University of Oulu

Prospects of the room temperature fabrication method for electroceramics : feasibility for printing techniques and integration with temperature-sensitive materials

Saved in:
Author: Väätäjä, Maria1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering, Microelectronics (MIC)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526232737
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-05-06
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 13 May 2022, at 12 noon
Tutor: Professor Heli Jantunen
Doctor Hanna Kähäri
Reviewer: Professor Hsing-I Hsiang
Professor Barbara Malič
Opponent: Professor Leena Ukkonen
Description:

Abstract

The room temperature fabrication method for electroceramics allows manufacturing of relatively dense ceramic bodies with competent microwave dielectric properties. It is based on the use of water-soluble ceramic materials and pressure as the driving force for consolidation.

Previously with this method, forming of the ceramic body has been done with uniaxial pressing in a mould. This work presents the applicability of 3D printing with extrusion and 2D printing through a stencil as alternative forming techniques for Li2MoO4-based all-ceramic samples. Successful printing was achieved through experimental optimization of the paste formulations. Compared to uniaxial pressing, the printed samples showed decreased relative densities due to the lower pressures available in the forming. As a result, the dielectric properties of the samples reached somewhat lower values, but still showed feasibility for microwave applications. In addition, the benefit of simultaneous processing and direct integration of Li2MoO4-based ceramics with temperature-sensitive materials offered by the low processing temperature was verified in this thesis.

The results pave the way for fabrication of electronics and telecommunication devices with significant time, cost, and energy savings due to the applicability of room temperature fabricable Li2MoO4-based ceramics to different printing techniques and to integration with temperature-sensitive materials.

see all

Tiivistelmä

Sähkökeraamien huoneenlämpötilan valmistusmenetelmällä on mahdollista valmistaa verrattain tiheitä keraamisia kappaleita, joilla on kilpailukykyiset dielektriset ominaisuudet mikroaaltoalueella. Menetelmä perustuu vesiliukoisten keraamisten materiaalien hyödyntämiseen ja paineen käyttöön tiivistymistä ajavana voimana.

Aikaisemmin tällä menetelmällä keraaminen kappale on valmistettu puristamalla muotissa. Tässä työssä esitetään ekstruusioon perustuvan 3D-tulostuksen ja stensiilillä tehtävän 2D-painatuksen sovellettavuus vaihtoehtoisina valmistustekniikoina näille täysin keraamisille Li2MoO4-pohjaisille keraaminäytteille. Pastojen koostumusten optimoinnin ansiosta näytteiden valmistaminen onnistui toivotulla tavalla. Verrattuna puristamalla valmistettuihin näytteisiin, tulostetuilla ja painetuilla näytteillä oli pienempi suhteellinen tiheys johtuen näiden tekniikoiden käyttämistä alhaisemmista paineista. Siksi näytteiden dielektristen ominaisuuksien arvot olivat matalammat mutta ne olivat silti käyttökelpoisia mikroaaltoalueen sovelluksissa. Lisäksi tässä työssä osoitettiin, että Li2MoO4-pohjaisten keraamien samanaikainen prosessointi ja niiden yhdistäminen lämpöherkkien materiaalien kanssa on mahdollista.

Tulokset viitoittavat tietä elektroniikan ja tietoliikennetekniikan komponenttien uusille aikaa, kustannuksia ja energiaa säästäville valmistusmenetelmille. Tämä johtuu huoneenlämpötilan valmistusmenetelmällä tehtävien Li2MoO4-pohjaisten keraamien soveltuvuudesta tulostus- ja painotekniikoihin ja niiden yhdistettävyydestä lämpötilaherkkien materiaalien kanssa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Väätäjä, M., Kähäri, H., Ohenoja, K., Sobocinski, M., Juuti, J., & Jantunen, H. (2018). 3D printed dielectric ceramic without a sintering stage. Scientific Reports, 8(1), 15955. https://doi.org/10.1038/s41598-018-34408-5

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Väätäjä, M., Kähäri, H., Ohenoja, K., Juuti, J., & Jantunen, H. (2020). Direct integration of dielectric all-ceramic thick films on a polymer substrate using room temperature fabrication. Journal of the European Ceramic Society, 40(12), 3984–3988. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.009

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Myllymäki, S., Väätäjä, M., Omodara, G., Kähäri, H., Juuti, J., & Jantunen, H. (2022). Characterization of li2moo4 / batio3 all-ceramic films on organic substrate printed capacitors at 45 mhz – 10 ghz. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1–1. https://doi.org/10.1109/TDEI.2022.3157913

  4. Väätäjä, M., Kähäri, H., Juuti, J., & Jantunen, H. (2017). Li 2 MoO 4 -based composite ceramics fabricated from temperature- and atmosphere-sensitive MnZn ferrite at room temperature. Journal of the American Ceramic Society, 100(8), 3626–3635. https://doi.org/10.1111/jace.14914

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3273-7
ISBN Print: 978-952-62-3272-0
Issue: 826
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
Subjects:
Funding: The work leading to these results has received funding from the European Research Council in projects Ultimate Ceramics (grant agreement no. 291132) and Fabricating Functional Components in Room Temperature (grant agreement no. 812837), and from Academy of Finland in project Printed Intelligence Infrastructure (decision no. 320017). I gratefully acknowledge the Infotech Oulu Doctoral Program for the four-year doctoral student position. In addition, the personal grants from the Finnish Foundation for Technology Promotion, the Walter Ahlström Foundation, the Tauno Tönning Foundation, the Riitta and Jorma J. Takanen Foundation, the Seppo Säynäjäkangas Foundation and HPY Research Foundation are sincerely appreciated.
EU Grant Number: (291132) ULTIMATE CERAMICS - Printed Electroceramics with Ultimate Compositions
(812837) FUNCOMP - Fabricating Functional Components in Room Temperature
Academy of Finland Grant Number: 320017
Detailed Information: 320017 (Academy of Finland Funding decision)
Copyright information: © University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.