Metal/ceramic interface engineering - adhesion strength measurement between dielectric ceramic and electrode metal

• Auteur / Autrice : Chao-Yu Lee
• Direction : Michel Dupeux, Wei-Hsing Tuan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique et ingénierie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble, Isère, France ; 1971-2015) en cotutelle avec Université Nationale Centrale (Zhongli, Taïwan)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titanate de baryum

Nickel

Argent

Mots clés libres

Essai de gonflement-décollement

Essais d’indentation interfaciale

Essai d’indentation sur section transversale

Interface métal

Oxyde

Adhérence interfaciale

Résumé

Cette étude est consacrée à la résistance mécanique des interfaces métal/oxyde. La céramique utilisée est un titanate de baryum (BaTiO3) commercial. Les matériaux métalliques sont des pâtes d’argent et de nickel. Les couches métalliques ont été obtenues par sérigraphie. Nous avons préparé des échantillons comprenant des couches d’argent et de nickel frittées à différentes températures, sur des substrats de BaTiO3 de diverses rugosités, avec des géométries adaptées à des essais de gonflement-décollement et d’indentation. La technique de gonflement-décollement permet une mesure quantitative de l’adhérence interfaciale grâce à la détermination de l’énergie de propagation Gci d’une fissure interfaciale. Nous proposons une méthode simple pour prendre en compte la plasticité généralisée de la couche métallique d’argent lors du décollement. L’adhérence Ag/BaTiO3 varie entre 4 J/m² et 7 J/m² selon la température de frittage de l’argent. Pour les couches de nickel frittées pendant 2 h à 1200°C sur du titanate de baryum dense, l’énergie d’adhérence moyenne est de l’ordre de 1 J/m². Trois types d’essais d’indentation ont été appliqués aux mêmes interfaces métal/oxyde. La valeur moyenne de Gci estimée à partir des essais d’indentation normale et interfaciale est de l’ordre de 0,5 J/m². Des essais d’indentation sur section transversale ont également été effectués avec succès et un nouveau modèle est proposé pour l’analyse de leurs résultats. Selon le modèle de dépouillement utilisé, la moyenne des énergies d’adhérence Ag/BaTiO3 s’établit entre 1 et 3 J/m².

The present study investigates the mechanical strength of metal/oxide interface. Ceramic was commercial available BaTiO3. Silver and nickel pastes are used as the metal materials. The metal film was prepared by screen-printing. Specimens with Ag or Ni layer, fabricated at different sintering temperatures, covering dense BaTiO3 substrates with different surface roughness have been prepared with a special geometry appropriate for blister and indentation testing. The blister test technique allows numerical estimation of interfacial adhesion strength through determination of the interfacial crack propagation energy. A simple method is proposed to correct for generalized plastic straining of silver layer. The average value of Ag/BaTiO3 adhesion strength ranges from 4 J/m2 to 7 J/m2 according to the firing temperature of Ag. For Ni film fired at 1200°C for 2 h on dense barium titanate, the average value is about 1 J/m2 Three indentation tests are developed to measure critical energy release rate of the same metal/oxide interfaces. The average Gci of Ag/BaTiO3 interface is about 0. 5 J/m2 according to normal and interface indentation tests. Cross-sectional indentation test has been also successfully performed and a new model for analysis of its results is developed. The average Gci of Ag/BaTiO3 interfaces are obtained from 1 J/m2 to 3 J/m2 according to the models.