University of Oulu

Ultra-low sintering temperature glass ceramic compositions based on bismuth-zinc borosilicate glass

Saved in:
Author: Chen, Mei-Yu1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526215600
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2017
Publish Date: 2017-06-09
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 16 June 2017, at 12 noon
Tutor: Professor Heli Jantunen
Docent Jari Juuti
Reviewer: Professor Hsing-I Hsiang
Doctor R. Ratheesh
Opponent: Professor Hong Wang
Description:

Abstract

In the first part of the thesis, novel glass-ceramic compositions based on Al₂O₃ and BaTiO₃ and bismuth-zinc borosilicate (BBSZ) glass, sintered at ultra-low temperatures, were researched. With adequate glass concentration, dense microstructures and useful dielectric properties were achieved. The composite of BaTiO₃ with 70 wt % BBSZ sintered at 450 °C exhibited the highest relative permittivity, εr, of 132 and 207 at 100 kHz and 100 MHz, respectively. Thus, the dielectric properties of the composites were dominated by the characteristics of glass, BaTiO₃, and Bi₂₄Si₂O₄₀phase, especially the contribution of Bi₂₄Si₂O₄₀ for the samples with 70–90 wt % glass. Actually, the existence of the secondary phase Bi₂₄Si₂O₄₀ may not hinder but enhance the dielectric properties. The Al₂O₃-BBSZ composition samples showed a similar situation, not only for densification but also for their microstructures and phases (Al₂O₃, BBSZ, Bi₂₄Si₂O₄₀), explaining the achieved dielectric properties.

The second part of the thesis mainly discusses the composite of BaTiO₃ with 50 wt % BBSZ with different thermal treatments. After sintering at 720 °C, dense microstructures and the existence of Bi₄BaTi₄O₁₅, BaTiO₃, Bi₂₄Si₂O₄₀ phases were observed. The results also showed that the size of glass powder particles did not influence the dielectric properties (εr = 263–267, tan δ = 0.013 at 100 kHz) of sintered samples, but the addition of LiF degraded the dielectric properties due to the features and amount of Bi₄BaTi₄O₁₅. These results demonstrate the feasibility of the BBSZ based composites for higher sintering temperature technologies as well.

At the end, a novel binder system, which enables low sintering temperatures close to 300 °C, was developed. A dielectric multilayer module containing BaTiO₃-BBSZ and Al₂O₃-BBSZ composites with silver electrodes was co-fired at 450 °C without observable cracks and diffusions. These results indicate that these glass-ceramic composites provide a new horizon to fabricate environmentally friendly ULTCC materials, as well as multilayers for multimaterial 3D electronics packages and high frequency devices.

see all

Tiivistelmä

Väitöstyön ensimmäisessä osassa tutkittiin ja kehitettiin uudentyyppisiä, ultramatalissa sintrauslämpötiloissa (ULTCC) valmistettuja lasi-keraami komposiitteja käyttäen vismuttisinkkiborosilikaatti -pohjaista lasia (BBSZ). Täyteaineina olivat alumiinioksidi (Al₂O₃) ja bariumtitanaatti (BaTiO₃). Materiaaleille saatiin riittävän suuren lasipitoisuuden avulla tiheät mikrorakenteet ja sovelluskelpoiset dielektriset ominaisuudet. BaTiO₃:n komposiitti, joka sisälsi 70 p-% BBSZ lasia, saavutti 450 °C lämpötilassa sintrattuna korkeimman suhteellisen permittiivisyyden: εr=132 (@100 kHz) ja εr=207 (@100 MHz). Komposiittien dielektrisiä ominaisuuksia määrittivät tällöin lasi-, BaTiO₃- ja Bi₂₄Si₂O₄₀- faasien ominaisuudet ja erityisesti Bi₂₄Si₂O₄₀-faasi näytteissä, joissa on 70–90 p-% lasia. Sekundäärinen faasi Bi₂₄Si₂O₄₀ ei välttämättä heikentänyt, vaan jopa paransi dielektrisiä ominaisuuksia. Vastaavilla Al₂O₃-BBSZ-komposiiteilla saavutettiin samanlaisia tuloksia tihentymisen, mikrorakenteiden ja faasien (Al₂O₃, BBSZ, Bi₂₄Si₂O₄₀) suhteen. Lisäksi tässä tapauksessa saavutetut dielektriset ominaisuudet voidaan selittää näiden kolmen faasin yhdistelmän olemassaololla.

Väitöstyön toinen osa käsitteli pääasiassa eritavoin lämpökäsiteltyjä BaTiO₃:n komposiitteja, joissa on 50 p-% BBSZ-lasia. Näillä saavutettiin tiheä mikrorakenne sintrattaessa 720 °C lämpötilassa ja havaitiin Bi₄BaTi₄O₁₅-, Bi₂₄Si₂O₄₀-faasien muodostuminen BaTiO₃ lähtöfaasin rinnalle. Tulokset osoittivat myös, että lasijauheen partikkelikoko ei vaikuttanut sintrattujen näytteiden dielektrisiin ominaisuuksiin (εr = 263–267, tan δ = 0.013 (@100 kHz)). LiF -lisäys sen sijaan heikensi dielektrisiä ominaisuuksia ja vähensi Bi₄BaTi₄O₁₅ faasin muodostumista. Tämä aiheutui Bi₄BaTi₄O₁₅-faasin ominaisuuksista ja oli riippuvainen kyseisen faasin määrästä. Nämä tulokset osoittivat BBSZ -pohjaisten komposiittien käytettävyyden myös korkeampien sintrauslämpötilojen teknologioihin.

Viimeisenä kehitettiin uudentyyppinen sideainesysteemi, joka mahdollistaa ultramatalien keraamien yhteissintraamisen jopa noin 300 °C lämpötilassa. Hyödyntäen kehitettyä sideainesysteemiä monikerrosrakenne, jossa käytettiin dielektrisiä BaTiO₃-BBSZ- ja Al₂O₃-BBSZ-komposiitteja ja hopeaelektrodeja, yhteissintrattiin 450 °C lämpötilassa. Valmistetuissa rakenteissa ei havaittu murtumia eikä diffuusioita. Tulokset osoittavat, että kehitetyt lasi-keraami komposiitit mahdollistavat ympäristöystävällisten ULTCC -materiaalien valmistuksen. Lisäksi osoitettiin kehitettyjen materiaalien soveltuvuus monikerroksisten rakenteiden käyttöön monimateriaali-3D-elektroniikan pakkauksissa ja suurtaajuuskomponteissa.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1560-0
ISBN Print: 978-952-62-1559-4
Issue: 615
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2017. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.