Materials development for commercial multilayer ceramic capacitors

Electronic devices like notebooks, smart phones, GPS units, LED TVs and other daily life applications are produced with increased functionality and complexity from year to year.Today's electronic devices must be equipped with new smart electronic circuitry designs to add more functionality within a single device, while not making them larger in size.As the electronic circuits are made of various components, active semiconducting chips and passive components, like resistors, capacitors and inductors, more and more components are needed per single unit.While the number of components increases all components are subject to miniaturization to increase the volume efficiency.As capacitors are one of the more important passive components and every device consists of more than one hundred capacitors, a lot of effort is put on developing smaller sized capacitors.Capacitors can be made from a wide variety of dielectrics and the components can have various shapes.The majority are surface mount capacitors and especially multilayer ceramic capacitors are one of the more popular types.These multilayer ceramic capacitors are mainly used in today's electronic devices and these types of capacitors are discussed in this thesis.As the name multilayer ceramic capacitor already suggests the components are made up of a body, in which alternating layers of dielectrics and conducting metal electrodes are embedded.In Chapter 2 the manufacturing of multilayer ceramic capacitors is explained in more detail.In the 1980s and 1990s the majority of multilayer capacitors were made with expensive noble metals like palladium or platinum.Due to the price increase of these noble metals at the end of the 20 th century, the passive component industry started to develop new dielectric materials suitable for co-firing with less expensive noble metals like pure silver or silverpalladium alloys.Another way to decrease metal costs is to implement base metals like nickel and copper as electrode material.Therefore new types of dielectric materials had to be developed in order to be co-fired with nickel or copper in a reducing atmosphere to prevent the metals from oxidizing.Multilayer ceramic capacitors can be made of a wide variety of materials and depending on the electrical characteristics they are employed in different applications.This thesis describes dielectrics, personally developed for use in commercial multilayer capacitors, which show high stability towards temperature, frequency and voltage in Chapter 3.These dielectrics have low or moderate permittivity values and they are primarily used for filtering, smoothing and temperature control applications.Chapter 3 also describes multilayer capacitors Samenvatting Tegenwoordig is een leven zonder elektrische apparaten niet meer weg te denken.Dagelijks wordt ons leven beheerst door verschillende elektronica zoals mobiele telefoons, televisies, laptops, GPS-ontvangers en andere apparatuur die ons leven kunnen veraangenamen.Zoals iedereen weet worden deze apparaten steeds compacter, maar tegelijkertijd bevatten ze ook meer functies per toestel.Kijk maar naar de mobiele telefoon.In de jaren negentig werden de mobiele telefoons gemaakt om, zoals de naam al zegt, ermee te kunnen bellen.Tegenwoordig is bellen maar een nevenfunctie van de mobiele telefoon.Het is ondertussen een compact en handzaam apparaat geworden dat meer weg heeft van een kleine computer, waarmee onder andere gesurft kan worden op het internet.Zelfs navigatie met GPS is al een standaard functie.Of kijk naar de televisies.Na de analoge zwart-wit TV's en later de kleuren televisies is het huidige digitale tijdperk tijd voor televisies waarin verschillende functies zijn geïntegreerd.Naast het grotere aanbod van kanalen, waarvan sommige te bekijken zijn in een hogere resolutie, zijn er ook andere functies mogelijk.Vaak is het al mogelijk om ze als een internet-tv te gebruiken.Huidige LED-TV's hebben al de mogelijkheid om in 3D-beeld uit te zenden.Daar komt bij dat deze apparaten steeds platter zijn geworden.In ieder geval zijn de meeste elektronische toestellen steeds complexer geworden en hiervoor moeten ook de gebruikte componenten aangepast worden.En dit proces zal in de toekomst ook door blijven gaan.De meeste elektronische apparaten bevatten een grote variëteit aan componenten.Wie ooit wel eens een apparaat van binnen heeft gezien, kent wel het groene plastic plaatje waarop een groot aantal kleine componenten zitten.Er wordt een grote verscheidenheid aan componenten gebruikt, die onderling verschillende functies hebben.Naast de onvermijdelijke chips, batterijen, spoeltjes en dergelijke bestaat het grootste deel uit weerstanden en condensatoren.Deze componenten zijn onmisbaar in elk elektronisch circuit.Deze studie beschrijft het materiaal onderzoek voor condensatoren.Condensatoren zijn componenten die elektrische lading en energie kunnen opslaan en zijn derhalve onmisbaar in elektrische circuits.Om in een condensator de elektrische lading te kunnen opslaan hebben we een niet-geleidend materiaal, het diëlektricum, nodig dat tussen twee geleiders wordt geplaatst.Bij gelijkstroom heeft een van de elektrodes een positieve lading en de andere elektrode een negatieve lading.Er wordt zo een elektrische veld gecreëerd waarbij de negatief geladen deeltjes, de elektronen, bewegen naar de positieve xii elektrode, totdat de maximale capaciteit van de condensator is bereikt.De stroom zal dan geblokkeerd worden.Echter wanneer er een wisselstroom aangelegd wordt over een condensator dan wordt de stroom niet geblokt maar doorgelaten.De mate waarin dit gebeurt, is afhankelijk van de aangelegde spanning, de frequentie van de wisselstroom, de eigenschappen van het diëlektricum en de vormgeving van het component.Er bestaan verschillende soorten condensatoren en ze worden vaak ingedeeld op basis van de materialen waarmee ze gemaakt worden.Er bestaan papieren, kunststof film, elektrolytische en tantaal elektrolytische condensatoren.In dit onderzoek worden de keramische condensatoren besproken.Deze kunnen gemaakt worden als een plaat-condensator, waarbij contact met het elektrisch circuit wordt gemaakt via twee draden.Of ze worden gemaakt als een opbouwcomponent (Surface Mount Device) en dan worden ze meerlaagscondensatoren genoemd.Meerlaags keramische condensatoren bestaan uit lagen van diëlektrisch keramiek, die tussen geleidende metaal elektroden liggen, en om en om contact maken met een van de twee buitenelektroden.Met deze opbouw kunnen hoge capaciteiten bereikt worden.Voor het diëlektrisch keramiek kan gekozen worden uit een grote verscheidenheid aan materialen, die verschillende eigenschappen hebben.Voor de binnenelektroden wordt vaak palladium, palladium-zilverlegeringen of nikkel metalen gebruikt.De buitenelektroden zijn vaak van zilver of koper houdende elektroden, de keuze is gebaseerd op het type metaal van de binnenelektrode.Bijvoorbeeld als de binnenelektrode van nikkel is, dan is de buitenelektrode gemaakt van een koper houdende elektrode.De ontwikkeling van keramische meerlaagscondensatoren is voornamelijk gebaseerd op twee hoofdfactoren.Enerzijds is de kostprijs van het component van belang.Dat betekent dat er goedkopere metalen voor de elektroden gebruikt moeten worden.In het verleden werden de elektroden namelijk gemaakt van dure metalen zoals platina of palladium.Nu worden deze voornamelijk gemaakt van het goedkopere nikkel en soms van koper.In sommige toepassingen worden, vanwege de kwaliteitseisen, ook legeringen van zilver en palladium gebruikt, waarbij een zo hoog mogelijke concentratie aan zilver in de legering wordt gehanteerd.Anderzijds is de technologische ontwikkeling gebaseerd op het feit dat de componenten steeds kleiner moeten worden.Aangezien de elektrische apparaten steeds kleiner worden, betekent dit ook dat de componenten kleiner moeten zijn.De combinatie van de twee factoren betekent dat er nieuwe diëlektrische materialen ontwikkeld moeten worden om een zo hoog mogelijke capaciteitsopbrengst per volume te krijgen.Er bestaan zeer veel keramische materialen die voor meerlaagscondensatoren gebruikt kunnen worden.Afhankelijk van de materiaaleigenschappen kunnen de condensatoren geclassificeerd en toegepast worden voor specifieke doeleinden.Verschillende typen van deze keramische materialen en hun eigenschappen worden xiii in mijn onderzoek besproken aan de hand van het specifieke gebruik van de condensator in het elektrische circuit.In Hoofdstuk 1 wordt uitgelegd wat het doel van het onderzoek is.In Hoofdstuk 2 worden de fabricagemethoden en de verschillende manieren van karakteriseren van de eigenschappen van de condensatoren besproken.Materiaalonderzoek voor temperatuur stabiele condensatoren is in Hoofdstuk 3 het hoofdthema.Temperatuur stabiele condensatoren hebben een lage diëlektrische constante, meestal een stuk lager dan 200.Bovendien hebben ze een zeer lage capaciteitsafhankelijkheid ten opzichte van de temperatuur.Deze componenten kennen verschillende toepassingsmogelijkheden.Echter ze worden meestal gebruikt in applicaties die werken bij hoge frequenties.Voor dit type condensatoren is het voornaamste doel het vinden van temperatuur stabiele diëlektrische materialen die samen met zilver-rijke zilverpalladium legeringen, puur zilver of koper metaal elektroden kunnen sinteren.Van verschillende, door mij, ontwikkelde diëlektrische materialen worden de eigenschappen van de condensatoren beschreven.De totale weerstand van condensatoren, of meer specifiek de impedantie, is een belangrijke eigenschap, die de frequentie-afhankelijke complexe weerstand van de elektrische stroom in een condensator beschrijft.Het onderzoek laat zien dat de impedantie voornamelijk bepaald wordt door de keuze van het metaal voor de binnenelektroden.De laagste impedantie wordt namelijk verkregen door puur zilver of koper te gebruiken voor de binnenelektroden, omdat deze metalen een lage specifieke weerstand hebben.Doordat de impedantie afhankelijk