Synthèse et caractérisation de matériaux diélectriques pour la conception de condensateurs multicouches à électrodes internes en métaux non nobles

Synthesis of dielectric materials for integration in base-metal inner-electrodes multilayer ceramic capacitors

• Auteur / Autrice : Michaël Pollet
• Direction : Bernard Raveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Rayonnement infrarouge

Diélectriques

Phonons

Frittage (métallurgie)

Condensateurs céramiques

Résumé

Le matériau CaZrO3 a été étudié dans le but de l’intégrer dans des condensateurs céramiques multicouches à armatures en métaux non nobles. Le procédé de synthèse par voie solide a été optimisé (temps, température, quantité) pour obtenir une poudre précurseur fine, homogène et réactive. Le cofrittage avec des électrodes en métaux non nobles nécessitant l’utilisation d’une atmosphère réductrice, son effet sur la réactivité et les propriétés du diélectrique a été analysé. De nombreuses voies ont été explorées pour abaisser la température de frittage du diélectrique : la granulométrie, la stoechiométrie et l’effet de divers dopants et/ou ajouts. Une formulation diélectrique est proposée, de comportement thermique et physique compatible avec les applications visées. Des prototypes ont été synthétisés puis optimisés dans un souci de transposition industrielle. Un modèle statistique a été développé pour analyser le comportement dilatométrique de céramiques diélectriques. Il permet d’obtenir des informations sur les processus de frittage mis en jeu et de quantifier leur efficacité. Les matériaux diélectriques issus du système ternaire Ba(Mg1/3Ta2/3)O3- Ba(Zn1/3Ta2/3)O3-Ba(Zn1/3Nb2/3)O3 ont été synthétisés puis analysés. Leurs réponses thermiques et diélectriques révèlent des comportements prédictibles en fonction des proportions utilisés et ont été modélisées. Les informations regroupées permettent d’envisager l’existence d’un domaine de solution solide très étendu dans ce système complexe. La dynamique du réseau de matériaux à base de CaZrO3 a été étudiée à l’aide du modèle FPSQ («Four Parameters Semi-Quantum model»). L’extrapolation des réponses obtenues au domaine microonde est en excellent accord avec les mesures directes en cavité résonante. Un modèle est proposé pour rendre compte des propriétés diélectriques de matériaux présentant une déficience cationique. L’effet d’un faible dopage est aussi analysé et une interprétation de l’évolution des propriétés est proposée.

The CaZrO3 material was studied in order to fabricate base metal electrodes multilayer ceramic capacitors. The synthesis process using solid state reaction was optimized (time, temperature, quantity) to obtain a fine, homogeneous and reactive powder precursor. The co-sintering with base metal electrodes requiring the use of a reducing atmosphere, its effect on the reactivity and the properties of dielectric was analyzed. Many ways were explored to lower the dielectric sintering temperature: the granulometry, the stoichiometry and the effect of several doping agents and/or additions. A dielectric formulation is proposed, of thermal and physical behaviour compatible with the applications concerned. Prototypes were synthesized then optimized in a preoccupation with an industrial transposition. A statistical model was developed to analyze the dilatometric behaviour of dielectric ceramics. It makes it possible to obtain information concerning the mechanisms of sintering and to quantify their efficiency. Dielectric materials from the ternary system Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-Ba(Zn1/3Ta2/3)O3-Ba(Zn1/3Nb2/3)O3 were synthesized and analyzed. Their thermal and dielectric behaviours are shown to be predictable, function of the proportions used, and were modelled. All these gathered information allow to consider the existence of a very extended solid solution in this complex system. The lattice dynamic of CaZrO3 based materials was studied using the FPSQ model ("Four Parameters Semi-quantum model"). The extrapolation of the dielectric properties in the microwave range is in excellent agreement with direct measurements in resonant cavity. A model is proposed to account for the dielectric properties in cation deficient materials. The effect of a weak doping is also analyzed and an interpretation is proposed for the evolution of the dielectric properties.