FR2535313A1 - Process for the preparation of ceramics for multilayer capacitors. - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne la fabrication de céramiques pour condensateurs multicouches. The present invention relates to the manufacture of ceramics for multilayer capacitors.
Le condensateur céramique est devenu très important sur le plan économique, car son- développement est étroitement lié à celui de la microélectronique
Les tensions de claquage des condensateurs céramiques étant très élevées, les épaisseurs du matériau utilisé peuvent etre très faibles (20 pm) sans que cela modifie les caractéristiques diélectriques. Ainsi, à partir de 1960 sont apparus des condensateurs multicouches, réalisés par des techniques dites "Cerfeuil" (Thomson LCC), équivalents sur le plan dièlectrique à un grand nombre de condensateurs en pa- rallèle, ce qui permet d'obtenir des valeurs importantes de capacité (plusieurs centaines de pF) en conservant de faibles dimensions.The ceramic capacitor has become very important economically because its development is closely related to that of microelectronics.
Since the breakdown voltages of the ceramic capacitors are very high, the thicknesses of the material used can be very small (20 μm) without this modifying the dielectric characteristics. Thus, from 1960 appeared multilayer capacitors, made by techniques called "Cerfeuil" (Thomson LCC), equivalent in the dielectric plane to a large number of capacitors in parallel, which allows to obtain important values of capacity (several hundred pF) while keeping small dimensions.
La technologie actuellement mise en oeuvre repose sur une optimisation des idées des années 60 9 un ruban diélectrique de quelques dizaines de microns d'épaisseur est découpé en feuilles, les électrodes sont sérigraphiées sur une face et les feuilles sont empilées pour donner un "millefeuille" dans lequel sont découpés des condensateurs de quelques mm2
2 à quelques cm de surface. Les électrodes internes subissant le même cycle de frittage que la céramique (généralement à base de Gap03), elles doivent être géndralement en palladium ou en platine, qui ne s'oxydent pas et ne diffusent pas dans la céramique à la température de 1.3500C indispensable pour l'obtention d'une céramique dense et cohérente.The technology currently used is based on an optimization of the ideas of the 1960s 9 a dielectric ribbon of a few tens of microns thick is cut into sheets, the electrodes are screen printed on one side and the sheets are stacked to give a "millefeuille" in which capacitors of a few mm2 are cut
2 to a few cm of surface. Since the internal electrodes undergo the same sintering cycle as the ceramic (generally based on Gap03), they must be generally in palladium or platinum, which do not oxidize and do not diffuse in the ceramic at the temperature of 1.3500C essential to obtain a dense and coherent ceramic.
L'envolée des cours des métaux précieux a provoqué un bouleversement dans le domaine des multicouches, ob le prix des armatures peut atteindre 90 Ó du prix du condensateur; les céramistes doivent donc proposer des solutions moins coûteuses pour le marché "grand public". The soaring price of precious metals has caused an upheaval in the field of multilayers, and the price of reinforcement can reach 90 Ó of the price of the capacitor; Ceramists must therefore propose less expensive solutions for the "general public" market.
Une possibilité consistait à utiliser de nouveaux diélectriques. Les recherches se sont orientées vers des compositions à basse température de frittage (900-10000C), qui permettraient liutilisation de métaux assez bon marché pour les électrodes (Ag,Cu). Des solutions solides entre des composés à structure perowskite ou pyrochlore, à base d'oxyde de plomb : Pb (Fe2/3W1/3)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Pb(Fe1/2Nb1/2)
O3,Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 et présentant une constante diélectrique élevée (supFrieure à 10 000) sont les plus promet-teuses
L'étude de tels matériaux, déjà amorcée antérieurement, a été reprise en 1980 dans le laboratoire de la demanderesse.Le mécanisme de formation des phases perowskites de type Pb(AB)03, et l'influence de la repartition des phases et de la microstructure sur les caractéristiques électriques des céramiques (constante diélectrique, pertes et résistiví- té) y ont été étudiées (voir Etude de céramiques diélectri- ques à base d'oxyde de plomb : Pb(Mg13Nb2/3)O3 et Pb(Fe1/2 Nb1/2)03: par M. Leeune et J.P. Boilot, Colloque International sur les Nouvelles orientations des Composants Passifs, Paris,29 Mars 1982). One possibility was to use new dielectrics. Research has focused on low-temperature sintering compositions (900-10000C), which would allow the use of relatively inexpensive metals for electrodes (Ag, Cu). Solid solutions between perowskite or pyrochlore compounds based on lead oxide: Pb (Fe2 / 3W1 / 3) O3, Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) O3, Pb (Fe1 / 2Nb1 / 2)
O3, Pb (Zn1 / 3Nb2 / 3) O3 and having a high dielectric constant (greater than 10,000) are the most promising
The study of such materials, already begun previously, was taken again in 1980 in the laboratory of the plaintiff. The mechanism of formation of the phases perowskites of type Pb (AB) 03, and the influence of the distribution of the phases and the microstructure on the electrical characteristics of ceramics (dielectric constant, losses and resistivity) have been studied (see Study of dielectric ceramics based on lead oxide: Pb (Mg13Nb2 / 3) O3 and Pb (Fe1 / 2). Nb1 / 2) 03: by M. Leeune and JP Boilot, International Symposium on the New Orientations of Passive Components, Paris, March 29, 1982).
A ce sujet, voir également : Céramiques diélectriques polyphasées pour condensateurs de type II à base de perowski te et pyrochlore au plomb, par G. Deegardin, H. Bali et
B. Rameau, (Colloque cité).In this regard, see also: Polyphase dielectric ceramics for type II capacitors based on perowski and pyrochlore lead, by G. Deegardin, H. Bali and
B. Rameau, (Symposium cited).
La technique d'élaboration des céramiques est décrite en détail dans les documents susdits et comprend les étapes suivantes
- dosage
- mélange-broyage
- séchage
- chamottage
- broyage
- séchage
- pressage
- frittage.The technique for producing ceramics is described in detail in the aforementioned documents and comprises the following steps
- dosage
- mixing-grinding
- drying
- chamotte
- grinding
- drying
- pressing
- sintering.
On a maintenant trouvé qu'on peut améliorer sensiblement les propriétés et les caractéristiques des céramiques obtenues, et rendre celles-ci compatibles avec des électrodes internes en alliage Ag-Pd(dans un rapport d'environ 7030, par exemple), ce qui constitue des avantages technicoéconomiques importants,
L'invention a pour objet essentiel un procédé pour la fabrication de matériau céramique fritté à base d'oxydes (l-x) Pb(Mg13Nb23)03 + x Pb(Mgl/) Zn2/3)O3, avec x < 0,15 environ, caractérise -en ce que l.'opération de frittage comprend :: - - une montée en température à la vitesse de 2500C/
heure environ jusqu'à 5000C environ,
- un pallier à 500 C environ jusqu'à élimination pra
tiquement totale du liant,
- reprise de la montée en température à la vitesse
.de 2500C/heure environ jusqu'3 une température de 820-840 C,
- abaissement de la température jusqu 2000C envi
ron,
- montée rapide.en température, à la vitesse de 20
300C/minute environ, jusqu'à environ 10000C et main
tien sensiblement à cette température pendant envi
ron 6 heures pour cuisson du matériau.It has now been found that the properties and characteristics of the ceramics obtained can be substantially improved, and made compatible with internal Ag-Pd alloy electrodes (in a ratio of about 7030, for example), which constitutes significant technical and economic benefits,
The subject of the invention is essentially a process for the production of sintered ceramic material based on oxides (1 ×) Pb (Mg 13 Nb 23) 03 + x Pb (Mg / Zn 2/3) O 3, with x <0.15 approximately, characterized in that the sintering operation comprises: - - a rise in temperature at the speed of 2500C /
hour approximately up to 5000C,
- a plateau at 500 C until pra elimination
tically total of the binder,
- recovery of temperature rise to speed
from 2500C / hour to a temperature of 820-840C,
- lowering the temperature up to 2000C
ron,
- rapid rise.in temperature, at the speed of 20
300C / minute, up to about 10000C and hand
stay at this temperature for approx.
6 hours for baking the material.
En pratique, on utilise l'analyse thermogravimétrique ou tout autre technique analogue, pour déterminer la durée que doit avoir le premier palier à 5000C destiné au départ du liant. Cette durée peut être d'environ une demi-heure, sans que cela soit limitatif. Le liant qu'il convient alors d'éliminer est de l'alcool polyvinylique, et plus précisément une solution d'alcool polyvinylique à 10 dans l'eau. In practice, thermogravimetric analysis or any other similar technique is used to determine the duration that must be the first bearing at 5000C intended for the binder. This duration can be about half an hour, without this being limiting. The binder that must be removed is polyvinyl alcohol, and more specifically a polyvinyl alcohol solution in water.
L'abaissement de la température depuis la température de 820-8400C environ jusqu'à une température de 200 C environ ou moins peut se faire sous refroidissement, mais dans la pratique il est réalisé uniquement grâce à l'inertie thermique du four, après coupure de celui-ci. The lowering of the temperature from the temperature of about 820-8400C to a temperature of about 200 ° C or less can be done under cooling, but in practice it is achieved only through the thermal inertia of the oven, after cutting of it.
On a en effet trouvé qu'en opérant ainsi on obtient un matériau céramique ayant des caractéristiques diélectriques améliorées. Indeed, it has been found that by operating in this way a ceramic material having improved dielectric characteristics is obtained.
Au surplus, ce procédé permet de réaliser l'élaboration des matériaux céramiques voulus sans aucun ajout, ce qui constitue un avantage technologique et économique supplémentaire. Moreover, this process makes it possible to produce the desired ceramic materials without any addition, which constitutes an additional technological and economic advantage.
On a également trouvé que, contre toute attente, on améliore encore les caractéristiques diélectriques des céramiques telles que susdites en réalisant le frittage, soit conformément au procédé ci-dessus, soit même selon le procédé classique, en atmosphère de gaz neutre, notamment sous balayage d'azote. It has also been found that, against all odds, the dielectric characteristics of the ceramics, such as the above, are further improved by carrying out the sintering, either in accordance with the above process, or even according to the conventional method, in a neutral gas atmosphere, in particular under a sweep. nitrogen.
L'invention a donc en outre pour objet un procédé pour la fabrication de matériau céramique fritté tel que susdit, dans lequel l'opération de frittage est effectuée sous atmosphère de gaz neutre, avantageusement sous balayage d'azote. The invention therefore also relates to a process for the manufacture of sintered ceramic material as aforesaid, in which the sintering operation is carried out under a neutral gas atmosphere, advantageously under a nitrogen sweep.
L'invention a également pour objet un procédé pour la fabrication de condensateurs multicouches, notamment de condensateurs disques "sandwich", composés d'une pluralité d'unités des compositions diélectriques céramiques susdites (d'une épaisseur d'environ 0,5mm par exemple) séparées entre elles par des électrodes en métal ou en alliage non noble, notamment en alliage 30Pd-70Ag, l'ensemble étant fritté comme indiqué plus haut, les caractéristiques diélectriques des céramiques entrant dans la composition des condensateurs multicouches ainsi élaborés ne subissent pas d'altération notable. The invention also relates to a process for the manufacture of multilayer capacitors, in particular sandwich disk capacitors, composed of a plurality of units of the above-mentioned ceramic dielectric compositions (of a thickness of about 0.5 mm, for example ) separated from each other by electrodes made of metal or non-noble alloy, especially 30Pd-70Ag alloy, the assembly being sintered as indicated above, the dielectric characteristics of the ceramics used in the composition of the multilayer capacitors thus produced do not undergo noticeable alteration.
En variante le frittage de l'ensemble du matériau diélectrique et des électrodes peut être conduit en atmosphère de gaz neutre, par exemple sous balayage d'azote; les électrodes internes peuvent alors avantageusement être en nickel ou en alliage cuivre-nickel. As a variant, the sintering of all the dielectric material and the electrodes may be conducted in a neutral gas atmosphere, for example under a nitrogen sweep; the internal electrodes can then advantageously be made of nickel or copper-nickel alloy.
Les matériaux ainsi élaborés présentent des caractéristiques diélectriques qui permettent de les utiliser dans des condensateurs de type Z5U [K20 C : 5000-10000, Tg#20 C, 104 < 250, @20 C # 10" # , cm, #C (+10,+ 85 C) 1+20,
C20 C
-56%]
On obtient ces caractéristiques, pour les systèmes. The materials thus produced have dielectric characteristics which make it possible to use them in capacitors of Z5U type [K20 C: 5000-10000, Tg # 20 C, 104 <250, @ 20 C # 10 "#, cm, #C (+ 10, + 85 C) 1 + 20,
C20 C
-56%]
These characteristics are obtained for the systems.
d'oxydes précités, sans avoir à effectuer d'ajout, ce qui constitue un avantage technologique et économique supplémentaire. of the aforementioned oxides, without having to add, which constitutes an additional technological and economic advantage.
L'invention est décrite plus concrètement dans les exemples ci-après, qui ne la limitant aucunement. The invention is described more concretely in the examples below, which does not limit it in any way.
EXEMPLE 1 (l-x) pb(Mg1/3Nb2/3)O3 + X Pb(Znl/3Nb2/3) avec x = 0,1. EXAMPLE 1 (1-x) bp (Mg1 / 3Nb2 / 3) O3 + X Pb (Zn1 / 3Nb2 / 3) with x = 0.1.
1) Dosage.1) Dosage.
En tenant compte de la stoechiométrie de cette composition et des caractéristiques des matières premières, on a pesé sur une balance de précision des quantités appropriées des produits ci-après:
- oxyde de plomb (II) pour analyses, Merck, à 99% minimum,
- oxyde de niobium (V) optiquement pur, Merck, à 99,9 Ó au
minimum,
- hydroxycarbonate de magnésium pour analyses, Merck, à
58% de MgO.Taking into account the stoichiometry of this composition and the characteristics of the raw materials, a balance of precision of the appropriate quantities of the following products was weighed:
- lead oxide (II) for analysis, Merck, 99% minimum,
optically pure niobium oxide (V), Merck, at 99.9%
minimum,
- magnesium hydroxycarbonate for analysis, Merck, at
58% of MgO.
- oxyde de zinc pour analyses, Merck, à 99% au minimum. - zinc oxide for analysis, Merck, at least 99%.
On a mélangé ces composants, à sec, dans les proportions appropriées, dans un récipient en PVC et on a homogénéisé pendant 1 heure. These components were dry blended in the appropriate proportions into a PVC container and homogenized for 1 hour.
2) Broyage. 2) Grinding.
On a broyé le mélange obtenu en utilisant un dispositif d'attrition du commerce, dans les conditions suivantes:
cuve et pale en acier
billes de broyage en Zr 02 (diamètre 2mm)
t = 45 min. V= 300 tours/minute
liquide de broyage : acétone.The resulting mixture was milled using a commercial chopper under the following conditions:
steel tank and blade
grinding balls in Zr 02 (diameter 2mm)
t = 45 min. V = 300 rpm
grinding liquid: acetone.
Cette opération a permis d'obtenir une poudre ayant une granulométrie moyenne de 1,5 pm et une surface spécifique de 2,5 m2/g. This operation made it possible to obtain a powder having an average particle size of 1.5 μm and a specific surface area of 2.5 m 2 / g.
3) Séchage
Après le broyage en voie humide, on a opéré un séchage intensif sous épiradiateur de façon à garantir l'homogénéité du mélange.3) Drying
After the wet milling, intensive drying was carried out under the epiradiator so as to guarantee the homogeneity of the mixture.
4) Chamottage
Sur la poudre obtenue après séchage on a effectué un chamottage ou pré-frittage à 8O00C pendant 2 h 30, en nacelles d'alumine.4) Camouflage
On the powder obtained after drying, a chamotte or pre-sintering was carried out at 8O00C for 2 h 30 in alumina nacelles.
5) Broyage. 5) Grinding.
La poudre ae trouvant agglomérée après l'opération de chamottage, on a effectué un broyage dans un récipient en PUC, sous brassage dans un mélangeur tridimentionnel en présence d'acétone, en utilisant des billes de ZrO2. The powder was agglomerated after the champing operation, grinding was done in a PUC container, with stirring in a three-dimensional mixer in the presence of acetone, using ZrO 2 beads.
6) Séchage
On a opéré comme indiqué sous 3).6) Drying
We operated as indicated under 3).
7) Addition d'un liant de Dressage. 7) Addition of a dressage binder.
Avant de la presser, on a enrobé la poudre en y ajoutant du Rhodoviol (dénomination commerciale d'un alcool polyvinylique soluble), à raison de 3% en poids par rapport au poids total de poudre d'une solution à lOX en poids de ce produit dans l'eau. On a effectué cette addition de liant sur la poudre préalablement mise à l'état de barbotins aqueuse, elle-même maintenue sous agitation, afin d'assurer une meilleure répartition du liant. Before pressing, the powder was coated by adding Rhodoviol (trade name of a soluble polyvinyl alcohol), at 3% by weight relative to the total weight of powder of a solution at 10X by weight of this product. produced in water. This addition of binder was carried out on the powder previously put in the form of aqueous gypsum, itself kept under stirring, in order to ensure a better distribution of the binder.
8 )Preasage
On a séché la barbotine ainsi traitée, puis on a tamisé, au tamis de 350 um. 8) Preasage
The thus treated slurry was dried and then sieved through a 350 μm sieve.
La phase de pressage s'est déroulée de la manière suivante
- montée en pression : 1 min.The pressing phase proceeded as follows
- pressure rise: 1 min.
- P max - 29,4 107 Pa
- temps d'application de Pmax=l min.- P max - 29.4107 Pa
- application time of Pmax = l min.
- diamètre des pastilles : 20 mm. - diameter of the pellets: 20 mm.
9) Frittage
On a fritté les pastilles sur champ dans une nacelle en alumine, dans un four à éléments en chromite de lanthane (température fixée à + 2 C).9) Sintering
The pellets were sintered in an alumina nacelle in a lanthanum chromite element furnace (temperature set at + 2 ° C.).
Le CyClE thermique de cuisson était le suivant :
- montée en température jusqu'à 5000C, à la vitesse de
2500C/heure environ,
- palier d'environ 1/2 heure à 5000C,
- reprise de la montée en température, à la vitesse de
250 C/heure environ, jusqu'à 8300C,
- abaissement de la température (par coupure du four et simple refroidissement de celui-ci sous l'effet de l'inertie thermique) jusqu'à moins de 2000C,
- montée rapide en température (20-300C/min) jusqu'à 1000 C et maintien à cette température pendant 6 heures.The cooking thermal CyClE was as follows:
- temperature rise up to 5000C, at the speed of
2500C / hour,
- bearing about 1/2 hour at 5000C,
- recovery of the rise in temperature, at the speed of
250 C / hour, up to 8300C,
- Lowering the temperature (by cutting the oven and simply cooling it under the effect of thermal inertia) to less than 2000C,
- rapid rise in temperature (20-300C / min) up to 1000 C and maintained at this temperature for 6 hours.
Le produit fritté obtenu avait les caractéristiques diélectriques suivantes
constante diélectrique K2OoC = 10892,
K max = 12140 à Tc = 4 C, tg6 = 24,10-4 à 20 C,
#C/C (+ 10C, + 85 C) = + 8% - 57%, et #20 C = 1011 # cm . The sintered product obtained had the following dielectric characteristics
dielectric constant K2OoC = 10892,
K max = 12140 at Tc = 4 C, tg6 = 24.10-4 at 20 ° C.,
# C / C (+ 10C, + 85C) = + 8% - 57%, and # 20 C = 1011 # cm.
EXEMPLE 2
En suivant le mode opératoire indiqué dans l'exemple 1, mais en omettant l'oxyde de zinc (x = O), on a obtenu de même un matériau céramique à base de Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 répondant aux caractéristiques diélectriques suivantes constante diélectrique K20 C = 9730,
Kmax = 12 200 pour Tc = -100C, tg# = 14,10-4 et # 20 C = 8.1010 # cm, #C (+ 10 C, + 85 C = + 10%, - 57%.EXAMPLE 2
By following the procedure indicated in Example 1, but omitting zinc oxide (x = O), a Pb-based ceramic material (Mg1 / 3Nb2 / 3) O3 corresponding to the dielectric characteristics was likewise obtained. following dielectric constant K20 C = 9730,
Kmax = 12,200 for Tc = -100C, tg # = 14.10-4 and # 20 C = 8.1010 # cm, #C (+ 10C, + 85C = + 10%, - 57%.
C 20 C
EXEMPLE 3 (comparatif) = + 10%, - 57%. C 20 C
EXAMPLE 3 (Comparative) = + 10%, 57%.
En opérant comme dans l'exemple 1, mais en réalisant un frittage classique comprenant - une montée en température à 250 C/ heure jusqu'à 5000C, - un palier d'environ 1/2 heure à 500 C, - une reprise de la montée en température à la vitesse
de 25O0C/heure environ jusqu 10000C, avec maintien à
cette température pendant 6 heures,
On a obtenu un matériau céramique ayant les caractéristiques diélectriques suivantes
K 200C = 7405.Operating as in Example 1, but performing a conventional sintering comprising - a rise in temperature at 250 C / hour up to 5000C, - a step of about 1/2 hour at 500 C, - a recovery of the temperature rise at speed
from 25O0C / hour approximately to 10000C, with
this temperature for 6 hours,
A ceramic material having the following dielectric characteristics was obtained
K 200 C = 7405.
(K max = 9392 pour TC = 100C) tg# 20 C = 11.10-4.(K max = 9392 for TC = 100C) tg # 20 C = 11.10-4.
[20 C = 6.1010 # cm]
#C (+ 10, + 85 C) = 10%, - 55 %. [20 C = 6.1010 # cm]
#C (+ 10, + 85C) = 10%, - 55%.
C 20 C. C 20 C.
Exemple 4.Example 4
En opérant comme dans l'exemple 3, mais en réalisant le cycle de traitement thermique sous balayage d'azote, on a obtenu les caractéristiques diélectriques suivantes K20oc = 8826,
K max = 11029 pour Tc = -8 C.Operating as in Example 3, but carrying out the heat treatment cycle under nitrogen sweep, the following dielectric characteristics were obtained K20oc = 8826,
K max = 11029 for Tc = -8 C.
tg# 20 C = 15.10-4 et [20 C. = 9.10 10 # cm]
#C (+ 10, + 85 C) = + 10%, - 56%.tg # 20 C = 15.10-4 and [20 C. = 9.10 10 cm]
#C (+ 10, + 85C) = + 10%, - 56%.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8218275A FR2535313B1 (en) | 1982-10-29 | 1982-10-29 | PROCESS FOR THE PREPARATION OF CERAMICS FOR MULTILAYER CAPACITORS |
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- 1982-10-29 FR FR8218275A patent/FR2535313B1/en not_active Expired
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FR2535313B1 (en) | 1985-11-29 |
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