Lead-free ferroelectric ceramics for multilayer ceramic capacitors

Céramiques ferroélectriques sans plomb pour condensateurs céramiques multicouches De nos jours, la consommation des condensateurs céramiques multicouches (MLCCs) augmente en raison de leur efficacité et leur fiabilité. La miniaturisation résultant dans une plus grande dissipation volumique de chaleur et les nouvelles applications demandent des MLCCs qui peuvent travailler de 300 à 350°C, au-delà des limites actuelles de 200 – 250°C. De plus, les exigences environnementales augmentent également avec les réglementations REACH et RoHS qui interdisent l'utilisation du plomb en Europe. Il est donc impératif de créer des nouveaux matériaux sans plomb capables de répondre aux nouvelles attentes des MLCC.Cependant, la compatibilité avec les méthodes de production industrielle, ainsi que les prix du marché sont des limites importantes. Trois familles de matériaux sans plomb ont été examinées : celle du BaTiO3 (BT), du K0.5Na0.5NbO3 et du Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT). Le NBT-BT à la MPB (6 % BT) a été choisi comme matériau diélectrique de base. Plusieurs méthodes et paramètres de synthèse ont ensuite été étudiés pour déterminer les meilleures conditions de synthèse. La synthèse à l'état solide et le frittage traditionnel ont été choisis pour les échantillons en massif et le coulage en bande a été choisi pour les couches. Pour éviter l'évaporation des espèces volatiles, le frittage a été effectué en couvrant le NBT-BT par une poudre de ZrO2. Tous les échantillons présentaient des phases secondaires contenant du Ba (Ba2TiO4 et Ba2Ti9O20) en raison de l'évaporation du Na pendant le frittage. Un effet de peau créé par la coexistence des phases tétragonale, rhomboédrique et cubique a également été observé, lié à la concentration locale de Ba dans le réseau cristallin du NBT. Les effets des paramètres de synthèse et la stœchiométrie des réactifs sur les propriétés diélectriques, la résistance d'isolement et la séparation des phases ont été analysés. La stœchiométrie nominale Na0.44Bi0.48Ba0.06TiO3 était la plus appropriée pour les MLCC en raison de sa résistance d'isolement élevée, de ses faibles pertes diélectriques et de sa stabilité de la permittivité en température. La présence de phases secondaires est initialement bénéfique en raison de l'élimination des lacunes d'oxygène. Au-delà d'une fraction volumique critique (2.5 à 3.0 %) et d'une taille de grain moyenne critique (0.9 à 3.0 m2), la tendance s'inverse en raison de la nature conductrice des phases secondaires.Pour atteindre la fraction volumique et la taille de grain critiques, un agent dispersant a été utilisé lors du broyage dans la jarre de YSZ, avec du MEK et de l'éthanol comme solvants, et sans sécher les réactifs avant la pesée. Enfin, la relaxation des contraintes a été réalisée à 400°C pendant 3 heures. Trois modèles ont été utilisés pour expliquer la dispersion des propriétés diélectriques en fréquence : le modèle de Maxwell-Wagner, le modèle de Nyquist et la loi de Curie-Weiss modifiée. Les incompatibilités entre les propriétés diélectriques du NBT-BT rapportées dans la littérature ont ensuite été analysées soulignant l'importance d'avoir des méthodes de synthèse et de mesure strictes. Les trois principaux facteurs affectant les propriétés diélectriques induisant ces incompatibilités étaient la stœchiométrie, la méthode de métallisation et la fixation des fils électriques à l'aide de la laque d'argent. Des pertes diélectriques croissantes à haute température a aussi été observée après chaque cycle thermique dépassant les 300°C, indiquant une dégradation thermique des échantillons.Enfin, les monocouches céramiques ont montré une faible densité (62%) après frittage, limitant la plage de température correspondant aux spécifications d'Exxelia. Cependant, en utilisant un pressage des couches avant frittage, l'échantillon multicouche fritté présentait une densité élevée (89%). Une mesure des propriétés diélectriques doit être effectuée sur cet échantillon multicouche synthétisé, afin de déterminer sa compatibilité avec les spécifications d’Exxelia.