N N507 218240

NCBiR > Projekty badawcze - konkurs 40 > N N507 218240
Otrzymywanie i charakterystyka nowych bezołowiowych nieferroelektrycznych materiałów ceramicznych na kondensatory z zaporową warstwą wewnętrzną
nr kontraktu: 2182/B/T02/2011/40

Opracowanie metodyki wytwarzania w postaci litej ceramiki, grubych warstw i wielowarstwowych elementów LTCC oraz charakterystyka właściwości grupy nowych bezołowiowych materiałów nieferroelektrycznych o bardzo wysokiej przenikalności elektrycznej.

Data rozpoczęcia >> 25.05.2011
Data zakończenia >> 24.05.2014
Czas trwania >> 36 miesięcy
Koszt całkowity >> 0,40 mln zł
Państwa uczestniczące >> POLSKA

Podsumowanie projektu
Celem projektu było opracowanie metodyki wytwarzania w postaci litej ceramiki, grubych warstw i wielowarstwowych elementów LTCC (low temperature cofired ceramics - ceramika współwypalana w niskich temperaturach) oraz charakterystyka właściwości grupy nowych bezołowiowych materiałów nieferroelektrycznych o bardzo wysokiej przenikalności elektrycznej. Materiały te stanowią kondensatory z samorzutnie powstającymi wewnętrznymi warstwami zaporowymi. Przeprowadzono syntezę 20 materiałów o strukturze złożonego perowskitu o składzie A_2/3Cu₃Ti₄O₁₂ (A = Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, Bi), A_2/3CuTa₄O₁₂ (A = Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, Bi), AFe_1/2Nb_1/2)O₃, A(Fe_1/2Ta_1/2)O₃ i A(Fe_2/3W_1/3)O₃ (A =Ca, Bi). Dobrano optymalne warunki syntezy i spiekania poszczególnych materiałów. Badano składy, mikrostrukturę i właściwości dielektryczne otrzymanych materiałów i wytworzonych z nich elementów pojemnościowych przy użyciu metod dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS), mikroskopii skaningowej i spektroskopii impedancyjnej w szerokim zakresie temperatur i częstotliwości. Dla próbek ceramicznych przeprowadzone również pomiary przewodnictwa stałoprądowego i siły termoelektrycznej. Ceramika A_2/3Cu₃Ti₄O₁₂ ma jednofazowy skład, podczas gdy w składzie ceramiki A_2/3CuTa₄O₁₂ wykryto niewielkie ilości dodatkowych faz opartych na tlenkach tantalu, które zlokalizowano metodą EDS na granicach ziaren. W przypadku ceramiki A_2/3Cu₃Ti₄O₁₂ i A_2/3CuTa₄O₁₂ stwierdzono wzbogacenie granic ziaren w tlen i wnętrza ziaren w jony miedzi Cu⁺, co wpływa na izolacyjny charakter granic ziaren i półprzewodnikowy ziaren. Efektywna przenikalność elektryczna nieferroelektrycznych materiałów perowskitowych o składzie ACu₃Ti₄O₁₂ i A_2//3CuTa₄O₁₂ osiąga bardzo wysokie wartości na poziomie 10⁴-10⁶. Przyczyną tego efektu jest polaryzacja typu Maxwella-Wagnera związana z samorzutnym tworzeniem się kondensatorów z zaporowymi warstwami wewnętrznymi na granicach ziaren. Wyniki badań metodą spektroskopii impedancyjnej i EDS wskazują, że wytworzona ceramika zbudowana jest z półprzewodnikowych ziaren i granic ziaren o znacznie wyższej rezystancji. Na wykresach przenikalności w funkcji częstotliwości występuje niskoczęstotliwościowe plateau na poziomie 10⁴-10⁶ przesuwające się w stronę wyższych częstotliwości ze wzrostem temperatury. W niskich temperaturach występuje wysokoczęstotliwościowe plateau na poziomie 45-220, związane z samoistnymi właściwościami ziaren. Rezystancje i pojemności dla granic ziaren są o jeden do kilku rzędów wielkości wyższe niż w przypadku ziaren. Obok wysokiej efektywnej przenikalności elektrycznej interesująca z punktu widzenia potencjalnych zastosowań jest relatywnie wysoka, samoistna przenikalność tych materiałów w wysokich częstotliwościach. Przygotowano pasty dielektryczne na bazie Bi_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Y_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Bi_1/2Cu_1/2(Fe_1/2Ta_1/2)O₃, Bi_1/2Cu_1/2(Fe_1/2Nb_1/2)O₃ i Bi_1/2Cu_1/2(Fe_2/3W_1/3)O₃ i wykonano testowe kondensatory grubowarstwowe. Wybór tych składów związany był ze stosunkowo niską temperaturą spiekania dostosowaną do potrzeb konwencjonalnej technologii grubowarstwowej. Opracowano składy i wykonano metodą odlewania dielektryczne folie ceramiczne na bazie Bi_1/2Cu_1/2(Fe_1/2Ta_1/2)O₃, Bi_1/2Cu_1/2(Fe_1/2Nb_1/2)O_3, Bi_2/3Cu₃Ti₄O₁₂, Bi_2/3CuTa₄O₁₂ i Cu₂Ta₄O₁₂, które następnie wykorzystano do otrzymania wielowarstwowych kondensatorów technologią LTCC. Proces wytwarzania wielowarstwowych kondensatorów obejmował następujące operacje: przygotowanie gęstw, odlewanie i suszenie folii, ciecie laserem surowych arkuszy, projektowanie topologii kondensatora, nanoszenie sitodrukiem elektrod wewnętrznych, układanie w stos kilkudziesięciu warstw dielektrycznych, prasowanie izostatyczne, cięcie pakietów na poszczególne kondensatory, nanoszenie i wypalanie zewnętrznych równoległych polaczeń. Wytworzone kondensatory grubowarstwowe i wielowarstwowe charakteryzowały się drobnoziarnistą, zwartą mikrostrukturą warstw dielektrycznych, dobrą współpracą z warstwami przewodzącymi i wysoką pojemnością. Podstawowymi zaletami opracowanych w projekcie nowych materiałów na dielektryk kondensatorów są: bezołowiowy skład, stosunkowa prosta technologia wytwarzania kondensatorów z zaporową warstwą wewnętrzną podczas jednoetapowego procesu spiekania w atmosferze powietrza, bardzo wysoka efektywna przenikalność elektryczna w niskich częstotliwościach, relatywnie wysoka przenikalność elektryczna w wysokich częstotliwościach i przydatność wybranych składów dla technologii LTCC, zapewniającej postęp w zakresie miniaturyzacji i integracji elementów pojemnościowych.

Zastosowanie
Przewiduje się zastosowanie opracowanych w ramach projektu nowych materiałów dielektrycznych do wytwarzania kondensatorów z zaporową warstwą wewnętrzną w postaci kondensatorów płytkowych, grubowarstwowych i wielowarstwowych wykonanych przy użyciu technologii LTCC.

Praca została wykonana w ramach projektu badawczego nr N N507 218240, dofinansowanego z funduszy Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

Źródło:  Ośrodek Przetwarzania Informacji – Państwowy Instytut Badawczy

osoba odpowiedzialna: prof. D. Szwagierczak