MoO<sub>3</sub>, PZ29 and TiO<sub>2</sub> based ultra-low fabrication temperature glass-ceramics for future microelectronic devices
Varghese, Jobin (2019-04-02)
https://urn.fi/URN:ISBN:9789526222172
Kuvaus
Tiivistelmä
Abstract
This thesis describes a detailed investigation of new glass 10Li₂O−10Na₂O−20K₂O−60MoO₃ (LNKM), ceramic (α-MoO₃) and ceramic-commercial glass (PZ29-GO17, rutile TiO₂-GO17) composites to satisfy the future requirements for ultra-low fabrication temperature materials and their associated processes. The initial part of the thesis is devoted to the development of the LNKM glass by a glass-melting and quenching process, followed by an investigation into its structural, microstructural and microwave dielectric properties. The prepared glass had ultra-low glass transition and melting temperatures of 198 and 350 °C, respectively. The glass pellet heat-treated at 300 °C had a relative permittivity (εr) of 4.85 and a dielectric loss (tan δ) of 0.0009 at 9.9 GHz. The temperature dependence of the relative permittivity was (τε) 291 ppm/°C. Another part of the work concerns α-MoO₃ ceramic, its preparation by uniaxial pressing and sintering at 650 °C followed by an investigation of its structural, microstructural, thermal and microwave dielectric properties. It had an εr of 6.6, tan δ of 0.00013 (at 9.9 GHz) and τε of 140 ppm/°C.
In addition to this, a functional ultra-low temperature co-fired composite was developed based on commercial PZ29 and 50 wt.% of GO17 glass followed by tape casting and co-firing with Ag at 450 °C. The average values of the piezoelectric (d₃₃) and voltage (g₃₃) coefficients were 17 pC/N and 30 mV/N, respectively. The sintered sample had an average CTE value of 6.9 ppm/°C measured in the temperature range of 100–300 °C. The εr and tan δ of the sintered substrates were 57.8 and 0.05 at 2.4 GHz, respectively. Additionally, a new ceramic-glass composite was developed using rutile TiO₂-GO17, and co-fired with Ag at 400 °C. It had an average CTE value of 8.3 ppm/°C measured in the temperature range of 100–300 °C. This composite substrate showed εr of 15.5 and tan δ 0.003, at 9.9 GHz. Moreover, it also had τε of -400 ppm/°C at 9.9 GHz measured in the temperature range of −40 to 80 °C. The findings of the thesis reveal the feasibility of the ultra-low temperature co-fired ceramic (ULTCC) technology for high-frequency telecommunication devices as well as for electronics packages. Additionally, a first step to develop functional ULTCC has been taken.
Tiivistelmä
Tässä väitöskirjassa kuvataan uuden lasin 10Li₂O−10Na₂O−20K₂O−60MoO₃ (LNKM), keraamin (α-MoO₃) sekä keraami-lasi (PZ29-GO17, rutiili TiO₂-GO17) komposiittien tutkimustulokset, jotka mahdollistavat tulevaisuuden sähkökeraamisten materiaalien ja komponenttien valmistuksen ultra-matalissa valmistuslämpötiloissa. Väitöskirjan alkuosa keskittyy LNKM lasin kehitykseen lasin sulatus- ja karkaisuprosessilla, sekä tämän materiaalin mikrorakenteen sekä mikroaaltoalueen dielektristen ominaisuuksien tarkasteluun. Valmistetulla lasilla oli ultra-matala lasittumislämpötila 198 °C sekä sulamislämpötila 350 °C. Lasipelletin, joka lämpökäsiteltiin 300 °C:ssa, suhteellinen permittiivisyys (εr) oli 4,85 ja dielektriset häviöt (tan δ) 0,0009 9,9 GHz taajuudella. Suhteellisen permittiivisyyden lämpötilariippuvuus (τε) oli 291 ppm/°C. Toinen osa työtä käsittelee α-MoO₃ keraamia, josta valmistettiin näytteet mikrorakenne ja mikroaaltoalueen dielektristen ominaisuuksien tutkimuksiin aksiaalisella puristuksella ja sintraamalla 650 °C:ssa. Valmistetun materiaalin suhteellinen permittiivisyys oli 6,6, häviöt 0,00013 (9,9 GHz:ssa) ja permittiivisyyden lämpötilariippuvuus 140 ppm/°C.
Näiden lisäksi kehitettiin toiminnallinen ultra-matalan lämpötilan yhteissintrattu komposiitti perustuen kaupalliseen pietsosähköiseen keraamiin (PZ29) ja lasiin (GO17). Komposiitista valmistetiin monikerrosrakenne nauhavalulla ja yhteissintraamalla hopeaelektrodien kanssa 450 °C:ssa. Keskimääräiset arvot pietsosähköiselle varausvakiolle (d₃₃) sekä jännitevakiolle (g₃₃) olivat 17 pC/N ja 30 mV/N. Sintratun näytteen keskimääräinen lämpölaajenemiskerroin oli 8,3 ppm/°C lämpötila-alueella 100–300 °C. Tämän komposiittisubstraatin suhteellinen permittiivisyys oli 15,5 ja häviötangentti 0,003 9,9 GHz:n taajuudella. Lisäksi suhteellisen permittiivisyyden lämpötilariippuvuus oli -400 ppm/°C samalla 9,9 GHz:n taajuudella, kun lämpötilan mittausalue oli −40–80 °C. Tämän väitöstyön tulokset osoittavat ultra-matalan lämpötilan yhteissintrattavan keraamiteknologian (ULTCC) soveltuvuuden korkean taajuuden tietoliikennesovelluksiin ja elektroniikan pakkausteknologiaan. Lisäksi työssä on otettu ensimmäiset askeleet funktionaalisten ULTCC materiaalien kehittämiseksi.
Original papers
Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.
Varghese, J., Siponkoski, T., Teirikangas, M., Sebastian, M. T., Uusimäki, A., & Jantunen, H. (2016). Structural, dielectric, and thermal properties of Pb free molybdate based ultralow temperature glass. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4(7), 3897-3904. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b00721
Varghese, J., Siponkoski, T., Nelo, M., Sebastian, M. T., & Jantunen, H. (2018). Microwave dielectric properties of low-temperature sinterable α-MoO₃. Journal of European Ceramic Society, 38(4), 1541-1547. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.11.027
Varghese, J., Siponkoski, T., Sobocinski, M., Vahera, T., & Jantunen, H. (2018). Multilayer functional tapes co-fired at 450 °C: beyond HTCC and LTCC technologies. ACS Applied Materials & Interfaces, 10(13), 11048-11055. https://doi.org/10.1021/acsami.8b00978
Varghese, J., Ramachandran, P., Sobocinski, M., Vahera, T., & Jantunen, H. (2019). ULTCC glass composites based on rutile and anatase with cofiring at 400 °C for high frequency applications. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(4), 4274-4283. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b06048
Osajulkaisut
Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.
Varghese, J., Siponkoski, T., Teirikangas, M., Sebastian, M. T., Uusimäki, A., & Jantunen, H. (2016). Structural, dielectric, and thermal properties of Pb free molybdate based ultralow temperature glass. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4(7), 3897-3904. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b00721
Varghese, J., Siponkoski, T., Nelo, M., Sebastian, M. T., & Jantunen, H. (2018). Microwave dielectric properties of low-temperature sinterable α-MoO₃. Journal of European Ceramic Society, 38(4), 1541-1547. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.11.027
Varghese, J., Siponkoski, T., Sobocinski, M., Vahera, T., & Jantunen, H. (2018). Multilayer functional tapes co-fired at 450 °C: beyond HTCC and LTCC technologies. ACS Applied Materials & Interfaces, 10(13), 11048-11055. https://doi.org/10.1021/acsami.8b00978
Varghese, J., Ramachandran, P., Sobocinski, M., Vahera, T., & Jantunen, H. (2019). ULTCC glass composites based on rutile and anatase with cofiring at 400 °C for high frequency applications. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(4), 4274-4283. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b06048
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [31941]