hierbei fuhren die freien Ladungstrager zu einer Erhohung der Ver-luste und bewirken zudem aufgrund ihrer Beweglichkeit eine Anderung der Kapazitat.Die Untersuchung des photokapazitiven Effektes an den im vorhergehenden Kapitel be-schriebenen Elektrolumineszenz-Leuchtzellen beschrankte sich auf Zellen in inverser Auf-bautechnik nach Bild 4.21b mit dem Leuchtstoff DP7151 und der Paste DP7160 fur dielichtdurchlassige Elektrode [34]. Die aktive Flache der Zellen betrug 4,8 · 4,8mm2.Bei diesen Zellen konnte in einem Wellenlangenbereich zwischen ca. 350 nm und 430 nmeine Abhangigkeit der Admittanz von der Bestrahlung festgestellt werden. Da Unter-suchungen in diesem Wellenlangenbereich, der zum Teil im Ultravioletten liegt, sowohlapparativ als auch meßtechnisch sehr aufwendig sind [108], war eine vollstandige Charak-terisierung des elektrisch-optischen Verhaltens der Zellen nicht moglich. Die im folgendenvorgestellten Meßergebnisse vermitteln jedoch zumindest eine Ubersicht uber das Ver-halten der Zellen als Strahlungsempfanger. Fur die Darstellung der Ergebnisse wird die


komplexe Admittanz der Zelle bei konstanter Meßfrequenz f = 1kHz und konstanterMeßamplitude UL = 1V durch den Parallelwiderstand Rp und die Parallelkapazitat Cp

des Parallel-Ersatzschaltbildes eines Kondensators beschrieben.

Bild 4.28 zeigt die Abhangigkeit der Admittanz von der Wellenlange fur eine konstanteBestrahlungsleistung Φe = 0,2µW. Der Zusammenhang zwischen der Bestrahlungslei-stung und der Admittanz bei konstanter Wellenlange ist in Bild 4.29 dargestellt. Aus denbeiden Diagrammen geht hervor, daß der Parallelwiderstand Rp eine sehr viel großereEmpfindlichkeit aufweist als die Parallelkapazitat Cp. Bemerkenswert ist die trage Re-aktion der Zelle auf Anderungen in der Bestrahlung. Das An- und Abklingverhalten desParallelwiderstandes Rp bei Ein- und Ausschalten der Strahlungsquelle ist in Bild 4.30verdeutlicht.

300 320 340 3600:97

0:98

0:99

1

R

p

R

p(=300nm)

=nm

Rp( = 300 nm) = 41;3M

rs

rs

rs

rs

a

300 320 340 3601

1:001

1:002

C

p

C

p(=300nm)

=nm

Cp( = 300 nm) = 79;41 pF

rs

rs

rs

rs

b

Bild 4.28: Abhangigkeit des Parallelwiderstandes Rp und der Parallelkapazitat Cp ei-ner EL-Zelle von der Wellenlange der einfallenden Strahlung (Bestrahlungs-leistung Φe = 0,2µW, Meßfrequenz f = 1 kHz, Meßamplitude UL = 1V,Leuchtstofftyp DP7151, Zellenflache A = 4,8 · 4,8mm2).

Die vorgestellten Meßergebnisse deuten nach [82] darauf hin, daß fur das Verhalten derZelle vorrangig der Effekt der Photoleitung in den eingebetteten ZnS-Kristallen verant-wortlich ist.Anwendungen der Zellen als Strahlungssensor erscheinen durchaus denkbar. Allerdingssollten hierzu die Zellen sehr viel ausfuhrlicher untersucht werden als es im Rahmen dieserArbeit moglich war. Von besonderem Interesse waren dabei die Temperaturabhangigkeit,die Langzeitstabilitat und die fertigungstechnische Reproduzierbarkeit der Strahlungs-empfanger.


0 40 80 120 160 2000:92

0:94

0:96

0:98

1

R

p

R

p(e

=0)

e=nW

Rp(e = 0) = 39;15M

= 420 nm = 400 nm

= 380 nm

◊

◊

◊◊

bc

bc

bc

bc

rs

rs

rs

rs

a

0 40 80 120 160 2001

1:002

1:004

C

p

C

p(e

=0)

e=nW

Cp(e = 0) = 79;41 pF

= 420 nm = 400 nm

= 380 nm

◊

◊

◊◊

bc

bc

bc

bc

rs

rs

rs

rs

b

Bild 4.29: Elemente Rp und Cp des Parallel-Ersatzschaltbildes einer EL-Zelle als Funk-tion der Bestrahlungsleistung bei unterschiedlichen Wellenlangen (Meßfre-quenz f = 1 kHz, Meßamplitude UL = 1V, Leuchtstofftyp DP7151, Zellen-flache A = 4,8 · 4,8mm2).

0:9

0:92

0:94

0:96

0:98

1

R

p

R

p(t=0)

= 375 nm

= 400 nm

bc

bc

bcbc

bc

bc

bc

bcbc

bcbc

bc

rs

rs

rsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

a

1

1:002

1:004

1:006

C

p

C

p(t=0)

= 375 nm

= 400 nm

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc

bc bcbc

bc

bc

rs

rs

rsrs

rs

rs

rs rs rsrs

rs

rs

b

0 1000 2000 3000 40001

1:05

1:1

R

p

R

p(t=0)

t=s

= 375 nm

= 400 nm

bc

bc

bc

bc

bc

bcbcbc bc

bc

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rsrs

rs

c

0 1000 2000 3000 40000:994

0:996

0:998

1

C

p

C

p(t=0)

t=s

= 375 nm

= 400 nm

bc

bc

bc

bc

bc

bcbcbc

bc

bc

rs

rs

rs

rs

rs

rsrs rs rs

rs

d

Bild 4.30: Zeitlicher Verlauf des Parallelwiderstandes Rp und der Parallelkapazitat Cp

einer EL-Zelle beim Einschalten (a,b) und Ausschalten (c,d) der Bestrahlungfur zwei Wellenlangen (Meßfrequenz f = 1 kHz, Meßamplitude UL = 1V,Leuchtstofftyp DP7151, Zellenflache A = 4,8 · 4,8mm2).

87

5 Einsatzmoglichkeiten

5.1 Optische Leistungsubertragung mit galvanischerPotentialtrennung

Viele Anwendungen in der elektronischen Meßtechnik erfordern eine Signalubertragungzwischen zwei Systemen oder Schaltungsteilen ohne eine galvanische Verbindung. AlsBeispiel sei die Medizintechnik angefuhrt, wo mit Sensoren am menschlichen KorperSignale erfaßt und an eine Uberwachungseinheit weitergeleitet werden. Aus Sicherheits-grunden darf dabei zwischen den Sensoren und der weiterverarbeitenden Elektronik kei-ne galvanische Verbindung bestehen. Andere Beispiele sind die galvanische Trennungzwischen einer Leistungselektronik und der zugehorigen Ansteuerelektronik [42] oderexplosionsgeschutzte Betriebsmittel in der petrochemischen Industrie [43]. Neben derUbertragung von Signalen ist haufig auch eine galvanisch getrennte Energieubertragungfur die Versorgung des isolierten Systems erforderlich. Hier kommt in den meisten Fallenein Transformator zum Einsatz, d.h. die Energieubertragung erfolgt durch ein magne-tisches Feld. Eine Energieubertragung mittels optischer Strahlung wird haufig dort ein-gesetzt, wo eine Versorgung uber großere Distanzen hinweg erforderlich ist [1, 18]. Eskonnen jedoch auch kompakte

”Leistungs-Optokoppler“ realisiert werden, die fur viele

Anwendungen, beispielsweise dort, wo magnetische Streufelder und elektromagnetischeEmissionen storend wirken, eine direkte Alternative zu Transformatoren darstellen [104].

In Bild 5.1 ist die Schaltung fur einen solchen Leistungs-Optokoppler gezeigt [93]. Dreiin Serie geschaltete Solarzellen SZ1-SZ3 auf der Sekundarseite des Kopplers werden voninsgesamt 42 Lumineszenzdioden auf der Primarseite bestrahlt. Die mit OP1, T7 und R3realisierte Stromquelle speist eine Gruppe mit sieben Lumineszenzdioden. Die restlichenfunf Gruppen mit jeweils sieben Lumineszenzdioden werden uber die Stromspiegel mitT1 und T2-T6 angesteuert. Der Strom durch die Dioden wird durch die Spannung amnichtinvertierenden Eingang des Operationsverstarkers festgelegt. Auf der Sekundarseiteder Schaltung wird die Spannung der Solarzellen uber einen Aufwarts-Schaltregler (IC1,L und D1) in eine geregelte Ausgangsspannung UA = +5V umgesetzt. Die Effizienzder Schaltung wird ganz wesentlich durch die Lumineszenzdioden und die Solarzellen


bestimmt. Fur die Lumineszenzdioden wurden GaAlAs-Typen1 gewahlt. Diese zeichnensich durch einen hohen Wirkungsgrad zwischen 11% und 15% aus. Das Maximum derStrahlungsemission liegt bei einer Wellenlange λ = 880 nm und stimmt gut mit demEmpfindlichkeitsmaximum der eingesetzten Silizium-Solarzellen uberein. Der Wirkungs-grad der Solarzellen betragt bei Sonnenbestrahlung (AM1,5) ca. 20,7% bis 22,3% und sollnach Angaben des Herstellers2 fur quasi-monochromatische Strahlung mit λ = 880 nmauf bis zu 40% ansteigen. Fur die restlichen Systemkomponenten kann ein Wirkungsgradvon ca. 75% . . . 90% fur die primarseitige Ansteuerschaltung, 70% fur den Aufwarts-Schaltregler und etwa 90% fur die unten beschriebene optische Kopplung angesetzt wer-den. Damit ergibt sich fur den Leistungs-Optokoppler ein Gesamt-Wirkungsgrad von2% bis 3%. Bei einer primarseitigen Versorgungsspannung von UV = 14V und einerStromaufnahme von 228mA (d.h. 38mA pro Lumineszenzdiode) konnte die Schaltungauf der Sekundarseite bei einer Ausgangsspannung von 5V einen Strom zwischen 13mAund 20mA liefern.

Fur die Realisierung des Leistungs-Optokopplers stellt die in Kapitel 3 vorgestellte Dick-schichttechnik auf Glassubstraten eine attraktive Aufbau- und Verbindungstechnik dar.In Bild 5.2 ist ein Muster des Optokopplers gezeigt. Die Lumineszenzdioden befindensich auf Dickschicht-Modulen, die kopfuber auf das Glassubstrat aufgelotet sind3. DieSolarzellen auf der gegenuberliegenden Substratseite sind mit einem transparenten Kle-ber auf das Glas aufgeklebt. Die Kontaktierung der Anschlusse auf der Vorder- undRuckseite der Zellen erfolgt durch Silber-Leitkleber.

Die meßtechnische Untersuchung des Optokopplers zeigt, daß bei einer primarseitigenVersorgungsspannung von 14V und einem Strom von 38mA pro Lumineszenzdiode dieSolarzellen eine maximale Leistung von 42mW liefern. Die gemessenen Kennlinien derSolarzellenanordnung sind in Bild 5.3 dargestellt. Am Ausgang des Schaltreglers kannbei einer Spannung von 5V ein maximaler Strom von 6,5mA entnommen werden. DerGesamt-Wirkungsgrad des Kopplers ergibt sich damit zu 1%. Die Diskrepanz zu demzuvor abgeschatzten Wirkungsgrad zwischen 2% und 3% ist durch die Abstrahlcha-rakteristik der Lumineszenzdioden erklarbar. Bei einem Abstrahlwinkel von 60 ist dieEffizienz der optischen Kopplung deutlich kleiner als die oben angenommenen 90%.Unabhangig vom Wirkungsgrad der Schaltung bleibt festzuhalten, daß die verfugbareAusgangsleistung von 32,5mW fur viele Anwendungsfalle durchaus ausreichend ist. DerKoppler wurde auf einem 50 · 50mm2 großen Glassubstrat aufgebaut. Die Bauhohe be-tragt lediglich 13mm. Durch den Aufbau der Schaltung mit der in Kapitel 3 entwickel-ten Dickschichttechnik auf Glassubstraten konnten fur die Herstellung des Leistungs-Optokopplers die bekannten und bewahrten Fertigungstechniken der konventionellen

1Osram SFH4212Fraunhofer Institut fur Solare Energiesysteme, Freiburg3Eine alternative Montage ist mit in Entwicklung befindlichen Lumineszenzdioden mit ”Reverse Gull-wing“-Anschlußen (Osram, SFH4281) moglich, die in Richtung auf das Glassubstrat abstrahlen unddirekt auf das Glassubstrat montiert werden konnen.


Dickschicht-Hybridtechnik eingesetzt werden.


Bild 5.1: Schaltbild des Leistungs-Optokopplers (Erlauterungen siehe Text).


Bild 5.2: Leistungs-Optokoppler in Dickschichttechnik auf einem Glassubstrat.(a) Primarseite mit Lumineszenzdioden auf Dickschicht-Modulen;(b) Sicht auf die Lumineszenzdioden von der unbestuckten Sekundarseite;(c) Sekundarseite mit den drei Solarzellen.

0 0:5 1 1:5 20

10

20

30

40

I

=

mA

U =V

rs

rsrsrsrsrsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rsrsrsrs

rsrsrsrsrsrs a

0 0:5 1 1:5 20

10

20

30

40

P

=

mW

U =V

rs

rsrsrsrsrs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

b

Bild 5.3: Gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie (a) und Leistungs-Spannungs-Kennlinie (b) der Solarzellen auf der Sekundarseite des Optokopplers (Be-triebsstrom I = 38mA pro Lumineszenzdiode, Schaltregler abgetrennt).


5.2 Wegsensor mit EL-Leuchtzellen

Fur die Erfassung von Wegstrecken gibt es eine Reihe verschiedener Meßverfahren undSensorprinzipien. Dazu gehoren kapazitive, induktive und potentiometrische Aufnehmer[69, 91, 94, 106], Sensoren nach dem Prinzip der Laserinterferometrie [7], Triangula-tionssensoren [38, 91] oder optische Inkrementalweggeber [9]. Ein neuartiges einfachesMeßverfahren beruht auf der Verwendung großflachiger Leuchtelemente, wie sie mit EL-Leuchtzellen realisiert werden konnen. Das Grundprinzip dieses Verfahrens ist in Bild5.4 skizziert. Zwischen der Leuchtzelle und einem fotoelektrischen Empfanger ist einebewegliche Blende angeordnet. Das Objekt, dessen Wegstrecke erfaßt werden soll, istentweder mechanisch an die Blende angekoppelt oder es stellt selbst schon die Blen-de dar. Die Funktionsweise dieser Anordnung ist offensichtlich: schattet die Blende dieLeuchtzelle vollstandig ab, so ist das Empfangssignal SE = 0. Wird nun die Blende iny-Richtung bewegt, so wird der Empfanger von einem immer großeren Teil der Sender-flache bestrahlt und das Empfangssignal steigt entsprechend an.

Bild 5.4: Prinzipielle Anordnung eines Wegsensors mit einer Elektrolumineszenz-Leuchtzelle.

Ausgangspunkt fur die Berechnung der Anordnung ist das Grundgesetz der Strahlungs-ubertragung [52]. Ein Flachenelement dAs einer strahlungsemittierenden Flache mit ei-ner winkelabhangigen Strahldichte L(εs) befindet sich im Abstand r von einem Flachen-element dAe eines Strahlungsempfangers (Bild 5.5).Fur die Strahlungsleistung d2Φ am Ort des Empfangers gilt dann

d2Φ = L(εs)cos εs cos εe

r2dAs dAe .


Bild 5.5: Zur Erlauterung des Grundgesetzes der Strahlungsubertragung zwischen ei-nem Flachenelement dAs der Strahlungquelle bei den Koordinaten (xs =0,ys,zs) und einem Flachenelement dAe des Empfangers bei den Koordinaten(xe,ye,ze = 0).

Da die Flachenelemente parallel zueinander stehen, gilt εs = εe = ε. Fur das der Leistungd2Φ zugeordnete Empfangersignal d2Se gilt

d2Se = Kef(ε) d2Φ .

Hierbei bescheibt Ke die spektrale Empfindlichkeit und f(ε) die Richtcharakteristik desEmpfangers. Eine weitere Berechnung ist nur moglich, wenn f(ε) und L(ε) als mathema-tische Funktionen vorliegen. Dies ist zumindest fur die Elektrolumineszenz-Leuchtzellennicht der Fall. Ein Ausweg bietet sich, wenn der Empfanger so ausgewahlt wird, daß mitdessen Richtcharakteristik

f(ε)L(ε) ≈ const.gilt. Fur die Realisierung des Wegsensors wurde eine geeignete Fotodiode ausgewahlt.Anhand von Bild 5.6 wird deutlich, daß das Produkt f(ε) ·L(ε) in einem Winkelbereichvon ±40 um maximal ±5% schwankt. Mit der Abkurzung K = Kef(ε)L(ε) ≈ const.gilt somit

d2Se = Kcos2 ε

r2dAs dAe . (5.1)

Das gesamte Empfangssignal ergibt sich durch Integration uber die Leucht- und dieEmpfangerflache As bzw. Ae. Das bei der Berechnung auftretende Vierfach-Integral istallerdings nicht mehr geschlossen losbar [63]. Eine Naherungslosung ist moglich, wennman annimmt, daß die Strahlungsleistung auf der Empfangerflache konstant ist. Dies istder Fall, wenn die lateralen Abmessungen der Empfangerflache sehr viel kleiner sind alsder Abstand xe zur Senderflache. Der Empfanger kann dann als punktformig betrachtet


werden und es gilt dAe ≈ Ae.Unter diesen Voraussetzungen kann der Zusammenhang zwischen dem Blendenweg yBund dem Empfangssignal Se fur die geometrische Anordnung nach Bild 5.7 fur einedunne Blende mit rechteckformigem Querschnitt4 berechnet werden.

o o

oo

60

40

20

0

20

40

60

0

0:2

0:4

0:6

0:8

1

L

("

)f

("

)

L

("

=

0)f

("

=

0)

#

×

×

×

× × × × × × ×

×

×

×

Bild 5.6: Kombinierte Empfangscharakteristik L(ε)f(ε) (normiert) einer ausgewahltenFotodiode und einer EL-Leuchtzelle (auf ITO-beschichteter Folie).

Bild 5.7: Geometrie des Wegsensors fur die Berechnung der Beziehung zwischen Blen-denweg yB und Ausgangssignal Se des Empfangers.

Der punktformige Empfanger wird von dem Bereich 0 ≤ ys ≤ y′B der Senderflache

4Eine dunne Blende bedeutet, daß die Blendendicke sehr viel kleiner als der Abstand zwischen Leucht-flache und Empfanger ist. Berechnungen fur ”dicke“ Blenden sind in [5] ausgefuhrt.


bestrahlt. Mit den Beziehungen

cos2 ε =x2er2

r2 = x2e + (ys − ye)2 + z2s

folgt aus Gleichung (5.1) fur das Empfangssignal

Se = KAe

∫ +hs/2

−hs/2

∫ y′B

0

x2e(x2e + (ys − ye)2 + z2s)

2 dys dzs (5.2)

=1

2KAex

2e

∫ +hs/2

−hs/2

[y′B − ye

(z2s + x2e)(z2s + (y

′B − ye)2 + x2e)

+1√

(z2s + x2e)3arctan

y′B − ye√z2s + x2e

+ye

(z2s + x2e)(z2s + y2e + x2e)

+1√

(z2s + x2e)3arctan

ye√z2s + x2e

]

Nach einer langeren Zwischenrechnung ergibt sich daraus

Se = KAe

[y′B − ye√

(y′B − ye)2 + x2earctan

hs

2√(y′B − ye)2 + x2e

+hs

2√h2s/4 + x2e

(arctan

y′B − ye√h2s/4 + x2e

+ arctanye√

h2s/4 + x2e

)

+ye√

y2e + x2earctan

hs

2√y2e + x2e

].

Fur den Zusammenhang zwischen der Blendenposition yB und der Variablen y′B kannaus Bild 5.7 der Ausdruck

y′B − ye =xe

xe − xB(yB − ye)

abgeleitet werden. Fur die Abhangigkeit des Empfangssignals Se vom Blendenweg ergibtsich damit letztendlich die Beziehung

Se = KAe

[yB − ye√

(yB − ye)2 + (xe − xB)2arctan

hs(1− xB/xe)

2√(yB − ye)2 + (xe − xB)2

+hs

2√h2s/4 + x2e

(arctan

yB − ye

(1− xB/xe)√h2s/4 + x2e

+ arctanye√

h2s/4 + x2e

)

+ye√

y2e + x2earctan

hs

2√y2e + x2e

]. (5.3)


Aufgrund der endlichen Lange ls der Leuchtflache ist Gleichung (5.3) nur fur 0 ≤ y′B ≤ lsgultig. Der meßbare Blendenweg ist somit auf den Bereich

xBxe

ye ≤ yB ≤(1− xB

xe

)ls +

xBxe

ye

beschrankt.

Fur eine Sensoranordnung mit den Abmessungen ls = 63mm, hs = 19mm, xe = 56,7mmund xB = 0 sind in Bild 5.8 die mit Beziehung (5.3) berechneten Verlaufe fur dreiEmpfangerpositionen ye = 0, ye = ls/2 und ye = ls gezeigt. Zum Vergleich sind die aneinem Sensor-Prototyp gemessenen Werte [5] eingetragen. Offensichtlich stimmen fur dieEmpfangerpositionen ye = 0 und ye = ls die Meßwerte nur schlecht mit den berechnetenVerlaufen uberein. Der Grund hierfur ist, daß bei diesen beiden Empfangerpositionender Strahlungseinfallswinkel bis zu ϑmax = arctan ls/xe = 48

betragt. Die Abweichungder kombinierten Richtcharakteristik (Fotodiode zusammen mit Leuchtzelle) von dergewunschten Richtcharakteristik ist gemaß Bild 5.6 bei diesen großen Einfallswinkelnsehr hoch. Fur den Empfanger bei ye = ls/2 hingegen betragt der maximale Einfallswin-kel ϑmax = 29

. Dementsprechend stimmen fur diese Empfangerposition die berechnetenWerte gut mit den Meßwerten uberein.

o o

oo

0 10 20 30 40 50 60

0

0:2

0:4

0:6

0:8

1

S

e=

S

e;m

ax

yB=mm

◊◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

◊

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

rs

ye = 0ye = ls=2

ye = ls

Bild 5.8: Empfangssignal Se einer Wegsensor-Anordnung in Abhangigkeit vom Blen-denweg yB fur drei verschiedene Empfangerpositionen ye. Dargestellt sind diemit Gleichung (5.3) berechneten Verlaufe (Linien) und die an einem Prototypgemessenen Werte (Einzelpunkte). Fur die Abmessungen der Sensoranord-nung gilt: ls = 63mm, hs = 19mm, xe = 56,7mm, xB = 0.


Ein Nachteil der beschriebenen Sensoranordnung ist der nichtlineare Zusammenhangzwischen dem Empfangssignal und dem Blendenweg. Eine Moglichkeit zur Linearisie-rung der Kennlinie bietet sich, wenn anstelle einer rechteckformigen Leuchtflache derenForm genau so dimensioniert wird, daß sich eine lineare Beziehung zwischen Blendenwegund Empfangssignal ergibt. Ausgangspunkt fur die Optimierung der Leuchtflachenformist Gleichung (5.3). Die Abmessung der Leuchtzelle in z-Richtung ist nicht mehr kon-stant, sondern hangt von der y-Koordinate der Leuchtzelle ab: hs = hs(ys). Fur dieLinearisierung der Kennlinie ist die Funktion hs(ys) so zu bestimmen, daß der Fehlerzwischen dem gewunschten Zusammenhang

Se,soll(yB) = CyB mit C = const.

und dem Empfangssignal Se = Se(hs,yB) gemaß Gleichung (5.3) moglichst klein wird.Eine Moglichkeit zur numerischen Losung dieses Problems bietet die Minimierung derquadratischen Fehlersumme:

E =∑i

e2i =∑i

(Se,soll(yB,i)− Se(hs,i,yB,i))2 → min .

Damit konnen fur eine Folge diskreter Blendenpositionen yB,i die Stutzpunkte hs,i furdie Form der Leuchtflache bestimmt werden.In Bild 5.9 ist die berechnete und die an einem Prototyp gemessene Kennlinie einesSensors mit der skizzierten Leuchtflachenform gezeigt. Fur die Abmessungen der Sen-soranordnung gilt ls = 63mm, hs = 19mm, xe = 67,6mm, xB = 0 und ye = ls/2. Diebeiden Verlaufe stimmen gut uberein. Die Nichtlinearitat der Kennlinie ist gering: bei ei-nem Blendenweg zwischen 6mm und 63mm wurde eine maximale Abweichung von 1,7%zwischen der berechneten Geraden und den gemessenen Werten festgestellt. Großere re-lative Fehler treten nur bei einem Blendenweg unterhalb von 6mm und dementsprechendkleinen Empfangssignalen auf.Die in Bild 5.9 dargestellte Leuchtzellenform stellt bei der Fertigung der Zellen in Sieb-drucktechnik kein Problem dar.

Fur eine praktische Realisierung des Wegsensors muß neben der Linearitat der Kenn-linie vor allem das Temperatur- und Langzeitverhalten der Fotodiode und insbeson-dere der Elektrolumineszenz-Leuchtzelle berucksichtigt werden. Die Kompensation derTemperatur- und Langzeitdrift kann uber ein Referenzsignal erfolgen, das die gleichenDrifteigenschaften wie das Meßsignal besitzt und dabei nicht von der Blendenpositionabhangig ist. Fur die Erzeugung dieses Referenzsignals gibt es mehrere Moglichkeiten.

Die Sensoranordnung nach Bild 5.10 ist in zwei Teile aufgeteilt. Der erste Teil der Leucht-flache und die obere Fotodiode dienen zur Messung des Blendenwegs. Die untere Foto-diode erfaßt die Emission des zweiten Teils der Leuchtflache, die nicht von der Blendeabgedeckt wird und deshalb als Referenzsignal verwendet werden kann. Eine zwischenden Fotodioden angeordnete optische Abschirmung verhindert die gegenseitige Beein-flussung des Meß- und des Referenzkanals.


o o

oo

0 10 20 30 40 50 60

0

0:2

0:4

0:6

0:8

1

S

e=

S

e;m

ax

yB=mm

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

0 63

9:5

9:5

z

s

=

mm

ys=mm

Bild 5.9: Gemessene (×) und berechnete (—) Kennlinie des Wegsensors mit der dar-gestellten optimierten Leuchtflachenform. Abmessungen des Sensors: ls =63mm, hs = 19mm, xe = 67,6mm, xB = 0, ye = ls/2.

Da bei diesem Prinzip das Meß- und das Referenzsignal aus einer Leuchtzelle abgeleitetwird, kann unter der Voraussetzung, daß beide Fotodioden das gleiche Driftverhaltenaufweisen, die Temperatur- und Langzeitdrift der Leuchtzelle kompensiert werden. Einemogliche Schaltung fur die Signalauswertung ist ebenfalls in Bild 5.10 skizziert.

Bei der in Bild 5.11 gezeigten Variante fur die Erzeugung des Referenzsignals kom-men zwei getrennte Leuchtzellen zum Einsatz. Die Leuchtzellen werden mit zwei zeitlichversetzten Rechtecksignalen angesteuert, so daß entsprechend dem in Bild 4.10 gezeig-ten zeitlichen Verlauf der emittierten Strahlung die Fotodiode nacheinander das Signalder oberen Referenz-Leuchtflache und das vom Blendenweg abhangige Signal der unte-ren Leuchtflache empfangt. Anstelle der zuvor beschriebenen raumlichen Trennung desMeß- und des Referenzsignals wird hier also eine zeitliche Trennung vorgenommen. Miteiner Auswerteschaltung entsprechend Bild 5.11, die das Verhaltnis zwischen Meß- undReferenzsignal ermittelt, spielt das Driftverhalten der Fotodiode keine Rolle mehr, dadas Meß- und das Referenzsignal in gleicher Weise beeinflußt werden. Wenn außerdemdie zwei Leuchtzellen in einem gemeinsamen Schritt hergestellt werden und somit nahe-zu gleiche Eigenschaften besitzen, dann wird auch deren Temperatur- und Langzeitdriftkompensiert.

Mit der vorgestellten Anordnung konnen Wegmessungen mit hoher Linearitat realisiertwerden. Die Temperatur- und Langzeitdrift der eingesetzten Komponenten kann durchkonstruktive und schaltungstechnische Maßnahmen kompensiert werden. Der Meßbe-


Bild 5.10: Sensoranordnung mit Kompensation der Temperatur- und Langzeitdriftdurch Aufteilung der Leuchtflache und Verwendung zweier Fotodioden(Erlauterungen siehe Text).

Bild 5.11: Sensoranordnung mit Kompensation der Temperatur- und Langzeitdriftdurch Verwendung von zwei Leuchtflachen, die mit zeitlich versetzten Recht-eckspannungen angeregt werden (Erlauterungen siehe Text).

reich wird durch die Große der Elektrolumineszenz-Leuchtzelle bestimmt. EL-Leuchtzel-len im DIN-A3-Format oder großer lassen sich herstellen [95]. Die Querschnittsformder Blende ist im Prinzip beliebig. Beispielsweise konnen lichtundurchlassige Objekte


mit rundem Querschnitt (z.B. Ventilschaft, Hubstange) direkt als Blende fungieren. Eshandelt sich in diesem Fall auch um ein beruhrungsloses und somit verschleißfreies Meß-prinzip. Allerdings muß die Kennlinie fur jede Querschnittsform berechnet werden. EinNachteil der Sensoranordnung ist die hohe Breite, die durch den erforderlichen Abstandxe zwischen Leuchtflache und Strahlungsempfanger bedingt ist. Die Breite kann halbiertwerden, wenn ein Spiegel zur Strahlumlenkung eingesetzt wird. Damit ist es, wie inBild 5.12 skizziert, auch moglich, die Leuchtflache, die Fotodiode und die Ansteuer- undAuswerteschaltung auf einem planaren Schaltungstrager aufzubauen.


Bild 5.12: Wegsensor mit Spiegel zur Verringerung der Breite der Anordnung. Damitist es auch moglich, die Leuchtflache, die Empfangsdiode und die Ansteuer-und Auswerteschaltung auf einem planaren Schaltungstrager unterzubrin-gen.


5.3 Anzeigen mit EL-Leuchtzellen

Ein sehr großes Anwendungsgebiet fur Elektrolumineszenz-Leuchtelemente ist die Be-leuchtung von LC-Displays (Liquid-Crystal-Displays, Flussigkristall-Anzeigen). Es istdeshalb eine naheliegende Uberlegung, die LC-Anzeige direkt durch eine entsprechendeEL-Anzeige zu ersetzen. Durch die Moglichkeit der Herstellung strukturierter Leucht-flachen mittels der Siebdrucktechnik konnen einfache Anzeigetypen wie etwa Sieben-segment- oder Balkenanzeigen problemlos realisiert werden. Auch Matrixanzeigen lassensich in Siebdrucktechnik herstellen. Allerdings fuhrt die geringe Steilheit der Spannungs-Strahldichte-Kennlinie (siehe Bild 4.13, 4.16) zu einem sehr geringen Kontrast zwischenaktivierten und nicht aktivierten Bildpunkten in der Matrix [112]. Die Herstellung vonMatrixanzeigen wurde deshalb nicht weiter verfolgt.

Die Herstellung einer EL-Anzeige ist in Bild 5.13 am Beispiel einer Anzeige fur einTemperaturmeßgerat verdeutlicht. Bei diesem Display mit insgesamt 30 Leuchtsegmen-ten erfolgt die Darstellung des Temperaturwertes auf einer zweistelligen Siebensegment-Anzeige und auf einem Leuchtbalken mit 10 Segmenten. Zunachst wird eine Leitbahn-ebene mit den unteren Elektroden der Leuchtzellen und den Zuleitungen gedruckt.Nach einer doppelten Dielektrikumsschicht folgt dann die Leuchtstoffschicht, durch de-ren Strukturierung die Form der Leuchtsegmente bestimmt wird. Die gemeinsame obereElektrode (Backplane-Elektrode) der Leuchtzellen wird durch eine großflachig gedrucktetransparente Leitschicht gebildet. Fur die niederohmige Kontaktierung der oberen Elek-trode wird eine umlaufende Silber-Leitbahn gedruckt. Eine transparente Abdeckschichtschutzt die Anzeige vor Umwelteinflussen.

Die Ansteuerung der einzelnen Segmente der EL-Anzeige kann mit einer Bruckenschal-tung erfolgen5. Bei der parallelen Ansteuerung wird, wie in Bild 5.14 gezeigt, die Back-plane-Elektrode mit einem rechteck- oder sinusformigen Signal uBP angesteuert. Wirdan die zweite Elektrode eines Leuchtsegmentes ein zu uBP um 180 phasenverschobenesSignal angelegt, so leuchtet das Segment. Bei Ansteuerung der zweiten Elektrode miteinem phasengleichen Signal bleibt das Segment dunkel.Eine alternative Moglichkeit zur Ansteuerung eroffnet sich beim Multiplexbetrieb derAnzeige. Dabei werden die einzelnen Segmente nacheinander aktiviert. Soll in der Schal-tung nach Bild 5.15 das k-te Segment leuchten, so wird der Anschluß k mit einer rechteck-oder sinusformigen Spannung uSG angesteuert. Alle anderen Anschluße werden mit einerum 180 phasenverschobenen Spannung angesteuert. Das aktivierte Segment liegt dannin Serie zu der Parallelschaltung aller nicht-aktivierten Segmente. Besteht die Anzeigeaus insgesamt n Segmenten mit gleicher Flache, so betragt die Spannung am aktivier-ten

”Leuchtkondensator“ ca. das n−1

n-fache der Gesamtspannung wahrend an den nicht

aktivierten Segmenten etwa 1n-tel der Gesamtspannung abfallt. Bei hinreichend großer

5Eine Bruckenschaltung wird auch in vielen integrierten Schaltungen fur die Ansteuerung einzelnerEL-Leuchtzellen eingesetzt [92].


Bild 5.13: Druckfolge fur die Herstellung einer EL-Anzeige.

Bild 5.14: Prinzip der parallelen Ansteuerung aller Segmente einer EL-Anzeige.


Segmentanzahl n ist dann nur das Leuchten des aktivierten Segmentes wahrnehmbar.Das interessante an dieser Variante ist, daß eine Ansteuerung der Backplane-Elektrodenicht erforderlich ist. Allerdings ist die Realisierung des Multiplexbetriebes mit einemrelativ hohen Aufwand fur die Ablaufsteuerung verknupft [41].

Bild 5.15: Prinzip der Multiplex-Ansteuerung einer EL-Anzeige.

Eine wichtige Komponente fur die Ansteuerung von EL-Anzeigen sind Treiberschaltun-gen, die die fur den Betrieb der Leuchtzellen erforderliche hohe Spannung liefern. Sehreinfache und bezuglich des Wirkungsgrades gunstige Schaltungsstrukturen ergeben sich,wenn die Leuchtzellen mit einer rechteckformigen Spannung betrieben werden. Ein Bei-spiel fur eine mit wenigen diskreten Bauelementen realisierte Treiberschaltung ist inBild 5.16 dargestellt. Fur die Erlauterung der Schaltungsfunktion konnen die Konden-satoren C2 und C3 vernachlassigt werden. Sie dienen nur zum schnelleren Einschaltender Transistoren T1 und T2. Zunachst sei C1 entladen und die Eingangsspannung be-trage UE = 0V. Die Transistoren T1 und T2 sperren. Springt die Eingangsspannungvon 0 auf +UE,max, so wird T2 leitend. Das Potential an Punkt A steigt, die Diode D1

wird leitend und begrenzt die Spannung der in Sperrichtung gepolten Basis-Emitter-Strecke von T1. Transistor T1 bleibt gesperrt. Die Ausgangsspannung betragt UA ≈ 0V.Bei der negativen Flanke des Eingangssignals von +UE,max auf 0 geht Transistor T2 inden Sperrzustand uber. Das Potential an Punkt A sinkt um UE,max ab und T1 wirdleitend. Die Ausgangsspannung betragt UA ≈ UHV . Da der Kondensator C1 uber dieBasis-Emitter-Strecke von T1 und den Widerstand R1 aufgeladen wird, ist die Schal-tung nicht fur den statischen Betrieb geeignet. Die Frequenz des Eingangssignals darfeinen Wert, der durch die Zeitkonstante C1R1 bestimmt wird, nicht unterschreiten. Ge-genuber einer ohmschen Kopplung zeichnet sich die kapazitive Kopplung mit C1 durcheinen kleineren Ruhestrombedarf aus. Mit dieser Treiberschaltung wurde beispielswei-se eine EL-Balkenanzeige mit 12 Segmenten realisiert [112] . Nachteil dieser diskretenSchaltung ist der hohe Platzbedarf. Insbesondere bei EL-Anzeigen mit vielen Segmentenwaren deshalb integrierte Treiberschaltungen wunschenswert. Spezielle Treiberschaltun-


gen fur EL-Anzeigen sind allerdings nicht am Markt verfugbar. Es zeigte sich jedoch,daß Ansteuerschaltungen, die fur Piezoelemente in den Druckkopfen von Tintenstrahl-druckern konzipiert sind, auch fur die Ansteuerung von EL-Anzeigen eingesetzt werdenkonnen.Diese Treiberschaltungen besitzen maximal 64 Ausgange und konnen eine Gleichspan-nung von bis zu 300V schalten [105]. Mit einem derartigen Ansteuerbaustein wurde zuDemonstrationszwecken ein batteriebetriebenes Temperaturmeßgerat mit einer Elektro-lumineszenz-Anzeige realisiert. Das Blockschaltbild des Gerates ist in Bild 5.17 gezeigt.Die 30 Segmente der EL-Anzeige werden von dem integrierten Hochspannungstreibermit einer Rechteckspannung angesteuert. Die Ansteuerung der Backplane-Elektrode derAnzeige, uber die der Strom aller Leuchtzellen fließt, erfolgt uber einen komplementarenSource-Folger, der seinerseits von einem Ausgang des integrierten Treibers gesteuertwird. Die fur den Betrieb der Anzeige erforderliche hohe Spannung (hier ca. 130V) wirddurch einen Aufwarts-Schaltwandler aus der Batteriespannung erzeugt. Als Tempera-tursensor fur das Meßgerat wird ein Baustein verwendet, der uber eine I2C-Schnittstellemit dem zentralen Mikrokontroller verbunden ist. Der Mikrokontroller fragt die Tempe-raturwerte ab, nimmt eine Umkodierung fur die Anzeige vor und ubertragt die Daten furdie Anzeige uber eine serielle Verbindung in den Hochspannungstreiber. Dieser besitzteinen Steuereingang, mit dem alle Ausgangssignale gleichzeitig invertiert werden konnen.Der Eingang wird von einem Rechteck-Oszillator angesteuert. An den Ausgangen desTreibers entstehen deshalb Rechteckspannungen, deren Phasenlage abhangig von denvom Mikrokontroller ubertragenen Daten 0 oder 180 betragt (in Bezug auf das Os-zillatorsignal). Auf diese Weise konnen die angeschlossenen Segmente der Anzeige helloder dunkel geschaltet werden.Die Detailschaltung des Temperaturmeßgerates ist in Bild 5.18 und 5.19 dargestellt. Beider Realisierung des Gerates wurde die EL-Anzeige direkt auf den FR4-Schaltungstragermit der Ansteuerelektronik gedruckt [79]. Auf diese Weise ist es gelungen, ein sehr flachesGerat herzustellen. Die Abmessungen und weitere technische Daten sind in Tabelle 5.1aufgefuhrt6. Bild 5.20 zeigt ein Foto des Gerates.

Versorgungsspannung 6V . . . 15V, typ. 9VStromaufnahme EL-Anzeige, Hochspannungstreiberund Aufwarts-Schaltregler

8mA . . . 11mA

Stromaufnahme der Gesamtschaltung 20mAAbmessungen der Gesamtschaltung 94× 73× 7mm3

Ziffernhohe der EL-Anzeige 18mm

Tabelle 5.1: Kenndaten des Temperaturmeßgerates mit Elektrolumineszenz-Anzeige.

6Da der verwendete Temperatursensor Ansprechzeiten im Bereich einiger 100ms besitzt, ist es aus-reichend, den angezeigten Temperaturwert nur im Sekundentakt zu aktualisieren. Zur Senkung derStromaufnahme des Gerates wird in der Zwischenzeit der Mikrokontroller in einen Stromsparmodusversetzt, in dem die Programmausfuhrung angehalten wird.


Bild 5.16: Treiberschaltung fur EL-Leuchtelemente mit diskreten Bauelementen.

Bild 5.17: Blockschaltbild des batteriebetriebenen Temperaturmeßgerates mitElektrolumineszenz-Anzeige.


Bild 5.18: Teilschaltbild des batteriebetriebenen Temperaturmeßgerates mit Elektro-lumineszenzAnzeige. Gezeigt ist die Spannungsversorgung fur den Mikro-prozessor und den Hochspannungstreiber, der Mikrokontrollereinheit, derTemperatursensor und die Takterzeugung fur die EL-Anzeige.


Bild 5.19: Teilschaltbild des batteriebetriebenen Temperaturmeßgerates mit Elek-trolumineszenzAnzeige. Dargestellt ist der Hochspannungstreiber, derBackplane-Treiber und die EL-Anzeige (schematisch).


Bild 5.20: Foto des batteriebetriebenen Temperaturmeßgerates mit Elektrolumines-zenz-Anzeige. Das obere Bild zeigt die Vorderansicht mit der direkt auf denFR4-Schaltungstrager aufgedruckten EL-Anzeige. Im unteren Bild ist dieRuckseite des Schaltungstragers mit der Gesamtschaltung des Meßgerateszu erkennen.


5.4 Ubertragung analoger Signale mit EL-Leuchtzellen

5.4.1 Vorbemerkungen

Neben der Hauptanwendung von EL-Leuchtzellen, namlich der Beleuchtung beispiels-weise von Flussigkristall-Anzeigen oder Folientastaturen, sind auch Anwendungen furdie optische Signalubertragung denkbar. Da die Leuchtzellen mit einer Wechselspan-nung hoher Amplitude angesteuert werden mussen und heute verfugbare Leuchtstoffeinsbesondere bei hohen Anregungsfrequenzen eine beschrankte Lebensdauer besitzen,stellen Elektrolumineszenz-Leuchtzellen dort, wo es nur um die Signalubertragung geht,sicherlich keine Konkurrenz zu den in der modernen Nachrichtentechnik eingesetztenLumineszenz- oder Laserdioden dar. Vom Grundsatz her bleibt es jedoch eine interes-sante Frage, ob und auf welche Weise eine Signalubertragung mit Elektrolumineszenz-Leuchtzellen moglich ist.

Die optische Ubertragung analoger Signale mit EL-Leuchtelementen ist nur bei Ver-wendung geeigneter Modulationsverfahren moglich. Eine direkte Signalubertragung, beider die emittierte optische Strahlungsleistung unmittelbar durch das Signal gesteuertwird, kann aufgrund der in Kapitel 4.2.2.3 diskutierten Eigenschaften der Leuchtzellennicht realisiert werden. Als Modulationsverfahren kommen vor allem die Pulsweiten-modulation (PWM) und die Pulsfrequenzmodulation (PFM) in Frage. Modulator- undDemodulatorschaltungen fur diese Verfahren lassen sich ohne großen Aufwand realisie-ren. Die Verstarkung der rechteckformigen PWM- und PFM-Signale fur die Ansteuerungder Leuchtzellen kann mit einfachen Treiberschaltungen erfolgen. Fur eine hohe Lebens-dauer der El-Zellen ist bei beiden Verfahren zu berucksichtigen, daß die Anregungsfre-quenz nicht zu groß sein und die Anregungsspannung keinen Gleichanteil aufweisen darf(Kapitel 4.2.2.6).

5.4.2 Signalubertragung mit Pulsweiten-Modulation

Eine Schaltung fur die Ubertragung pulsweitenmodulierter Signale (PWM-Signale) mitElektrolumineszenz-Leuchtzellen ist in Bild 5.21 gezeigt [87]. Die direkte Ansteuerungeiner Leuchtzelle mit dem PWM-Signal ist aus zwei Grunden nicht moglich. Zum einensind die Lichtimpulse, die die Leuchtzelle bei der ansteigenden und der abfallendenFlanke des PWM-Signals emittiert, identisch. Die Rekonstruktion des Signals aus deremittierten optischen Strahlung ist deshalb nicht moglich. Zum anderen kann das PWM-Signal einen Gleichanteil aufweisen, der, wie in Kapitel 4.2.2.6 beschrieben, zu einer dra-stischen Verkurzung der Lebensdauer der Leuchtzellen fuhrt.Fur die Ubertragung werden deshalb zwei Leuchtzellen verwendet. Die als Frequenztei-ler verschalteten Flip-Flops FF1 und FF2 erzeugen die Ansteuersignale fur diese beiden


Bild 5.21: Sender- und Empfangerschaltung fur die Ubertragung von PWM-Signalenmit EL-Leuchtzellen. Erlauterungen siehe Text.


Leuchtzellen so, daß die Zelle Z1 bei jeder ansteigenden Flanke und die Zelle Z2 bei jederabfallenden Flanke des PWM-Signals einen

”Lichtimpuls“ emittiert. Die Leuchtzellen-

Treiber TR1 und TR2 (Schaltung siehe Bild 5.16) werden mit differentiellen Signalenangesteuert. Da das Tastverhaltnis der Ansteuersignale 50% betragt, weist die Spannungan den Leuchtzellen keinen Gleichspannungsanteil auf.Die Lichtimpulse der Leuchtzellen konnen uber zwei raumlich getrennte Kanale ubertra-gen und durch zwei Empfangerschaltungen wieder in elektrische Signale umgewandeltwerden. Die Rekonstruktion des PWM-Signals aus den Empfangssignalen ist problemlosmoglich. Steht fur die optische Ubertragung jedoch nur ein Kanal zur Verfugung, dannsind zusatzliche Maßnahmen erforderlich. In Bild 5.21a werden die Treiberschaltungenfur die Leuchtzellen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen (UHV1 > UHV2) be-trieben und liefern somit unterschiedlich große Ausgangsspannungen. Die Amplitudender emittierten Lichtimpulse sind deshalb ebenfalls unterschiedlich groß (Bild 5.22) undermoglichen die eindeutige Identifizierung der ansteigenden und abfallenden Flanke desPWM-Signals. Fur die Ubertragung ist nur ein Kanal und ein Empfanger erforderlich.Die Rekonstruktion des PWM-Signals kann mit der Schaltung nach Bild 5.21b erfolgen.Die einzelnen Signale in der Empfangsschaltung sind in Bild 5.22 wiedergegeben. Uberdie Fotodiode D1 und den mit OP1 realisierten I/U-Konverter wird das optische Signalin eine elektrische Spannung umgesetzt. Mit den Komparatoren K1 und K2 werden dieempfangenen Lichtimpulse detektiert. Die Schaltschwellen sind uber die WiderstandeR1, R2 und R3 so eingestellt, daß Komparator K1 nur fur den großeren Lichtimpulseinen Ausgangsimpuls liefert wahrend Komparator K2 bei jedem Lichtimpuls ein Aus-gangssignal erzeugt. Uber eine Digitalschaltung mit den Flip-Flops FF3 und FF4 kannaus den Komparatorsignalen das gewunschte PWM-Signal rekonstruiert werden.

Bild 5.22: Signalformen in der PWM-Empfangerschaltung. Zuordnung sieheBild 5.21b.


5.4.3 Signalubertragung mit Pulsfrequenz-Modulation

In der Schaltung nach Bild 5.23 wird fur die Ubertragung eines analogen Signals mit einerElektrolumineszenz-Leuchtzelle das Verfahren der Pulsfrequenz-Modulation eingesetzt[87]. Die Schaltung dient zur Wirkleistungsmessung in einem 230V-Netz. Der Aufbau derSchaltung erfolgte in Dickschicht-Hybridtechnik auf einer Standard-Dickschichtkeramik.Mit der EL-Leuchtzelle Z wird das frequenzmodulierte Meßsignal durch die Keramikhindurch auf die Substratruckseite ubertragen. Dort wandelt ein Phototransistor dasoptische Signal wieder in ein elektrisches Signal um. Die galvanische getrennte Signal-ubertragung durch die Dickschichtkeramik mit ihren ausgezeichneten Isolationseigen-schaften erlaubt eine einfache und sichere Weiterverarbeitung des Meßsignals.

Die Bestimmung der Wirkleistung erfolgt mit dem integrierten Baustein IC1. Dieser lie-fert am Ausgang F1 eine Rechteckspannung mit einer Frequenz, die proportional zumMittelwert des Produktes der Spannungen an den (differentiellen) Eingangen V1 undV2 ist. Die Spannung an der Last wird uber den Spannungsteiler R2-R3 dem EingangV2 zugefuhrt. Fur die Erfassung des Laststromes wird die Spannung uber dem Shunt-Widerstand R6 am Eingang V2 verwendet. Die Frequenz des Ausgangssignals am An-schluß F1 ist dann proportional zu der von der Last aufgenommenen Wirkleistung7. ZumSchutz des Schaltkreises IC1 vor transienten Uberspannungen auf der Netzleitung dienendie Klemmdioden D1 bis D5 und der Varistor R7. Die Eingangsspannungen der KanaleV1 und V2 werden im Baustein digitalisiert. Zur Reduktion von Aliasing-Effekten dienenTiefpaßfilter, die von den Kondensatoren C1 bis C4 zusammen mit den korrespondie-renden Widerstanden R1 bis R5 gebildet werden. Leider besitzt das Ausgangssignal desBausteins am Anschluß F1 ein Tastverhaltnis ungleich 50%. Fur die Ansteuerung derEL-Zelle wird deshalb eine Umformung des frequenzmodulierten Signals vorgenommen(Bild 5.24). Mit der ansteigenden Signalflanke wird der Ausgang von FF1 (GT) gesetzt.Damit wird das Taktsignal von Ausgang Q11 (CLK) des Taktgenerators IC2 uber Gat-ter G1 auf den Dezimalzahler IC3 geschaltet (CNT). Dieser aktiviert mit jedem Taktnacheinander die Ausgange Q0-Q9. Nach dem vierten Takt wird Ausgang Q3 gesetztund das Flip-Flop FF1 zuruckgesetzt. Uber das Verzogerungsglied G2 wird kurze Zeitspater auch der Dezimalzahler IC3 zuruckgesetzt und der Ausgangszustand ist wiedererreicht. Die Leuchtzelle Z wird von den Ausgangen Q1 und Q2 des Zahlers uber dieTreiber TR1 und TR2 (Schaltung siehe Bild 5.16) angesteuert. Bei jeder ansteigendenFlanke des frequenzmodulierten Signals F1 emittiert die Leuchtzelle drei

”Lichtimpulse“.

Die resultierende Spannung uber der Leuchtzelle besitzt keinen Gleichspannungsanteil.Die Rekonstruktion des frequenzmodulierten Signals auf der Empfangsseite kann durcheinen einfachen Frequenzteiler mit dem Teilerfaktor 3 erfolgen.

7Am Eingang V2 wird genaugenommen die Spannung an der Last abzuglich der Spannung am Shunt-Widerstand R6 gemessen. Der resultierende Meßfehler ist jedoch vernachlassigbar.


Bild 5.23: Schaltung des Leistungs-Meßgerates. Die Schaltung fur den Empfang desoptischen Signals der Leuchtzelle Z ist nicht dargestellt.


Bild 5.24: Signalverlaufe im Digitalteil des Leistungs-Meßgerates (Erlauterungen imText).

116

6 Zusammenfassung und Ausblick

Wie uberall in der Elektronik wird auch der Bereich der Optoelektronik mit standigsteigenden technischen, okonomischen und auch okologischen Anforderung konfrontiert.Der Einsatz der Dickschicht-Hybridtechnik, die als erprobte Aufbau- und Verbindungs-technik fur elektronische Schaltungen bekannt ist, bietet auch bei der Herstellung opto-elektronischer Komponenten und Systeme Moglichkeiten, diesen Anforderungen gerechtzu werden. Bislang jedoch erfullt die Dickschichttechnik in der Optoelektronik nur

”klas-

sische“ elektrische, mechanische und thermische Funktionen. Die Realisierung optischerFunktionen oder integrierter optoelektronischer Bauelemente stellt eine Herausforderungfur die Dickschichttechnik dar, die sowohl technisch als auch wirtschaftlich interessantePerspektiven bietet.

Im Hinblick auf die Realisierung optischer Funktionen werden deshalb im ersten Teil derArbeit die optischen Eigenschaften herkommlicher Dickschichtmaterialien untersucht.Es sind dies Substrate aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und niedrig sinternde Ke-ramikfolien (LTCC) fur Cofire- und Transfer-Anwendungen. Die Untersuchungen umfas-sen das Streuverhalten der Substrate fur verschiedene Einfallswinkel der Strahlung, denTransmissions- und Reflexionsgrad in Abhangigkeit von der Materialstarke und der Wel-lenlange der optischen Strahlung sowie die Messung des Brechungsindexes fur einige aus-gewahlte Probanden. Dabei zeigt sich, daß nahezu alle Dickschicht-Substratmaterialienein ausgepragtes Streuverhalten aufweisen. Einzige Ausnahme stellen polierte AlN-Sub-strate dar. Bei diesen ist schon bei kleinen Einfallswinkeln eine gerichtete Reflexion zubeobachten. Der Transmissions- und Reflexionsgrad von Al2O3-Dickschichtsubstraten istin einem Bereich zwischen 440 nm und 1000 nm nahezu unabhangig von der Wellenlange.Bei LTCC- und AlN-Substraten tritt eine deutlichere Abhangigkeit des Transmissions-grades von der Wellenlange zutage. Bis auf die AlN-Substrate eines Herstellers, bei denenAbsorptionsmaxima meßbar sind, steigt bei allen Substratmaterialien der Transmissions-grad mit zunehmender Wellenlange an. Fur das typische Al2O3-Dickschicht-Substrat miteiner Dicke von 0,635mm betragt der Transmissionsgrad τ ≈ 0,2 fur λ = 670 nm.Bei der Untersuchung des Reflexionsverhaltens von Dickschicht-Metallisierungen auf derBasis von Gold, Silber und Silber-Palladium zeigt sich anhand der Streuindikatrix, daßdie Reflexion nicht vollstandig, sondern nur teilweise gerichtet erfolgt. Der Reflexions-faktor ρ der Dickschicht-Metallisierungen ist um etwa 6% bis 15% kleiner als der Reflexi-onsfaktor der reinen Basismetalle. Die untersuchten Dickschicht-Widerstandsschichten,


die auf Metalloxiden bzw. Mischungen aus Metallen und Metalloxiden basieren, besitzeneinen Reflexionsfaktor zwischen 0,059 und 0,069. Bei niederohmigen Widerstandspa-sten ist die Streuindikatrix der reflektierten Strahlung ahnlich wie die von Dickschicht-Metallisierungen; mit steigendem Flachenwiderstand und somit steigendem Glasanteilder Pasten erfolgt die Reflexion zunehmend gerichtet. Eine teilgerichtete Reflexion fin-det sich bei Schutzglasuren und Glaslotschichten. Es ist festzuhalten, daß durch eineErhohung der Spitzen-Einbrenntemperatur die Oberflachenrauhigkeit von Schutzglasu-ren reduziert wird und damit eine zunehmend gerichtete Reflexion auftritt. Aufgrunddes hohen Bleianteils ist der Brechungsindex der untersuchten Schutzglasuren und Glas-lotschichten mit n = 1,74 . . . 1,87 sehr groß.

Der zweite Teil der Arbeit setzt sich mit der Frage auseinander, inwieweit das Stan-dardmaterial der Optik, namlich Glas, als Substratmaterial fur den Aufbau von Dick-schichtschaltungen geeignet ist. Als Randbedingung galt dabei, daß nur kommerziellverfugbare Dickschichtpasten und Glassubstrate eingesetzt werden sollten. Mit Pasten,die bei einer Spitzen-Temperatur von 625 C eingebrannt werden, ist die Herstellung vonDickschicht-Leitbahnen auf dem ausgewahlten Glassubstrat-Typ moglich. Von den ver-schiedenen untersuchten Silber-, Silber-Palladium- und Gold-Platin-Pasten weist eineAg- und eine AgPd-Paste Haftfestigkeitswerte auf, die auch unter verscharften Um-weltbedingungen uber langere Zeitraume ausreichend hoch sind. Diese beiden Pastensind auch fur die Herstellung von Drahtbondverbindungen geeignet. Aus den gemesse-nen Abzugskraften folgt, daß Ball-Wedge-Bonds mit Golddraht sowohl auf der Ag- alsauch auf der AgPd-Metallisierung auch bei hohen Temperaturen uber langere Zeitraumeohne Einschrankungen eingesetzt werden konnen. Wedge-Wedge-Bonds mit Aluminium-Dunndraht erreichen nur auf Pads aus der AgPd-Paste die gewunschten hohen Abzugs-krafte bei einer Lagerung bei 150 C uber 1000 h. Die Flachenwiderstande der Leitpastensind bei Glassubstraten durch die begrenzte maximale Einbrenntemperatur von 625 Cetwas großer als die Flachenwiderstande der gleichen Pasten auf Al2O3-Substraten beieiner Einbrenntemperatur von 850 C.Fur die Herstellung von Dickschichtwiderstanden auf Glassubstraten wird ein Polymer-Pastensystem und ein Pastensystem auf Glasbasis untersucht. Die Herstellung von Po-lymer-Widerstanden auf Glassubstraten ist aufgrund der niedrigen Prozeßtemperaturvon maximal 220 C problemlos moglich. Die Polymer-Widerstande, die mit einem La-ser abgeglichen werden konnen, weisen jedoch unter verscharften Umweltbedingungen(85 C, 85% R.H.) eine hohe Drift auf. Der Widerstandswert ist insbesondere sehr starkvon der Luftfeuchtigkeit abhangig. Die Herstellung von Dickschichtwiderstanden mitden Pasten auf Glasbasis, die bei einer Maximaltemperatur von 625 C eingebrannt wer-den, ist problematisch. Werden fur die Kontaktierung die zuvor erwahnten Ag- undAgPd-Pasten eingesetzt, so treten vielfach Risse im Glassubstrat auf. Diese treten nichtauf, wenn zuerst die Widerstandsschichten gedruckt und eingebrannt werden und dannfur die Kontaktierung eine bei 220 C aushartbare Polymer-Silberpaste eingesetzt wird.Allerdings zeigen derartige Dickschicht-Widerstande wahrend oder nach einer Feuchtela-


gerung zum Teil sehr hohe plotzliche Anderungen des Widerstandswertes. Dieser Effektverbietet einen Einsatz der untersuchten Widerstandspasten auf Glasbasis.Bei der Herstellung von Leitbahnuberkreuzungen mit Dielektrikumspasten auf Glasbasistreten ahnliche Probleme wie bei Dickschichtwiderstanden auf Glasbasis auf. Bei allenuntersuchten Pasten sind entweder Risse in der Isolationsschicht selbst oder Risse imGlassubstrat zu beobachten. Keine Probleme treten bei der Herstellung auf, wenn Po-lymerpasten fur den Isolationsdruck und Polymer-Silberpasten fur die uberkreuzendeLeitbahn eingesetzt werden. Nach einer Feuchtelagerung bei ϑ = 85 C und 85% relati-ver Luftfeuchte fur t = 168 h sind an den untersuchten Teststrukturen jedoch deutlicheSilber-Migrationserscheinungen sichtbar. Fur Schaltungen, die auch unter verscharftenUmweltbedingungen zuverlassig arbeiten sollen, ist diese Aufbautechnik nur bedingtpraktikabel.

Unter den optoelektronischen Bauelementen sind Elektrolumineszenz-Leuchtzellen der-zeit die einzigen Strahlungsquellen, die in Dickschichttechnik gefertigt werden konnen.In Kapitel 4.2 werden, nach einem Uberblick uber das zugrundeliegende physikalischeModell, die Eigenschaften dieser Bauelemente ausfuhrlich untersucht. Das Emissions-spektrum einer Leuchtzelle wird durch den eingesetzten Leuchtstoff und dessen Vorbe-handlung bestimmt. Bei einigen Leuchtstoffen ist daruber hinaus auch eine Abhangigkeitvon der Anregungsfrequenz bzw. der Impulsdauer der Anregungsspannung zu beobach-ten. Die Strahlungsleistung, die von den Zellen emittiert wird, ist von der Amplitude,der Frequenz und der Form der Ansteuerspannung abhangig. Die Zusammenhange zwi-schen der mittleren Strahlungsleistung und den Anregungsbedingungen sind bekannt.Neu ist die detaillierte Analyse des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsemission. Es zeigtsich, daß bei rechteckformiger Anregungsspannung der Zeitverlauf der Strahlungsleistungdurch die Uberlagerung zweier Exponentialfunktionen beschreibbar ist. Diese Beobach-tung stutzt das zugrundeliegende physikalische Modell. Die elektrischen Kennwerte, dieWirkleistungsaufnahme und der elekrisch-optische Wirkungsgrad von EL-Leuchtzellen,die aus einem kommerziell verfugbaren Pastensystem hergestellt sind, wurden erstmalsbestimmt. Bei sinusformiger Anregung mit z.B. Ueff = 115V, f = 400Hz betragt dieWirkleistungsaufnahme einer typischen Leuchtzelle 1,63mW/cm2. Die Zelle liefert dabeieine Leuchtdichte von ca. 80 cd/m2 bei einem Wirkungsgrad von 6,9%. Untersucht wur-de auch das Temperaturverhalten und das Langzeitverhalten der Leuchtzellen. Werdendie EL-Zellen bei Raumtemperatur und normaler Luftfeuchte betrieben, so betragt dieerreichbare Halbwertszeit 2400 h. Dieser Wert liegt deutlich unter den von den Herstel-lern angegebenen Halbwertszeiten1 der Leuchtstoffe von 10000 h . . . 20000 h. DramatischeVerhaltnisse ergeben sich, wenn die Zellen bei 85 C und 85% relativer Feuchte betriebenwerden. Dann sind Halbwertszeiten von 47 h und weniger feststellbar.Der Aufbau einer EL-Leuchtzelle erfolgt entweder auf einem ITO-beschichteten Glas-oder Kunststofftrager, mit lichtdurchlassigen Dickschicht-Leitpasten oder auf der Basis

1Uber die Umweltbedingungen, unter denen die angegebenen Halbwertszeiten ermittelt wurden, liegenkeine Angaben vor.


von Interdigitalstrukturen. Der Vorteil der beiden letztgenannten Varianten ist, daß dieHerstellung vollstandig in Dickschichttechnik erfolgen kann. Leitschichten aus den licht-durchlassigen Dickschicht-Leitpasten weisen im Vergleich zu gesputterten ITO-Schichtenauf Glas oder Kunststoff einen hoheren Flachenwiderstand und einen geringeren Trans-missionsgrad auf. Die erreichbare Strahldichte und der Wirkungsgrad der Leuchtzellensind entsprechend geringer. Auch mit Leuchtzellen auf der Basis von Interdigitalstruk-turen lassen sich nur geringe Strahldichten erzielen.

Die vorgestellten Untersuchungsergebnisse bilden eine Basis fur den Einsatz der Dick-schichttechnik bei der Fertigung optoelektronischer Systeme und Komponenten. In Ka-pitel 5 werden mehrere Anwendungen vorgestellt. Fur die Realisierung eines Leistungs-Optokopplers, bei dem elektrische Energie auf optischem Weg von einer Primar- aufeine Sekundarseite ubertragen wird, wird die Dickschichttechnik auf Glassubstraten ein-gesetzt. Die Energieubertragung erfolgt vollstandig galvanisch getrennt durch das Glas-substrat hindurch. Fur die Herstellung des Leistungs-Optokopplers werden ausschließlichdie bewahrten Verfahren der Dickschicht-Hybridtechnik angewandt.Neue Anwendungsmoglichkeiten fur Elektrolumineszenz-Leuchtzellen werden an meh-reren Beispielen aufgezeigt. Bei dem vorgestellten Wegsensor befindet sich zwischeneiner Leuchtzelle und einem Strahlungsempfanger eine bewegliche Blende. Das Emp-fangssignal des Strahlungsempfangers ist von der Position der Blende abhangig. Dermaximale Meßbereich des Sensors wird durch die Lange der Leuchtzelle bestimmt. DaElektrolumineszenz-Leuchtzellen auch großflachig hergestellt werden konnen, sind auchgroße Meßbereiche moglich. Durch den Einsatz der Dickschichttechnik zur Fertigung vonEL-Zellen sind nahezu beliebige Formen der Leuchtflache moglich. Diese Tatsache wirdausgenutzt, um durch eine geeignete Formgebung die Linearitat des Sensors zu erhohen.In einer weiteren Anwendung wird mit Elektrolumineszenz-Leuchtelementen eine Anzei-ge fur ein Temperatur-Meßgerat realisiert. Die Leuchtelemente werden in Dickschicht-technik direkt auf eine FR4-Leiterplatte aufgedruckt. Auf der Ruckseite der Leiterplattebefindet sich die gesamte Schaltung des Temperatur-Meßgerates. Auf diese Weise kannein kompaktes Meßgerat mit einer sehr geringen Bauhohe realisiert werden.Die detaillierte Untersuchung des zeitlichen Verlaufs der emittierten Strahlungsleistungvon EL-Leuchtzellen bildet die Grundlage fur den Einsatz der Zellen fur die Signaluber-tragung. Mit geeigneten Modulationsverfahren wie der Pulsdauer- oder der Pulsfre-quenzmodulation ist auch die Ubertragung analoger Signale moglich. EntsprechendeModulator- und Demodulator-Schaltungen fur die Signalubertragung mit EL-Leucht-zellen werden vorgestellt. Das Verfahren der Pulsfrequenz-Modulation kommt in einemLeistungs-Meßgerat fur 230V-Netze zur Anwendung. Die Schaltung ist in Dickschicht-Hybridtechnik auf einem Keramiksubstrat aufgebaut. Die von einem Verbraucher auf-genommene elektrische Wirkleistung wird gemessen und in ein pulsfrequenzmoduliertesSignal umgesetzt. Mit diesem Signal wird eine EL-Leuchtzelle angesteuert, die die In-formation durch die Keramik hindurch zu einer Empfangerschaltung auf der anderenSubstratseite ubertragt. Aufgrund der hervorragenden Isolationseigenschaften der Kera-


mik ist somit eine sichere, vom 230V-Netz galvanisch getrennte Weiterverarbeitung undAuswertung der Meßwerte moglich.

Neben den vorgestellten Beispielen fur den Einsatz der Dickschichttechnik bei der Ferti-gung optoelektronischer Systeme und Komponenten sind selbstverstandlich eine Vielzahlweiterer Anwendungen denkbar. Mit Dickschichtschaltungen auf Glassubstraten konnenbeispielsweise Reflexlichtschranken aufgebaut werden, bei denen das Glasubstrat so-wohl als Schaltungstrager als auch als Teil des Gehauses fungiert. Auf ahnliche Weisekonnen Farbsensoren, Regensensoren oder Module fur Infrarot-Fernbedienungen reali-siert werden. Fur die Herstellung von Displays stellt die Dickschichttechnik auf Glaseine Aufbau- und Verbindungstechnik dar, die sich entweder als Erganzung oder alsErsatz zu konventionellen

”Chip-on-Glass“-Dunnschichttechniken anbietet. Es konnen

auch Elektrolumineszenz-Leuchtzellen zusammen mit der Ansteuerschaltung und einerBatterie auf einem partiell mit ITO beschichtetem Glassubstrat hergestellt werden. An-wendungen hierfur finden sich fur

”leuchtende Anstecker“ oder ahnliche Artikel in der

Werbetechnik. Weitere Anwendungsgebiete fur die Dickschicht-Hybridtechnik wurdensich eroffnen, wenn auch optische Bauelemente eingesetzt werden. Mit Linsen, Pris-men, Aufnahmen fur Glasfasern oder ahnliche Bauelementen, die auf das Keramik- oderGlassubstrat montiert werden, konnten von der einfachen Gabellichtschranke bis hin zuoptischen Sender- und Empfangermodulen fur die Glasfaser-Ubertragungstechnik eineReihe interessanter Applikationen realisiert werden. Denkbar ist auch die Hybridintegra-tion optischer Bauelemente durch den Einsatz der Dunnschichttechnik oder durch dieVerwendung photostrukturierbarer Polymermaterialien.

Ein offenes Problem der Dickschichttechnik auf Glas ist die Herstellung von Dickschicht-widerstanden und Leitbahnuberkreuzungen, die auch unter verscharften Umweltbedin-gungen den Anforderungen im Hinblick auf Stabilitat und Zuverlassigkeit gerecht wer-den. Gefragt sind hier die Pastenhersteller. Fur großvolumige Anwendungen ist dieEntwicklung von Widerstands- und Dielektrikumspasten mit einem angepaßten thermi-schen Ausdehnungskoeffizienten sowohl technisch als auch wirtschaftlich machbar. DieVerfugbarkeit dieser Pasten ist eine unabdingbare Voraussetzung fur die vollstandigeAusschopfung des Potentials, das die Dickschichttechnik als Aufbau- und Verbindungs-technik fur die Optoelektronik bietet.

121

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Bildverzeichnis

2.1 Messung des Brewsterwinkels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Streuindikatrix fur Al2O3-Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Streuindikatrix fur LTCC-Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Streuindikatrix fur AlN-Substrate (poliert, gelappt) . . . . . . . . . . . . 14

2.5 Streuindikatrix fur AlN-Substrate (as-fired) . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.6 Streuindikatrix fur FR4-Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.7 Transmissionsgrad τ verschiedener Substratmaterialien . . . . . . . . . . 17

2.8 Reflexionsgrad ρ verschiedener Substratmaterialien . . . . . . . . . . . . 18

2.9 Zur Erklarung des Reflexionsverhaltens von Substratmaterialien . . . . . 21

2.10 Einfluß der Reflexion an Substratoberflachen auf den Reflexionsgrad . . . 22

2.11 Streuindikatrix fur Dickschicht-Leitbahnmaterialien . . . . . . . . . . . . 24

2.12 Streuindikatrix fur Dickschicht-Widerstandsmaterialien . . . . . . . . . . 25

2.13 Streuindikatrix der Overglaze-Paste 9137 (DuPont) . . . . . . . . . . . . 27

3.1 Abzugskrafte von Ag- und AgPd-Pads auf Glas . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2 Abreißkrafte von Dunndraht-Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Feuchte-Abhangigkeit eines Polymerwiderstandes . . . . . . . . . . . . . 36

3.4 Dickschichtwiderstand aus der Paste R3112 bei Feuchtelagerung . . . . . 39

3.5 Teststrukturen fur Leitbahnuberkreuzungen . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.6 Migrationserscheinungen an Leitbahnuberkreuzungen . . . . . . . . . . . 42

3.7 Dickschichtschaltung auf Glas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Bildverzeichnis 130

3.8 Rißbildung im Glas unter einem Lot-Anschlußpad . . . . . . . . . . . . . 44

3.9 Sichtbare Verunreinigungen unterhalb eines Bauelementes . . . . . . . . . 45

4.1 Prinzipieller Aufbau einer Elektrolumineszenz-Leuchzelle . . . . . . . . . 49

4.2 Elektrolumineszenz-Leuchterscheinungen an einem praparierten ZnS-Kristall 50

4.3 Feldverstarkung leitenden Einschlussen in Leuchtstoffpartikeln . . . . . . 51

4.4 Zur Verdeutlichung des bipolaren Feldemissions-Modells . . . . . . . . . . 51

4.5 Aufbau von EL-Leuchtzellen fur die meßtechnische Untersuchung . . . . 54

4.6 Emissionsspektren von EL-Phosphoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.7 Abhangigkeit Emissionsmaximums von der Anregungsfrequenz . . . . . . 56

4.8 Emissionsspektrums bei Ansteuerung mit unterschiedlichen langen Pulsen 57

4.9 Abstrahlcharakteristik einer EL-Leuchtzelle auf einer ITO-beschichtetenFolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.10 Zeitlicher Verlauf der Strahldichte bei rechteckformiger Anregung . . . . 60

4.11 Frequenzabhangigkeit der Zeitkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.12 Approximation der emittierten Strahlungsimpulse . . . . . . . . . . . . . 63

4.13 Mittlere Strahldichte bei rechteckformiger Anregung . . . . . . . . . . . . 64

4.14 Mittlere Strahldichte als Funktion der Anstiegs- und Abfallzeit . . . . . . 64

4.15 Zeitverlaufe der Strahldichte bei Sinusanregung . . . . . . . . . . . . . . 65

4.16 Kennwerte der Strahldichte bei sinusformiger Anregung . . . . . . . . . . 66

4.17 Admittanz einer EL-Zelle als Funktion der Frequenz . . . . . . . . . . . . 69

4.18 Wirkleistungsaufnahme Wirkungsgrad einer EL-Leuchtzelle . . . . . . . . 70

4.19 Temperaturabhangigkeit der Strahldichte einer EL-Zelle . . . . . . . . . . 71

4.20 Langzeitverhalten von EL-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.21 Aufbau einer EL-Leuchtzelle mit lichtdurchlassiger Leitpaste . . . . . . . 77

4.22 Spektraler Transmissionsgrad lichtdurchlassiger Leitschichten . . . . . . . 78

4.23 Frequenzabhangigkeit der Strahldichte von EL-Zellen mit verschiedenenlichtdurchlassigen Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.24 Abstrahlcharakteristik einer EL-Leuchtzelle in inverser Aufbautechnik . 81

Bildverzeichnis 131

4.25 Aufbau einer EL-Leuchtzelle auf der Basis eines Interdigitalkondensators 82

4.26 Leuchtdichte von EL-Zellen auf der Basis einer Interdigitalstruktur . . . 83

4.27 Ansatze zur Optimierung von Leuchtzellen mit Interdigitalstrukturen . . 84

4.28 ESB-Elemente einer EL-Zelle als Funktion der Bestrahlungs-Wellenlange 85

4.29 ESB-Elemente einer EL-Zelle als Funktion der Bestrahlungsleistung . . . 86

4.30 Zeitliches Verhalten der ESB-Elemente einer EL-Zelle bei Bestrahlung . . 86

5.1 Schaltbild des Leistungs-Optokopplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.2 Leistungs-Optokoppler in Dickschichttechnik auf einem Glassubstrat . . . 91

5.3 Kennlinien des Leistungs-Optokopplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.4 Prinzipielle Anordnung eines Wegsensors mit einer EL-Leuchtzelle . . . . 92

5.5 Erlauterung des Grundgesetzes der Strahlungsubertragung . . . . . . . . 93

5.6 Kombinierte Empfangscharakteristik einer Fotodiode und einer EL-Leuchtzelle 94

5.7 Geometrie des Wegsensors fur die Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.8 Empfangssignal einer Wegsensor-Anordnung in Abhangigkeit vom Blen-denweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.9 Kennlinie des Wegsensors mit optimierter Leuchtflachenform . . . . . . . 98

5.10 Wegsensoranordnung mit Kompensation der Temperatur- und Langzeitdrift 99

5.11 Wegsensoranordnung mit Kompensation der Temperatur- und Langzeitdrift 99

5.12 Wegsensor mit Spiegel zur Verringerung der Breite . . . . . . . . . . . . 101

5.13 Druckfolge fur die Herstellung einer EL-Anzeige . . . . . . . . . . . . . . 103

5.14 Prinzip der parallelen Ansteuerung einer EL-Anzeige . . . . . . . . . . . 103

5.15 Prinzip der Multiplex-Ansteuerung einer EL-Anzeige . . . . . . . . . . . 104

5.16 Treiberschaltung fur EL-Leuchtelemente mit diskreten Bauelementen . . 106

5.17 Blockschaltbild des Temperaturmeßgerates mit EL-Anzeige . . . . . . . . 106

5.18 Teilschaltbild des Temperaturmeßgerates mit EL-Anzeige . . . . . . . . . 107

5.19 Teilschaltbild des Temperaturmeßgerates mit EL-Anzeige . . . . . . . . . 108

5.20 Foto des Temperaturmeßgerates mit EL-Anzeige . . . . . . . . . . . . . . 109

5.21 Schaltung fur die Ubertragung von PWM-Signalen mit EL-Leuchtzellen . 111

Bildverzeichnis 132

5.22 Signalformen in der PWM-Empfangerschaltung . . . . . . . . . . . . . . 112

5.23 Schaltung des Leistungs-Meßgerates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.24 Signalverlaufe im Digitalteil des Leistungs-Meßgerates . . . . . . . . . . . 115

133

Tabellenverzeichnis

2.1 Ubersicht uber die untersuchten Substratmaterialien . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Dampfungskoeffizient S verschiedener Substratmaterialien . . . . . . . . 19

2.3 Reflexionsgrad ρ von Dickschicht-Leit- und Widerstandsschichten . . . . 26

2.4 Brechungsindex n verschiedener Dickschichtglaser . . . . . . . . . . . . . 27

3.1 Technische Daten Corning-Glas 7059 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2 Untersuchte Pasten fur Dickschichtstrukturen auf Glas . . . . . . . . . . 30

3.3 Flachenwiderstand von Leitpasten auf Glas und Keramiksubstraten . . . 34

3.4 Flachenwiderstande von Polymer-Widerstandspasten . . . . . . . . . . . 35

3.5 Flachenwiderstande und Schichtdicken fur die Pastenserie R3100 . . . . . 38

3.6 Flachenwiderstande und Schichtdicken fur R3100, modifizierte Herstellung 39

3.7 Kennwerte gedruckter Isolationschichten aus der Polymerpaste 242-SB . . 42

4.1 Materialien fur die Herstellung von EL-Leuchtzellen . . . . . . . . . . . . 53

4.2 Angaben zu den untersuchten Leuchtzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.3 Kennzahlen aus den Emissionsspektren der untersuchten Leuchtstoffe . . 58

4.4 Strahl- und Leuchtdichten fur sinus- und rechteckformige Anregung . . . 67

4.5 Kennwerte einer El-Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.6 Lichtdurchlassige Leitpasten fur EL-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.7 Flachenwiderstand der untersuchten lichtdurchlassigen Leitpasten . . . . 77

4.8 Vergleich von EL-Zellen in Standard- und inverser Aufbautechnik . . . . 79

5.1 Kenndaten des Temperaturmeßgerates mit EL-Anzeige . . . . . . . . . . 105

Diese Arbeit entstand in der Arbeitsgruppe Schaltungstechnik am Lehrstuhl fur Elek-tronische Meß- und Schaltungstechnik der Ruhr-Universitat Bochum.Dem Leiter dieser Arbeitsgruppe, Herrn Prof. Dr.-Ing. P. Dullenkopf, gilt mein ganzbesonderer Dank fur die Betreuung dieser Arbeit. In ihm fand ich in fachlicher und auchin personlicher Hinsicht einen bestandigen Forderer und Forderer. Weiterhin gilt meinDank Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Thust fur die Ubernahme des Koreferats und die kritischeAuseinandersetzung mit dieser Arbeit. Von den Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen desLehrstuhls bin ich Frau Regine Kupny und Frau Christine Purschwitz zu besonderemDank verpflichtet. Zahlreiche Untersuchungen, die fur diese Arbeit erforderlich waren,hatten ohne ihre uberaus tatkraftige, eigenstandige und zuverlassige Mitarbeit nichtdurchgefuhrt werden konnen. Fur die Anfertigung der erforderlichen mechanischen Ap-parate und Hilfsmittel mochte ich Herrn Ziaja und den Mitarbeitern der mechanischenWerkstatt fur ihre stets prazise und zuverlassige Arbeit danken. Bei meinen Kollegen giltmein besonderer Dank all denjenigen, die trotz der haufig sehr starken Beanspruchungnoch Zeit fanden, sich fur meine Arbeit zu interessieren sowie Einblicke in ihre eigeneArbeit zu gewahren. Allen Kollegen, Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen danke ich furdie angenehme und freundschaftliche Atmosphare.

Lebenslauf

Name: Achim Kohler, geb. Raab

Geburtsdatum: 31. Marz 1965

Geburtsort: Friedrichshafen

Familienstand: verheiratet seit dem 31. Mai 1999 mit Christina Kohler, ein Kind

Schulausbildung: August 71 bis Juli 75 Grundschule in EriskirchAugust 75 bis Juli 81 Realschule TettnangAugust 81 bis Juli 83 Elektronikschule Tettnang, Berufsausbildungzum Elektrotechnischen Assistenten, Erwerb der Fachhochschulreife

Studium: Marz 84 bis Juni 84 und Septemper 89 bis April 90 Studium an derFachhochschule Ravensburg-Weingarten, Fachbereich Elektrotechnik,Abschluß als Diplom-Ingenieur (FH).Thema der Diplomarbeit:

”Entwicklung eines storsicheren Datenuber-

tragungssystems“.

Oktober 91 bis Dezember 94 Studium an der Ruhr-Universitat Bo-chum, Erganzungsstudiengang der Fachrichtung Elektrotechnik;Diplomarbeit am Lehrstuhl fur Allgemeine Elektrotechnik und Aku-stik, Thema:

”Untersuchungen zum Entwurf von Filtern zur Appro-

ximation von Außenohrubertragungsfunktionen“;Diplom am 12. Dezember 94.

Berufstatigkeit: April 90 bis August 91 Entwicklungsingenieur am Steinbeis-Transfer-zentrum Anwenderorientierte Mikroelektronik, Weingarten.

Seit Januar 95 Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der ArbeitsgruppeSchaltungstechnik am Lehrstuhl fur Elektronische Meß- und Schal-tungstechnik der Ruhr-Universitat Bochum.

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Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- und ... · Dickschicht-Hybridtechnik als Aufbau- und Verbindungstechnik f¨ur die Optoelektronik –Eigenschaften, Bauelemente, Einsatzm¨oglichkeiten–