DESCRIPTION
La présente invention concerne des compositions de céramique à constante diélectrique élevée comprenant des particules ou grains conducteurs et une couche-barrière isolante à la frontière de ces grains; ces compositions conviennent à la fabrication de condensateurs multicouches (ML capacitors) de haute capacité. La réalisation de condensateurs multicouches permet d'augmenter la capacité et, simultanément, de réduire la taille des condensateurs; de telles structures sont obtenues en empilant les électrodes, deux par deux, en alternance, les électrodes paires et impaires, respectivement, étant connectées entre elles par la tranche de manière que la somme des aires des éléments de chaque groupe constitue la surface effective totale du condensateur.
L'utilisation de ceramiques à grains limités par une couchebarrière (grain boundary barrier layer ceramics) pour la fabrication de condensateurs miniaturisés à haute capacité (condensateurs
GBBL) est connue depuis de nombreuses années. Ainsi, déjà en 1960, le document GB-A-849-938 mentionnait la densification par frittage à 1450 C sous hydrogène de grains de BaTiO3 de pureté élevée de manière à fournir du BaTiO3, semi-conducteur poreux présentant une granulométrie moyenne de 1 llm. Par oxydation à l'air sous pression atmosphérique entre 650 et 1000" C, on a incorporé à ce matériau une couche-barrière isolante intergranulaire d'oxyde d'une épaisseur d'environ 10 nm.
Les propriétés des condensateurs obtenus à partir de tels diélectriques étaient les suivantes: permittivité effective x (ou s) environ 100 000, tangente de l'angle de perte 6 environ 0,03 (Q = environ 50 à 5 kHz et 5 V efficaces rms).
Ce matériau étant désavantagé par une porosité excessive, une instabilité aux changements de température et une tension de claquage assez basse, il a été plus tard abandonné dans la technique et remplacé par le titanate de strontium semi-conducteur dopé par des métaux de transition tels que le lanthane, le niobium et le tungstène, et fritté, soit sans additifs, soit en mélange avec des matériaux susceptibles de fournir la couche-barrière sous la forme d'une phase liquide de frittage, de tels matériaux comprenant par exemple la zircone, le tungstate de bismuth, le germanate de plomb et d'autres (voir par exemple le document JP-A-77.10595 (1977).
Lorsque le frittage est effectué sans ladite phase liquide de frittage, on peut ensuite introduire le matériau isolant intergranulaire limite en revêtant la surface de la plaque frittée d'un oxyde métallique et en faisant diffuser celui-ci à l'état fondu par cuisson sous atmosphère oxydante dans le corps de la céramique (voir JP-A-75-27995).
Le document JP-A-74-129896 divulgue également la préparation d'une céramique frittée en moulant un coulis contenant du SrTiO3, du Nb2Os, du GeO2 et un liant organique en forme de disques et en cuisant les disques moulés à 1350-1480" C dans une atmosphère contenant de l'hydrogène. La phase limite intergranulaire isolante est réalisée en revêtant le disque d'une poudre de Bi2O3 et en le cuisant à 1300 C, ce qui provoque la diffusion de l'oxyde fondu dans la céramique. On a ainsi obtenu des matériaux présentant des pennittivités de l'ordre de 3-5 x 104 et des facteurs Q d'environ 100.
Le document JP-A-76-648 divulgue le frittage de mélanges comprenant du SrTiO3, du Nb2Os et du CoO2 à 1450 C dans une atmosphère N2/H2. La phase limite d'enrobage des grains provient de la diffusion à l'état liquide à 1100 C d'oxydes susceptibles de former des verres, ceux-ci étant choisis parmi SiO2, B203, GeO2, P2Os,
Al203, MgO, ZnO, Bi2O3 et TiO2.
Le document JP-A-83-97820 concerne la préparation de céramiques semi-conductrices par moulage sous pression et frittage à 1350 1450 C sous atmosphère 1:99 d'hydrogène et d'azote de mélanges de SrTiO3, WO3, Ge2O, Al203. Pour constituer la couche-barrière isolante, on fait diffuser dans la céramique un mélange fondu de
PbO, B203 et Bi2O3. Comme propriétés électriques optimales, on a obtenu des valeurs de permittivité (e) et de facteur Q d'environ 100 000 et 200, respectivement, en utilisant SiO2 et Al203 en rapport pondéral d'environ 1,5 à 5,0. La dimension moyenne des grains était de l'ordre de 60 à 120 llm et la résistivité de la couche frontière interstitielle de l'ordre de 2 x 109 Q cm.
Le document JP-A-77-10596 décrit le dopage de SrTiO3 par mélange avec des oxydes tels que Nb2Os, Ta2Os, WO3 ou TiO2 et cuisson à environ 14000 C sous atmosphère réductrice. Une quantité d'environ 1% en poids d'agent de dopage est suffisante pour obtenir des résistivités inférieures à 10 cm.
Cette référence mentionne éga- lement l'utilisation de SiO2 comme additif de frittage, ce matériau favorisant le grossissement des grains semi-conducteurs au frittage et des grains d'une taille supérieure à 10 pm ayant la préférence pour les condensateurs bicouches (BL). Cette référence enseigne aussi que, par addition de ZrO2 au SrTiO2 à fritter, on augmente le facteur Q et la résistivité. La phase limite était fournie, dans ce cas, par diffusion d'un mélange à l'état fondu de PbO, B203 et Bi2O3.
Comme valeurs types des propriétés électriques, on cite e 30000 et Q 200.
Les références ci-dessus décrivent de manière générale des céramiques à grains relativement gros qui conviennent à la fabrication de condensateurs bicouches. Or, la permittivité effective (ou constante diélectrique effective) de céramiques à couche-barrière comprenant des couches isolantes à la périphérie des grains semi-conducteurs dépend de la taille des grains et de l'épaisseur de la couche isolante intergranulaire. La relation fournissant la capacité d'un condensateur en fonction des propriétés de la céramique et de ses dimensions est la suivante (voir par exemple Ultra-High Dielectric
Capacitance in TiO2 Ceramics par M. F. Yan et W. W. Rhodes,
Bell Laboratories, Murray Hill, N.J. 07974, Adv. Ceram. (1983)
Addition Interface Electr.
Ceram. [7], 226-238):
C = Kgb x D/d x S/e, où S et e représentent l'aire et l'épaisseur en cm de la plaquette de céramique diélectrique, respectivement, et D, Kgb et d représentent, respectivement, le diamètre des grains, la constante diélectrique intrinsèque de la couche limite isolante interstitielle et son épaisseur, c'est-à-dire la distance intergranulaire. Ainsi, on parvient à des valeurs de permittivité de l'ordre de 104 à 105 avec des grains de 10 à 50 pm et des couches de séparation de 102 à 103 am (0,1 à 1 llm).
Cependant, les diélectriques dont les grains dépassent environ 5-10 pm ne conviennent pas aux condensateurs ML dont l'épaisseur des couches est de l'ordre de 30 llm ou moins; aussi, on s'efforce de réduire simultanément la taille des grains et l'épaisseur de la couchebarrière intergranulaire. On a obtenu des résultats intéressants dans ce sens par frittage en présence d'une phase liquide constituée par du germanate de plomb et des borates (voir Characterization of In ternal Boundary Layer Capacitors par H. D. Park et D. A.
Payne,
Advances in Ceramics, Vol. 1, pp. 242-253, 1982), les grains utilisés ayant environ 0,5 à 2 llm de diamètre et l'épaisseur de la couchebarrière étant de l'ordre de 100 nm (0,1 llm). On a ainsi obtenu des permittivités effectives dans la gamme des 103 avec relativement peu de pertes diélectriques (tangente 8 aux alentours de 10-2; Q = 100), et de faibles variations dues à la température (5-10%); voir également les documents US-A-4.158.219 et 4.237.084. Le paramètre dénommé tangente 6 représente le facteur de dissipation, 8 étant la différence (en unités angulaires) entre 90" et l'angle de déphasage O tension-intensité du courant alternatif appliqué au condensateur.
Idéalement, au cas où le condensateur ne présenterait aucune perte,
O serait égal à 11/2 et 6 serait égal à zéro. Q est l'inverse de tangente 8; Q = 1/tangente 8.
Il était cependant désirable d'apporter de nouvelles améliorations aux résultats de la technique connue et de fournir des céramiques de permittivité encore plus élevée sans concéder trop de pertes en ce qui concerne la stabilité thermique et le facteur Q. De telles céramiques sont définies à la revendication 1 annexée. Ces céramiques sont fabriquées par le procédé défini à la revendication 2. Ce procédé constitue un pas en avant dans la direction recherchée; ce pas a été franchi lorsque les présents inventeurs ont découvert avec surprise que la phase liquide de frittage et densification peut être fournie en revêtant les grains semi-conducteurs d'une couche d'agent favorisant le frittage (sintering aid) par la technique dite sol-gel .
On sait que cette technique consiste à utiliser, lorsqu'il est nécessaire de disposer d'oxydes métalliques de très grande pureté, des composés organiques desdits métaux et de convertir ceux-ci ultérieurement en verres ou céramiques par, successivement, hydrolyse, polycondensation et densification thermique. Dans le présent cas, I'avantage principal d'avoir recours à cette technique se traduit par un contrôle amélioré de l'épaisseur de la couche-barrière qu'on peut exercer en laissant plus ou moins longtemps les grains de la poudre conductrice (ou semi-conductrice) en contact avec une solution des composés organométalliques, de manière que se forme la couchebarrière isolante.
En d'autres termes, on peut faire varier la quantité de matériau du revêtement qui se dépose à l'état humide en réglant les conditions opératoires, ce qui entraîne une variation correspondante des propriétés électriques de la céramique résultant du procédé. Ainsi, I'épaisseur effective de la couche interstitielle enrobant les grains peut être aussi faible que 0,8 à 1,5 nm bien que, naturellement, on puisse la rendre plus épaisse en prolongeant le temps de contact avec la solution d'imprégnation, la température et les autres paramètres réactionnels (concentrations des matières dissoutes, types de solvants, pH de manière à agir sur la vitesse de gélification, etc.). On peut également agir sur l'épaisseur de la couche interstitielle en répétant l'opération de revêtement après séchage de la poudre consécutivement à un premier revêtement.
L'épaisseur effective du revêtement qu'on obtient comme décrit ci-dessus et à la revendication 1 peut être estimée par comparaison avec une plaquette témoin, par exemple en verre, qu'on soumet à des conditions opératoires identiques et qu'on soumet ensuite (c'est-à-dire après séchage et chauffage) à des mesures optiques. En général, on obtient des résultats avantageux lorsque le gain de poids subi par la poudre consécutivement au traitement de revêtement des grains semi-conducteurs est de l'ordre de 10-4 à 10-2 ou plus (c'est-à-dire 0,01 à 1% ou plus).
Un autre avantage de la présente invention est de permettre une réduction de la température de frittage, ce qui entraîne une réduction de la tendance au grossissement des grains au cours du frittage.
En général, on effectue l'imprégnation de la poudre dopée de
SrTiO3 en mélangeant celle-ci (dont les grains ont une dimension d'environ 0,8 à 5 llm) sous atmosphère inerte (par exemple de l'azote pur ou de l'argon) avec une solution organique des composés à déposer pour former la couche-barrière. Des solvants tels qu'éthanol, propanol, butanol, acétylacétone et autres solvants compatibles à l'eau conviennent; la concentration des composés organométalliques dans la solution est d'environ 5 à 20% en poids, mais ces limites ne sont pas critiques et peuvent être outrepassées de part et d'autre. Habituellement, on peut incorporer un catalyseur de gélification à la solution, par exemple de petites quantités de HC1 ou d'un autre acide minéral; les bases, telles que des amines ou NH4OH, conviennent également.
Ces catalyseurs provoquent la formation d'une couche de gel à la surface des grains, cette couche de gel étant, après coup, séchée et chauffée à l'air pour la transformer en composés métalliques isolants ou en oxydes isolants correspondant aux métaux inclus dans cette couche de gel. Comme traitements thermiques, on peut, par exemple, chauffer à 500-600 C, à l'air, de 1 à 2h ou plus longtemps si désiré, de manière que la couche se densifie et que les résidus organiques restants s'éliminent par oxydation.
Comme composés métalliques utilisables pour former les solutions d'alcoxydes, on peut citer ceux des métaux généralement employés dans la technique pour constituer la phase favorisant le frittage. Par exemple, des solutions contenant de l'hexanoate de plomb et un alcoxyde de germanium, ou des alcoxydes de bore et de bismuth, ou encore des alcoxydes de silicium et d'aluminium peuvent convenir. Par imprégnation avec de telles solutions, suivie de séchage et chauffage comme indiqué ci-dessus, on parvient à des couches de germanate de plomb, de borobismuthate de plomb ou de silicate d'alumine, respectivement. Plusieurs couches successives en combinaison peuvent être parfois avantageuses; on peut notamment compléter une ou plusieurs couches de silicate d'alumine par une ou plusieurs couches de germanate de plomb.
Il est intéressant de noter que la présence d'une couche d'aluminosilicate sur les grains de titanate de strontium dopé aura pour effet d'inhiber le grossissement de ces grains semi-conducteurs pendant le frittage, ce qui est avantageux et inattendu puisqu'une des références précitées dit précisément le contraire.
Il peut être désirable, en ce qui concerne la mise en oeuvre de l'étape de frittage du présent procédé, de compléter la quantité de phase liquide apportée par la technique susmentionnée par une quantité additionnelle d'agent favorisant le frittage sous forme de poudre. A cette fin, on mélange la poudre de SrTiO3 munie d'une couche de revêtement avec une quantité additionnelle d'agent de frittage sous forme pulvérulente sèche et l'on moule ensuite le mélange sous la forme désirée à l'aide d'un liant décomposable ultérieurement (comme liant, on peut utiliser un polymère volatil ou facilement combustible, tel que l'alcool polyvinylique ou le polyvinylbutyral).
A titre de composés utilisables comme agents complémentaires de la phase liquide de frittage à incorporer sous forme pulvérulente, on peut citer des composés et oxydes, tels que PbO, GeO2, Bi203, H3BO3, BaCO3, P205 et SrTiO3. L'utilisation de SrTiO3 en tant que composant de la phase liquide de frittage lors du frittage des grains de SrTiO3 dopé semi-conducteur est nouvelle et procure des avantages notables en ce qui concerne la permittivité et le facteur Q de la céramique frittée.
Les compositions additionnelles préférées d'aide au frittage sont les suivantes (en % en poids):
PbO 78% - GeO2 22%; PbO 45% - B203 5% - Bizou 50%;
PbO 25% - B203 20% - Bizou 20% - GeO2 5% - BaO 10% P2O5 20%.
Lorsqu'on utilise SrTiO3 comme complément d'aide de frittage à la phase liquide, on l'ajoute de préférence au taux de 5% en poids à l'une des compositions préférées ci-dessus.
La poudre semi-conductrice dopée, par exemple au niobium, utilisée comme phase granulaire interne dans le présent procédé peut être obtenue en mélangeant du SrTiO3 et du Nb2Os et en cuisant le mélange sous atmosphère réductrice, par exemple à 1450-1500"C sous un mélange 1-10% H2/Ar ou H2/N2. En alternative, on peut également soumettre à une telle cuisson un mélange de TiO2, Nb2Os et SrCO3.
On peut aussi utiliser une technique différente pour préparer le
SrTiO3 dopé par un métal, par exemple en imprégnant une poudre de SrTiO3 avec une solution organique (de type sol-gel) d'un alcoxyde métallique et en procédant de façon assez similaire à celle, décrite plus haut, où il s'agit de fournir par la technique sol-gel le matériau constituant la phase isolante limite des grains semi-conducteurs et simultanément l'agent d'aide au frittage. Ainsi, on peut immerger la poudre de SrTiO3 non dopée dans des solutions organiques contenant un alcoxyde de niobium, I'essorer, la sécher à 90 C et la chauffer à l'air jusqu'à environ 500-600 C au taux de quelques C/min (par exemple 4 C/min conviennent).
Puis on effectue une opération de cuisson-réduction, par exemple on chauffe 2-3 h à 1450-1500" C en atmosphère réductrice, notamment dans un mélange 1-10% (V/V) H2/Ar, H2/N2 ou de CO et de CO2. Ensuite, pour obtenir une poudre dopée de granulométrie convenable, on broie le matériau réduit en poudre et on le moud dans un moulin à billes jusqu'à obtention de grains de la taille désirée, par exemple 0,5-2 llm en moyenne.
En alternative, le traitement susmentionné de dopage par sol-gel peut être appliqué à de la poudre de TiO2 et, après dopage et séchage, cette poudre est mélangée avec un équivalent de carbonate de strontium comme indiqué plus haut, le mélange qui en résulte étant ensuite réduit à chaud comme décrit et moulu à la finesse désirée.
Suivant une autre variante, on utilise une solution organique contenant des alcoxydes de titane et de niobium et l'on provoque la formation d'une suspension gélifiée de microparticules par addition, à cette solution en agitation, d'un catalyseur tel que l'ammoniaque aqueux. On sépare et sèche cette suspension sous forme de poudre de TiO2 dopée au Nb, on la mélange en proportions voulues à du
SrCO3 pulvérulent et l'on procède à une réduction à 1300-1500 C sous atmosphère contenant de l'hydrogène, comme décrit plus haut.
Les conditions de frittage permettant la conversion des grains de
SrTiO3 semi-conducteurs en mélange avec le matériau incorporé par la technique sol-gel et constituant la phase liquide de frittage et, ultérieurement, d'enrobage desdits grains, avec ou sans apport additionnel de matériau pulvérulent, de manière à réaliser une céramique granulaire à couche interstitielle limite de constante diélectrique élevée comportent en premier lieu un compactage ou moulage de la poudre sous pression en présence d'un liant mélangé à la poudre de manière à réaliser un objet en vert (un disque, une plaquette, etc.),
puis on fritte et densifie cet objet à une température habituellement comprise entre 1000 et 1300 C sous un gaz inerte comme l'argon ou l'azote ou en atmosphère réductrice afin de ne pas risquer de perdre les propriétés semi-conductrices du Sorti03 dopé. Comme atmosphère réductrice, on peut employer des dilutions d'hydrogène dans un gaz inerte tel que l'azote ou un gaz rare. On a ainsi obtenu des permittivités de l'ordre de 106 accompagnées de facteurs Q peu élevés. Par un traitement thermique ultérieur approprié, par exemple par recuite à l'air, on peut relever le facteur Q et la résistance mécanique de la céramique, aux dépens, dans une certaine mesure, de la permittivité.
En général, on a préparé des disques frittés en mélangeant la poudre revêtue de la phase liquéfiable (en présence ou en l'absence d'une quantité additionnelle en poudre) avec 1-3% d'un liant tel que le polyvinylbutyral (prises de 1-2 g de poudre), en pressant l'échantillon en forme au moyen d'une presse à piston, les disques pressés ayant environ 10-20 mm de diamètre et 1-3 mm d'épaisseur, en effectuant le frittage 1-6 h à une température donnée, en fixant des électrodes de part et d'autre du disque et en mesurant ses propriétés dié lectriques (capacitance et facteur de perte Q) par les moyens habituels.
La formule utilisée est la suivante (C mesuré en picofarads = 10-12 F):
C = 0,0885 E S/e, à partir de laquelle on a calculé (la permittivité, aussi désignée par x), S étant en cm2 et e en cm. Les électrodes (Cu, Ag, Pt ou Au) ont été appliquées par pulvérisation sous vide par les techniques connues ou par sérigraphie en utilisant une peinture ou une pâte métallique dont le liant est détruit à la cuisson; une telle application peut se faire directement sur l'objet en vert (la cuisson correspondant alors au frittage) ou après coup sur l'objet déjà fritté.
On a pu également améliorer les propriétés diélectriques de la céramique densifiée par un post-traitement de diffusion similaire à celui connu dans l'état de la technique. Par exemple, on a dispersé des mélanges de divers oxydes métalliques vitrifiables dans des liants et l'on a appliqué les pâtes ainsi obtenues sur les faces des disques de céramique frittée; puis on a chauffé dans une gamme de températures de l'ordre de 800 à 1000 C, de manière que les oxydes fondent et que le liquide diffuse dans les pores du substrat.
Dans certains cas, on a pu combiner ce traitement avec la pose des électrodes; ainsi, on a pétri les oxydes vitrifiables pulvérulents avec une pâte ou une peinture métallique (par exemple Ag ou Pt), on a appliqué cette pâte sur les faces des disques de céramique et l'on a cuit le tout comme déjà décrit ci-dessus. Lors de cette cuisson, les oxydes, fondus, diffusent dans la céramique tandis que le métal se dépose à la surface de celleci, fournissant ainsi les électrodes recherchées.
On donne ci-dessous quelques-unes des compositions préférées pour réaliser le traitement de diffusion susmentionné: (a) Bizou 36% - CuO 4% - Ag pâte 60% (b) PbO 32% - GeO2 8% - Ag pâte 60% (c) PbO 30% - GeO2 8% - SrTiO3 2% - Ag pâte 60% (d) PbO 18% - Bizou 20% - B203 2% - Ag pâte 60% (e) PbO 78,05% - GeO2 21,95% (f) PbO 76% - GeO2 19% - BaO 5% (gl) PbO (g2) PbO 60% - PbF2 40% (h) PbO 20% - Bi203 20% - B203 40% - CuO 20% (i) PbO 66% - GeO2 12% - Bizou 20% - B203 2%
Selon une variante, on a utilisé,
pour la diffusion, les vapeurs desdits oxydes fondus. Pour la mise en oeuvre de cette variante, on a réalisé la fusion des solides dans un creuset (Pt) et l'on a disposé les disques de céramique dans l'ouverture de celui-ci en les fixant par des crochets à environ 1-3 cm du niveau de la matière en fusion.
Dans cette variante, on a utilisé de préférence la composition (h) cidessus (fusion 800 C) et un mélange (en poids) 4:6 B203/PbO (température du liquide en fusion 900 C).
Les exemples qui suivent illustrent l'invention en détail.
Exemple 1:
On a préparé une poudre de SrTiO3 dopée (I) semi-conductrice en mélangeant 79,63 g de SrCO3 très pur, 43,1 g de TiO3 (dimension des grains 0,75 llm) et 1,01 g de Nb203 (0,7 mole %). On a chauffé le mélange 2 h à 1100 C à l'air (creuset de platine) et, après refroidissement, on l'a encore chauffé 4h à 1480 C dans un mélange H3/Ar à 10% d'H2 (V/V) de manière à assurer un effet réducteur et à provoquer l'apparition des propriétés semi-conductrices. Puis on a moulu la poudre 24 h dans un moulin plastique de 250 ml contenant 20 billes WC/Co de 9 mm de diamètre et, comme liquide de broyage, un mélange 3:1 (V/V) d'éther de pétrole et de butanol.
On a ainsi obtenu une poudre de granulométrie 0,5-5 environ. On a ensuite essoré la poudre et on l'a séchée. Sa résistivité, mesurée par les moyens habituels, était de 4,88 Rcm. La poudre semi-conductrice a ensuite été immergée dans un excès d'une solution organique (PEG) contenant 0,53 g de tétraéthoxyde de germanium, 1,37 g de 2-éthyl-hexanoate de plomb'1, 6 g d'acétylacétone, 13 g d'éthanol et 10 mg de HC1 (sous la forme d'une solution éthanolique 0,1 N).
Après repos d'environ 30 min, on a essoré la poudre, on l'a séchée 16 h à 90 C, puis on l'a chauffée 1 h à l'air à 550 C (4 C/min). On a répété ce traitement quatre fois de suite. Puis, après avoir incorporé à la poudre 1-3% de liant organique, on a pressé le tout en forme de disques sous 2,5 T/cm2 comme décrit auparavant (15 mm de diamètre; 1 mm d'épaisseur). Ces disques ont été frittés 100 min aux conditions résumées au tableau I ci-dessous (le terme flash indique que les échantillons ont été rapidement amenés à la température de frittage).
Tableau I
EMI4.1
<tb> <SEP> Frittage <SEP> Propriétés
<tb> Echantillon <SEP> Chauffage
<tb> <SEP> Atm. <SEP> <SEP> a <SEP> Q <SEP> R <SEP> (MQ) <SEP>
<tb> <SEP> C/min <SEP> C <SEP>
<tb> <SEP> I-A <SEP> air <SEP> flash <SEP> 1120 <SEP> 1140 <SEP> 5,5 <SEP> 2000
<tb> <SEP> I-B <SEP> N3 <SEP> flash <SEP> 1120 <SEP> 2349 <SEP> 7,6 <SEP> 400
<tb> <SEP> I-C <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1120 <SEP> 1606 <SEP> 20 <SEP>
<tb> <SEP> I-D <SEP> N3 <SEP> flash <SEP> 1200 <SEP> 5267 <SEP> 11 <SEP> 120
<tb> <SEP> I-E <SEP> N3 <SEP> 7 <SEP> 1200 <SEP> 3076 <SEP> 13 <SEP> 330
<tb>
Après frittage,
on a appliqué des électrodes de Pt sur les disques par pulvérisation suivant les moyens habituels et l'on a mesuré les propriétés du diélectrique à 1,5 kHz au moyen d'un appareil électrotest Hewlett-Packard HP-4192-AIF pourvu d'un ohmmètre à lampe à haute impédance. Les résultats des mesures, en termes de permittivité e, facteur Q et résistance ohmique figurent également au tableau I.
Exemple 2:
On a préparé une poudre (I') de SrTiO3 semi-conducteur comme à l'exemple 1, avec la différence suivante: I'étape de réduction a été effectuée 5h à 1480 C sous un mélange à 10% (V/V) d'hydrogène et d'azote. On a ensuite broyé cette poudre (comme indiqué à l'exemple 1) 48 h en présence de 50 billes de carbure de tungstène. Après élimination du solvant de broyage par séchage, on a appliqué à cette poudre quatre traitements successifs de revêtement au moyen de la solution de plomb et de germanium décrite à l'exemple précédent, à savoir immersion dans le liquide, séchage 2h à 95" C, chauffage (flash) à 550" C et maintien 1 h à cette température à l'air.
Puis on a mêlé à cette poudre 1,5% en poids de polyvinylbutyral (PVB) en utilisant une solution de ce polymère dans un mélange 75:25 (V/V) d'éther de pétrole/t-butanol, on l'a séchée, passée sur un tamis de mailles 300 m et moulée sous pression en disque à vert de I g (3 t/cm3). On a chauffé à l'air 1 h à 5500 C pour détruire le liant (0,5 C/min).
On a ensuite fritté les disques verts suivant les conditions indiquées au tableau II et l'on a mesuré les propriétés diélectriques comme décrit à l'exemple 1. Les résultats sont réunis dans le même tableau II.
Tableau II
EMI5.1
<tb> <SEP> Frittage <SEP> propriétés
<tb> <SEP> diélectriques <SEP>
<tb> Echantillon <SEP> Frittage <SEP> diélectriques <SEP>
<tb> <SEP> Atm. <SEP> Chauffi <SEP> emp. <SEP> Temps <SEP> ± <SEP> <SEP> Q <SEP> R <SEP> (I Q) <SEP>
<tb> <SEP> (0Cjmin) <SEP> (0C) <SEP> I <SEP> (min) <SEP>
<tb> <SEP> I-A <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 6873 <SEP> 2,1 <SEP> 75
<tb> <SEP> I'-B <SEP> N2 <SEP> 10 <SEP> 1350 <SEP> 120 <SEP> 9279 <SEP> 2,2 <SEP> 17
<tb> <SEP> r-c <SEP> N2 <SEP> <SEP> 10 <SEP> 1250 <SEP>
180 <SEP> 6692 <SEP> 2,8 <SEP> 10
<tb> <SEP> r-D <SEP> N3+air <SEP> 10 <SEP> 1250 <SEP> 180 <SEP> 478 <SEP> 21 <SEP> 5000
<tb> <SEP> r-E <SEP> N3 <SEP> 10 <SEP> 1100 <SEP> 240 <SEP> 840000 <SEP> 0,6 <SEP> 2,4
<tb> <SEP> r-F <SEP> N3 <SEP> 7 <SEP> 1350 <SEP> 60 <SEP> 240000 <SEP> 0,4 <SEP> 22
<tb> <SEP> I-G <SEP> N3 <SEP> 8 <SEP> 1060 <SEP> 120 <SEP> 4857 <SEP> 2,9 <SEP> 65
<tb>
On a recuit I'E à l'air plus ou moins longtemps à diverses températures. Les résultats, consignés au tableau III, indiquent que ce post-traitement améliore quelque peu le facteur Q.
Tableau III
EMI5.2
<tb> Température <SEP> Temps <SEP> x <SEP> 105 <SEP>
<tb> <SEP> ('C) <SEP> (h)
<tb> <SEP> 650 <SEP> 1 <SEP> 3,6 <SEP> 1,2
<tb> <SEP> 780 <SEP> 1 <SEP> 1,6 <SEP> 2,4
<tb> <SEP> 800 <SEP> 3 <SEP> 1,2 <SEP> 2,6
<tb>
Par électromicrographie, on a constaté que la granulométrie de cet échantillon était d'environ 2 um. La couche-barrière isolant e avait environ 1 à 100 nm.
Exemple 3:
On a préparé une solution d'éthoxyde de niobium (S2) en mélangeant 10 g d'acétylacétone, 4,78 g d'éthoxyde de niobium, 24 g de n-butanol et 1,2 mg de HCI (fourni sous la forme d'une solution éthanolique 0,1 N).
On a imprégné de cette solution environ 15 g de poudre de titanate de strontium très pur (Kyorix 1150/A) à température ambiante puis, après gélification, on a essoré le produit et on l'a chauffé 2h à 600" C (à la vitesse de 2" C/min). On a répété ce traitement de dopage, après quoi la poudre a été soumise à une réduction 2h à 1490 C (vitesse de montée en température 7" C/min) sous un mélange à 10% (V/V) d'hydrogène et d'argon. On a obtenu une poudre semi-conductrice (STK-III) qu'on a broyée comme aux exemples précédents; sa résistivité, mesurée par les moyens habituels, était de 1,43 ohmcm.
Le revêtement des grains de cette poudre a été effectué par trempage dans une solution (PG2) contenant 12 g d'acétylacétone, 1,06 g de Ge(OEt)4, 2,74 g d'éthyl-2-hexanoate de Pb, 23,32 g de n-butanol et 268,5 ml de solution éthanolique de HCI 0,1 N (0,98 g de HCI).
Après imprégnation et gélification, on a essoré la poudre, on l'a séchée puis chauffée à l'air 2 h à 500 C (montée en température, 5-7" C/min). On a répété cette opération de revêtement 2 fois (échantillon C4-W) et 4 fois (échantillons C4-L à V). Puis on a pressé ces poudres sous forme de disques comme dans les exemples précédents et l'on a fritté ceux-ci comme résumé au tableau IV ci-après, celui-ci indiquant aussi les propriétés diélectriques des disques frittés.
Exemple comparatif3a:
On a préparé une poudre semi-conductrice de SrTiO3 (STK-I) comme dans l'exemple 3, mais en utilisant pour le dopage une solution (SI) contenant 5 g d'acétylacétone, 2,39 g d'éthoxyde de niobium, 12,1 g d'éthanol et 0,6 g de HCI (solution éthanolique 0,1 N). Après l'imprégnation effectuée comme à l'exemple 3, on a procédé à la réduction à 1483 C sous 10% (V/V) de H2/Ar. La résistivité de cette poudre était pratiquement identique à celle de la poudre STK-III ci-dessus.
On a fourni la phase-barrière isolante comme dans l'art antérieur en broyant la poudre de SrTiO2 dopé avec une certaine quantité de poudre (PGO) obtenue en mélangeant intimement (parties en poids) 19,91 g de PbO et 5,49 g de GeO2. Dans ce cas, la proportion en poids de la poudre PGO par rapport au mélange avec SrTiO3 dopé était de 5%.
On a mis en fusion le mélange des oxydes à 900" C à l'air, après quoi le bloc a été réduit en poudre et broyé, comme expliqué auparavant, dans un moulin à billes en plastique en présence de billes de WC et d'un mélange 3:1 (V/V) d'éther de pétrole et de t-butanol, jusqu'à une granulométrie d'environ 0,5-5 llm. Le frittage en forme de disques d'essai a été effectué comme résumé au tableau IV, dans lequel les propriétés électriques sont consignées à titre comparatif.
Tableau IV
EMI5.3
<tb> <SEP> Frittage <SEP> Propriétés
<tb> <SEP> diélectriques
<tb> <SEP> Echantillons
<tb> <SEP> Atm. <SEP> Chauffage <SEP> remp, <SEP> Temps <SEP> E <SEP> Q
<tb> <SEP> ( C/min) <SEP> ( C) <SEP> (min)¯
<tb> <SEP> C4-L <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1100 <SEP> 60 <SEP> 3522 <SEP>
<tb> <SEP> M <SEP> N3 <SEP> flash <SEP> 1114 <SEP> 33 <SEP> 1788 <SEP>
<tb> Test <SEP> C4T <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 10300 <SEP>
<tb> Ex.
<SEP> 3 <SEP> C4-U <SEP> N3 <SEP> 7 <SEP> 1000 <SEP> 270
<tb> <SEP> 1060 <SEP> 120 <SEP> 3374 <SEP> 14,3
<tb> <SEP> C4V <SEP> N2 <SEP> 6 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 5762 <SEP> 3,9
<tb> <SEP> C4W <SEP> N2 <SEP> 6 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 7155 <SEP> 4,8
<tb> ContrôleC3-K <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1100 <SEP> 60 <SEP> 2839 <SEP>
<tb> Ex.
<SEP> 3a <SEP> C3-N <SEP> N2 <SEP> flash <SEP> 1114 <SEP> 33 <SEP> 1341 <SEP>
<tb> <SEP> C3-S <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 7216 <SEP> 2,4
<tb>
Ces résultats indiquent que le procédé de l'invention fournit des échantillons dont les propriétés diélectriques sont supérieures à celles des échantillons témoins et que, d'autre part, I'application de trois couches de matériau destiné à fournir la barrière intergranulaire donne des résultats supérieurs à l'application de cinq couches.
Exemple 5:
On a préparé une première solution (A) en mélangeant les ingrédients suivants: 28,55 g de Ti(OEt)4, 100 g d'alcool et 0,56 g de Nb(OEt)s, puis on a dilué à l'alcool pour faire 626 ml à température ambiante. A cette solution, on a ajouté une solution (B) contenant 13,51 g de solution aqueuse 0,5 N de NH40H et de l'alcool pour faire 626 ml.
Le mélange résultant de l'addition de B à A présentait les titres suivants: 0,1 M en titane et 0,59 M en eau; il contenait également 0,054 mole d'ammoniaque. Le mélange a fourni un fin précipité et, après 1 h sous agitation, on a ajouté 830 ml d'eau et l'on a continué à agiter 15 min. Puis après avoir laissé au repos 16 h, on a siphonné le liquide clair et on l'a remplacé par 1 1 d'alcool. On a séparé le précipité par filtration et on l'a redispersé 1 h dans Il d'alcool à l'ébullition à reflux. On a refiltré et séché le précipité une nuit à 900 C. On a réduit le gâteau en poudre fine, on a chauffé celle-ci 1 h à l'air à 5500 C (1 C/min).
Le TiO2 dopé au niobium (8,63 g) a été mélangé à 15,59 g de
SrCO3 et le tout chauffé 3 h à l'air à 1300 C. Le titanate de strontium qui en résulte contient 0,7 mole % de niobium. On a ensuite procédé à sa réduction en vue d'obtenir un produit semi-conducteur, on a opéré comme déjà décrit par 4h de chauffage à 1480" C sous un mélange hydrogène/azote à 10% (V/V). Puis on a finalement broyé la poudre dans un moulin à billes en plastique contenant 50 billes de
WC et en utilisant comme phase organique porteuse un mélange 3:1 (V/V) d'éther de pétrole et de t-butanol, comme déjà décrit auparavant. Après séchange à l'air 4h à 90" C, on a finalement chauffé la poudre 1 h à 5500 C (4 C/min).
La résistivité était approximativement la même que celle de la poudre I de l'exemple 1.
On a appliqué le revêtement destiné à fournir la phase intergranulaire isolante comme décrit à l'exemple 1 au moyen de la solution définie comme PGI (voir exemple 6). On en a appliqué quatre couches successives avec, entre celles-ci, une opération de séchage de 4h à 90" C; puis on a chauffé graduellement (4 C/min) à 550" C, température maintenue 1 h ensuite, ce qui a fourni une poudre enrobée (V).
On a moulé cette poudre sous pression en forme de disques comme décrit auparavant et l'on a fritté ces disques dans les conditions réunis au tableau V; on a appliqué des électrodes aux disques suivant la méthode habituelle et l'on a mesuré les propriétés diélectriques des disques comme dans les exemples précédents.
Tableau V
EMI6.1
<tb> <SEP> Propriétés
<tb> <SEP> Frittage <SEP> diélectriques
<tb> Echantillons <SEP>
<tb> <SEP> Atm. <SEP> Chauffage <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> E
<tb> <SEP> ("C/min) <SEP> ( C) <SEP> (min)
<tb> <SEP> V-A <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1200 <SEP> 100 <SEP> 3453 <SEP> 8,4
<tb> <SEP> V-B* <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1200 <SEP> 100
<tb> <SEP> N2 <SEP> 8 <SEP> 1350 <SEP> 60 <SEP> 9950 <SEP> 2,3
<tb> <SEP> V-C <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 4490 <SEP> 3,5
<tb> * L'échantillon V-B a été chauffé pendant la première période à
1200" C, puis pendant la seconde, 1 h à 1350" C.
Les céramiques fabriquées suivant les exemples 1 à 5 se sont ré vélées applicables aux condensateurs multicouches miniaturisés de capacité élevée.
Suivant une modification, on peut obtenir la poudre semiconductrice de SrTiO3 dopée au niobium comme suit: on dope d'abord du TiO2 par trempage de celui-ci dans une solution d'alcoxyde de niobium, cette opération étant suivie du même traitement, décrit plus haut, utilisé pour doper le SrTiO3 par sol-gel (voir exemple 3). Puis on mélange le TiÔ3 traité au niobium avec la quantité requise (1 équivalent) d'un sel de strontium, généralement du
SrCO3, et l'on procède à la réduction du mélange à 1300-1500" C en atmosphère réductrice contenant de l'hydrogène.
Exemple 6:
On a mélangé et broyé les ingrédients suivants dans un moulin en zircone en présence de 1 kg de billes de ZrO2: 923,78 g (6,26 moles) de SrCO3, 500 g (6,26 moles) de TiO3 et 11,72 g (0,044 mole) de Nb2O5. Comme phase porteuse, on a utilisé de l'eau. On a séché le gâteau de poudre à l'air, puis on l'a chauffé 2 h à 1100 C à l'air dans un creuset d'alumine (taux de mise en température 400" C/h). On a procédé ensuite à une réduction en chauffant 2-4 h à 1450-1480" C sous un mélange 10/90 (V/V) d'hydrogène/ azote. La vitesse de chauffage étant d'environ 300 à 420" C/h. Puis on a broyé le produit réduit dans un moulin en polyéthyléne en présence de billes WC/Co jusqu'à une granulométrie de 0,5 à 5 ,um.
Comme liquide de broyage, on a utilisé un mélange 75/25 d'éther de pétrole/t-butanol.
On a lavé le SrTiO3 dopé moulu ainsi obtenu avec de l'acétone et, après l'avoir séché, on l'a mis en contact 30 min environ, dans une boîte à gants, avec une solution choisie de type sol-gel. Pour cela, on a utilisé les solutions suivantes, dénommées HM9SIA et
PGI.
HM9SIA (abrégé HM): On a mélangé et chauffé 30 min à 70" C 41,6 g de Si(EtO)4, 30 g de n-butanol, 7,9 g de di-sec-butoxydeacétylacétate chélate d'aluminium et 1,84 g de HCI (sous forme d'une solution 0,1 N dans l'éthanol). Après refroidissement, on a ajouté 3,3 g d'H2O et 182 g d'EtOH. On a chauffé à nouveau 30 min à 500 C et l'on a laissé refroidir.
PGI: On a porté 2h à l'ébullition à reflux un mélange de 15 g d'acétylacétone, 2,12 g de tétraéthoxyde de germanium, 5,48 g de 2ethylhexanoate de Pb", 25,5 g de n-butanol et 1,76 g de HCI (sous forme de solution 0,1 N dans l'éthanol); on a laissé refroidir et utilisé cette solution à température ambiante.
Après avoir mis en contact le temps voulu sous azote le SrTiO3 réduit broyé avec la solution d'alcoxydes, on a essoré le coulis sur verre fritté sous pression réduite, puis on l'a séché 16 h à l'air à 90" C. On a ensuite densifié la poudre en la chauffant 1 h à 550" C, la vitesse de montée en température étant de 60 à 240" C/h suivant les cas. Pendant ce traitement, tous les résidus organiques sont détruits et éliminés; si nécessaire, on peut effectuer ce traitement dans l'oxygène pour accélérer les processus de combustion. La poudre ainsi densifiée est maintenant prête à être moulée et frittée, soit sans adjonction d'autres additifs, soit après mélange avec une quantité additionnelle de phase liquéfiable en poudre.
Pour obtenir les disques pressés, on a mélangé la poudre de titanate avec environ 1,5% en poids de polyvinylbutyral (PVB) dans une solution d'acétone/isopropanol. Pour ce faire, on ajoute à la dispersion de SrTiO3 la quantité requise de PVB sous la forme d'une solution à 20 g de PVB pour 120 g d'un mélange 1:1 d'acétone/ n-butanol.
Après avoir agité 30 min, on évapore, on passe la poudre enrobée de PVB sur un tamis de mailles 300 llm et on la presse en forme de disques dans un moule en acier inoxydable sous 2-5 t/cm2.
Puis on chauffe les disques verts 1 h à l'air à 550" C pour détruire le liant (0,5-1" C/min), après quoi on effectue le frittage.
Ce frittage a été effectué dans des fours tubulaires en Al203 équipés de tubulures pour l'introduction de gaz, c'est-à-dire d'un côté de l'azote pur, de l'autre un mélange 10/90 (V/V) d'hydrogène/ azote. Le débit de chacun de ces gaz était sous contrôle de vannes et de débitmètres. Par réglage approprié de ces organes, on pouvait régler de façon précise le contenu en hydrogène du gaz dans lequel s'effectue le frittage et cela dans une plage approximative de 0,01 à 5% en volume. Des rapport H2/N2 dans la gamme de 0,1 à 1% ont été reconnus avantageux. Les températures de frittage varient entre environ 900 et 1500 C, et les temps de frittage de 1 h à plusieurs heures. Il est évident qu'on recherche des conditions de frittage douces afin de réduire la tendance au grossissement des grains semiconducteurs.
Dans certains cas, on a réalisé la formation des électrodes sur les faces des disques pendant le frittage par application, sur le disque vert , de peintures ou de pâtes à métalliser, contenant par exemple du platine, du cuivre, de l'argent et d'autres métaux peu oxydables.
Le tableau VI qui suit résume certaines données opératoires et les résultats correspondants obtenus, en termes de propriétés des diélec triques. Dans certains cas, le tableau indique la mise en oeuvre de post-traitements thermiques tels que refroidissement en présence d'air après frittage. Un tel traitement (analogue à une recuite) est indiqué par le taux de refroidissement en C/h. La deuxième colonne du tableau indique le nombre de couches appliquées par sol-gel sur le SrTiO3 dopé, ainsi que le type de solution.
Tableau VI
EMI7.1
<tb> Essai <SEP> N" <SEP> Solution <SEP> sol-gel <SEP> = <SEP> <SEP> Frittage <SEP> Propriétés
<tb> <SEP> nombre <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> Post
<tb> <SEP> de <SEP> couches <SEP> ( <SEP> C) <SEP> (h) <SEP> traitement <SEP> <SEP> E <SEP> Q <SEP>
<tb> <SEP> H4(1) <SEP> 1HM, <SEP> SPGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> ¯ <SEP> <SEP> 7760 <SEP> 10,5
<tb> <SEP> H4(3) <SEP> 1HM, <SEP> SPGI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5000 <SEP> 14,3
<tb> <SEP> H4(4) <SEP> 1HM,
<SEP> SPGI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> C/h <SEP> 9000 <SEP> 96,2
<tb> <SEP> H5(1) <SEP> SPGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7000 <SEP> 31
<tb> <SEP> H5(2) <SEP> SPGI <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7500 <SEP> 9,7
<tb> <SEP> H5(3) <SEP> SPGI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5200 <SEP> 17
<tb> <SEP> H5(4) <SEP> SPGI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> C/h <SEP> 6000 <SEP> 99
<tb>
L'effet qui résulte de l'application d'une couche initiale d'aluminosilicate est une réduction de la croissance des grains au frittage avec pour conséquence une combinaison quelque peu supérieure des valeurs g et Q. Le refroidissement à l'air augmente le facteur Q sans affecter défavorablement la permittivité.
Exemple 7:
On a mis enjeu les matériaux de l'exemple 6 dans des conditions opératoires approximativement semblables. Cependant, avant le frittage, on a ajouté à la poudre de SrTiO3 réduite et revêtue par sol-gel une quantité supplémentaire de phase liquéfiable en poudre, cette opération étant conduite comme suit: on a porté à fusion à 1000 C (température de fusion du verre) dans un creuset d'alumine un mélange PbO-GeO2 78/22 en poids (dénommé PGO) et, après une période d'attente à l'état fondu (1-4 h), on a coulé le liquide dans des moules en acier inox.
Après refroidissement, on a brisé les blocs et on les a réduits en poudre par broyage suivant la technique définie à l'exemple 6 (moulin de polyéthylène, billes de WC/Co) jusqu'à une taille des grains d'environ 1-5 m.
On a ensuite mis en dispersion dans une solution 20/80 (V/V) acétone/isopropanol contenant du PVB la poudre de SrTiO3 et une proportion choisie de la poudre PGO. Au point de vue pondéral, on a utilisé environ 0,5 G de PVB pour 30 g de solides. On a ensuite essoré le coulis et on l'a traité et fritté en formes comme dans l'exem- ple 6.
On trouve réunis au tableau VII les résultats des mesures effectuées sur les disques frittés: les titres des colonnes de ce tableau renvoient aux même paramètres que ceux du tableau VI avec, en plus, la quantité en poids de phase liquéfiable rajoutée (PGO), ainsi que la nature et les conditions du post-traitement thermique à l'air: dans certains cas (C), il s'agit du refroidissement à l'air comme déjà évoqué à l'exemple 6, dans d'autres cas (A), il s'agit d'une recuite à la température et pendant le temps indiqué.
Tableau VII
EMI7.2
<tb> <SEP> Solution <SEP> Phase <SEP> Frittage <SEP> Propriétés
<tb> <SEP> Essai <SEP> sol-gel <SEP> liquéfiable <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> Post-traitement
<tb> <SEP> N <SEP> refr. <SEP> (C) <SEP> ou <SEP> recuite <SEP> (A) <SEP> s <SEP> Q
<tb> <SEP> 1 <SEP> couche <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> ("C) <SEP> (h) <SEP> ("C/h) <SEP>
<tb> H1(1) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1305 <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 1000000 <SEP> 0,1
<tb> H1(13) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1305 <SEP> 1 <SEP> A(1050;
<SEP> 3) <SEP> 14000 <SEP> 62,2
<tb> H1(2) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1170 <SEP> 2
<tb> <SEP> 1270 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 3400 <SEP> 16,2
<tb> Ho(3) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A(1100;
<SEP> 1) <SEP> 32000 <SEP> 5,3
<tb> H3(1) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> ¯ <SEP> <SEP> 5100 <SEP> 18,3
<tb> H3(2) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 10800 <SEP> 1,2
<tb> H3(3) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> 3700 <SEP> 10,8
<tb> H3(4) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A(1100;
<SEP> 1) <SEP> 9600 <SEP> 13
<tb> H3(5) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180 C/h) <SEP> 11 <SEP> 600 <SEP> 100
<tb> H3(6) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1305 <SEP> 1
<tb> <SEP> pas <SEP> de <SEP> H2 <SEP> 5400 <SEP> 11
<tb> H3(7) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> | <SEP> 3 <SEP> C(180 C/h) <SEP> 10650 <SEP> 116
<tb>
Exemple 8:
Cet exemple est destiné à illustrer l'application, après frittage, d'un traitement de diffusion d'une composition vitreuse à l'état fondu à l'intérieur de la céramique. Le titanate de strontium réduit dopé est le même qu'aux exemples 6 et 7, ainsi que les conditions opératoires, et ce jusqu'à l'étape de frittage des disques pressés.
On a alors appliqué sur les disques frittés environ 0,1 g d'une pâte préparée avec l'une des compositions mentionnées plus haut à la fin de la partie descriptive de cette demande. On a préparé une telle pâte en mélangeant simplement environ 3 g du solide pulvérisé avec une petite quantité d'une solution contenant 20 g de PVB dans 120 g de n-butanol (prises d'environ 0,1 g de cette solution). On a séché les disques ainsi revêtus et on les a chauffés un temps déterminé à la température choisie pour la diffusion. Le tableau VIIIA qui suit rassemble un premier groupe de paramètres et de résultats.
Dans ce cas, on a préparé les grains de SrTiO3 dopé semi-conducteur en calcinant (1100 C, 2 h) un mélange de 1000 g de SrCO3, 541 g de TiO2 et 12,69 g de Nb2Os et en le réduisant 4h à 1480 C dans un mélange H2/N2 comme décrit auparavant. Après pulvérisation comme décrit auparavant, on a appliqué une couche d'aluminosilicate au moyen de la solution HM9SIA (voir l'exemple 6) et, après les traitements habituels, on a mélangé la poudre avec 5% (en poids) de PGO (voir l'exemple 7); puis on a effectué le frittage comme indiqué au tableau VIIIA. On a finalement appliqué le traitement de diffusion comme indiqué au même tableau, lequel réunit également les résultats des mesures diélectriques des condensateurs correspondants. Les électrodes ont été déposées après coup par pulvérisation.
Tableau VIIIA
EMI8.1
<tb> <SEP> Essai <SEP> Frittage <SEP> Diffusion <SEP> Propriétés <SEP> à <SEP> 100 <SEP> kHz
<tb> <SEP> N <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> Compo- <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> Gain <SEP> en <SEP> # <SEP> <SEP> Q <SEP> p <SEP> (# <SEP> cm)
<tb> <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> sition <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> poids <SEP> (%) <SEP> DC
<tb> H3(8) <SEP> 1245 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 9,4 <SEP> 4000 <SEP> 184 <SEP> 20 <SEP> x <SEP> 109
<tb> H3(9) <SEP> 1245 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 11,6 <SEP> 2700 <SEP> 78
<tb> H3(11) <SEP> 1206 <SEP> 5 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 3,5 <SEP> 6450 <SEP> 94 <SEP> 21x109
<tb> H3(12) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> <RTI
ID=8.8> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 1,07 <SEP> 5100 <SEP> 96 <SEP> 94x <SEP> 108
<tb> H3(13) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 0,78 <SEP> 6000 <SEP> 100 <SEP> 14x <SEP> 109 <SEP>
<tb>
Dans un autre groupe d'essais, on a appliqué deux couches successives de silicate d'alumine au moyen du traitement sol-gel susmentionné (solution HM), mais sans addition supplémentaire de phase liquéfiable en poudre. De plus, on a effectué le frittage sans hydrogène, c'est-à-dire sous azote pur. Les paramètres opératoires, les conditions de diffusion et les résultats sont consignés au tableau VIIIB ci-après:
Tableau VIIIB
EMI8.2
<tb> <SEP> Essai <SEP> Frittage <SEP> Diffusion <SEP> Propriétés <SEP> à <SEP> 100kHz <SEP>
<tb> <SEP> N" <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> Compo- <SEP> Temp.
<SEP> Temps <SEP> Gain <SEP> en <SEP> # <SEP> Q <SEP> P(#.cm)
<tb> <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> sition <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> poids <SEP> (%) <SEP> DC
<tb> H34(1) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 2,36 <SEP> 16800 <SEP> 25,3 <SEP> 27x <SEP> 105
<tb> H34(2) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3,2 <SEP> 14200 <SEP> 27 <SEP> 17 <SEP> x <SEP> 106
<tb> H34(3) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> gl <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 3,3 <SEP> 21600 <SEP> 59 <SEP> 83 <SEP> x
<tb> H34(4) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> g2 <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 5,3 <SEP> 5650 <SEP> 133 <SEP> 11x109
<tb> H34(5) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 19,2 <SEP> 3450 <SEP> 31 <SEP> 36 <SEP> x <SEP> 107 <SEP>
<tb> H34(6) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3,8 <SEP> 11200 <SEP> 30 <SEP> 2x108
<tb> H34(7) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3,5 <SEP> 11100 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> x <SEP> 105
<tb> H34(8) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> 7,7 <SEP> 2800 <SEP> 16 <SEP> 28 <SEP> x <SEP> 108
<tb> H34(9) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> e <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 3000 <SEP> 13 <SEP> 29 <SEP> x <SEP> 108
<tb>
On a conduit un troisième groupe d'essais semblables aux précédents, les échantillons ayant reçu une couche unique d'aluminosilicate sol-gel par l'entremise de la solution HM, mais pas de phase liquéfiable additionnelle. Les disques ont été frittés sous azote pur.
Les résultats figurent au tableau ci-après:
Tableau VIIIC
EMI8.3
<tb> <SEP> Essai <SEP> Frittage <SEP> Diffusion <SEP> Propriétés <SEP> à <SEP> 100 <SEP> lcHz <SEP>
<tb> <SEP> N <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> Compo- <SEP> Temp. <SEP> Temps <SEP> Gain <SEP> en <SEP> P <SEP> (#.cm)
<tb> <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> sition <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> poids <SEP> (%) <SEP> # <SEP> <SEP> Q <SEP> DC
<tb> H33(1) <SEP> 1362 <SEP> 2 <SEP> f <SEP> 1100 <SEP> 1,5 <SEP> 17,4 <SEP> 17700 <SEP> 22,3 <SEP> 125x108 <SEP>
<tb> H33(8) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 1,47 <SEP> 16300 <SEP> 42 <SEP> 12 <SEP> x <SEP> 106
<tb> H33(9) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP>
930 <SEP> 3 <SEP> 1,44 <SEP> 13000 <SEP> 47 <SEP> 93 <SEP> x <SEP> 106
<tb> H33(10) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 21,6 <SEP> 2400 <SEP> 118 <SEP> 164x108 <SEP>
<tb> H33(11) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> gl <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 9,4 <SEP> 7700 <SEP> 115 <SEP> 1010 <SEP>
<tb> H33(12) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> g2 <SEP> 910 <SEP> 3,4 <SEP> 10,9 <SEP> 5800 <SEP> 152 <SEP> 124x <SEP> 108
<tb>
DESCRIPTION
The present invention relates to ceramic compositions with a high dielectric constant comprising conductive particles or grains and an insulating barrier layer on the border of these grains; these compositions are suitable for the manufacture of high capacity ML capacitors. The production of multilayer capacitors makes it possible to increase the capacity and, simultaneously, to reduce the size of the capacitors; such structures are obtained by stacking the electrodes, two by two, alternately, the even and odd electrodes, respectively, being connected together by the edge so that the sum of the areas of the elements of each group constitutes the total effective area of the capacitor.
The use of grain boundary barrier layer ceramics for the manufacture of high capacity miniaturized capacitors (capacitors
GBBL) has been known for many years. Thus, already in 1960, the document GB-A-849-938 mentioned the densification by sintering at 1450 C under hydrogen of grains of BaTiO3 of high purity so as to provide BaTiO3, a porous semiconductor having an average particle size of 1 llm . By oxidation with air under atmospheric pressure between 650 and 1000 "C, an intergranular insulating barrier layer of oxide with a thickness of about 10 nm was incorporated into this material.
The properties of the capacitors obtained from such dielectrics were as follows: effective permittivity x (or s) approximately 100,000, tangent of the loss angle 6 approximately 0.03 (Q = approximately 50 to 5 kHz and 5 V rms rms ).
This material being disadvantaged by excessive porosity, instability at temperature changes and a fairly low breakdown voltage, it was later abandoned in the art and replaced by semiconductor strontium titanate doped with transition metals such as lanthanum, niobium and tungsten, and sintered, either without additives, or mixed with materials capable of providing the barrier layer in the form of a liquid sintering phase, such materials comprising for example zirconia, bismuth tungstate, lead germanate and others (see for example JP-A-77.10595 (1977).
When sintering is carried out without said liquid sintering phase, the limiting intergranular insulating material can then be introduced by coating the surface of the sintered plate with a metal oxide and by diffusing the latter in the molten state by baking in an atmosphere. oxidizing in the ceramic body (see JP-A-75-27995).
Document JP-A-74-129896 also discloses the preparation of a sintered ceramic by molding a grout containing SrTiO3, Nb2Os, GeO2 and an organic binder in the form of discs and by baking the discs molded at 1350-1480 " C in an atmosphere containing hydrogen. The insulating intergranular limit phase is carried out by coating the disc with a Bi2O3 powder and by baking it at 1300 C, which causes the diffusion of the molten oxide in the ceramic. thus obtained materials having pennittivities of the order of 3-5 x 104 and Q factors of around 100.
Document JP-A-76-648 discloses the sintering of mixtures comprising SrTiO3, Nb2Os and CoO2 at 1450 C in an N2 / H2 atmosphere. The limiting phase of coating of the grains comes from the diffusion in the liquid state at 1100 ° C. of oxides capable of forming glasses, these being chosen from SiO2, B203, GeO2, P2Os,
Al203, MgO, ZnO, Bi2O3 and TiO2.
Document JP-A-83-97820 relates to the preparation of semiconductor ceramics by pressure molding and sintering at 1350 1450 C under a 1:99 atmosphere of hydrogen and nitrogen of mixtures of SrTiO3, WO3, Ge2O, Al203. To form the insulating barrier layer, a molten mixture of
PbO, B203 and Bi2O3. As optimal electrical properties, permittivity (e) and factor Q values of about 100,000 and 200 were obtained, respectively, using SiO2 and Al203 in a weight ratio of about 1.5 to 5.0. The mean grain size was around 60 to 120 µm and the resistivity of the interstitial boundary layer was around 2 x 109 Q cm.
Document JP-A-77-10596 describes the doping of SrTiO3 by mixing with oxides such as Nb2Os, Ta2Os, WO3 or TiO2 and baking at around 14000 C under a reducing atmosphere. An amount of approximately 1% by weight of doping agent is sufficient to obtain resistivities of less than 10 cm.
This reference also mentions the use of SiO2 as a sintering additive, this material favoring the magnification of semiconductor grains on sintering and of grains of a size greater than 10 μm, having preference for bilayer capacitors (BL). This reference also teaches that, by adding ZrO2 to the SrTiO2 to be sintered, the Q factor and the resistivity are increased. The limit phase was provided, in this case, by diffusion of a mixture in the molten state of PbO, B203 and Bi2O3.
As typical values of the electrical properties, we cite e 30000 and Q 200.
The above references generally describe relatively large grain ceramics which are suitable for the manufacture of two-layer capacitors. However, the effective permittivity (or effective dielectric constant) of barrier layer ceramics comprising insulating layers at the periphery of the semiconductor grains depends on the size of the grains and on the thickness of the intergranular insulating layer. The relation providing the capacitance of a capacitor according to the properties of the ceramic and its dimensions is as follows (see for example Ultra-High Dielectric
Capacitance in TiO2 Ceramics by M. F. Yan and W. W. Rhodes,
Bell Laboratories, Murray Hill, N.J. 07974, Adv. Ceram. (1983)
Addition Interface Electr.
Ceram. [7], 226-238):
C = Kgb x D / dx S / e, where S and e represent the area and the thickness in cm of the dielectric ceramic plate, respectively, and D, Kgb and d represent, respectively, the diameter of the grains, the intrinsic dielectric constant of the interstitial insulating boundary layer and its thickness, that is to say the intergranular distance. Thus, permittivity values of the order of 104 to 105 are obtained with grains of 10 to 50 μm and separation layers of 102 to 103 μm (0.1 to 1 μm).
However, dielectrics with grains larger than about 5-10 µm are not suitable for ML capacitors with layer thicknesses of the order of 30 µm or less; also, efforts are made to simultaneously reduce the grain size and the thickness of the intergranular barrier layer. Interesting results have been obtained in this sense by sintering in the presence of a liquid phase consisting of lead germanate and borates (see Characterization of In ternal Boundary Layer Capacitors by H. D. Park and D. A.
Payne,
Advances in Ceramics, Vol. 1, pp. 242-253, 1982), the grains used having approximately 0.5 to 2 μm in diameter and the thickness of the barrier layer being of the order of 100 nm (0.1 μm). We thus obtained effective permittivities in the 103 range with relatively little dielectric losses (tangent 8 around 10-2; Q = 100), and slight variations due to temperature (5-10%); see also documents US-A-4,158,219 and 4,237,084. The parameter called tangent 6 represents the dissipation factor, 8 being the difference (in angular units) between 90 "and the phase-shift angle O voltage-intensity of the alternating current applied to the capacitor.
Ideally, if the capacitor shows no loss,
O would be 11/2 and 6 would be zero. Q is the inverse of tangent 8; Q = 1 / tangent 8.
However, it was desirable to make further improvements to the results of the known technique and to provide ceramics of even higher permittivity without conceding too much loss with respect to thermal stability and the Q factor. Such ceramics are defined in claim 1 appended. These ceramics are produced by the process defined in claim 2. This process constitutes a step forward in the desired direction; this step was taken when the present inventors discovered with surprise that the liquid phase of sintering and densification can be provided by coating the semiconductor grains with a layer of agent promoting sintering (sintering aid) by the technique known as sol -gel.
It is known that this technique consists in using, when it is necessary to have metal oxides of very high purity, organic compounds of said metals and to convert these subsequently into glasses or ceramics by, successively, hydrolysis, polycondensation and densification thermal. In the present case, the main advantage of using this technique results in improved control of the thickness of the barrier layer which can be exerted by leaving the grains of the conductive powder for a longer or shorter period of time. semiconductor) in contact with a solution of organometallic compounds, so that the insulating barrier layer is formed.
In other words, the quantity of coating material which is deposited in the wet state can be varied by adjusting the operating conditions, which results in a corresponding variation in the electrical properties of the ceramic resulting from the process. Thus, the effective thickness of the interstitial layer coating the grains can be as low as 0.8 to 1.5 nm although, naturally, it can be made thicker by extending the contact time with the impregnation solution, the temperature and the other reaction parameters (concentrations of dissolved materials, types of solvents, pH so as to act on the gelling rate, etc.). It is also possible to act on the thickness of the interstitial layer by repeating the coating operation after drying of the powder following a first coating.
The effective thickness of the coating obtained as described above and in claim 1 can be estimated by comparison with a control plate, for example made of glass, which is subjected to identical operating conditions and which is then subjected (i.e. after drying and heating) to optical measurements. In general, advantageous results are obtained when the weight gain undergone by the powder following the coating treatment of the semiconductor grains is of the order of 10-4 to 10-2 or more (i.e. 0.01 to 1% or more).
Another advantage of the present invention is to allow a reduction in the sintering temperature, which results in a reduction in the tendency of the grains to enlarge during sintering.
In general, the doped powder is impregnated with
SrTiO3 by mixing it (the grains of which have a size of about 0.8 to 5 μm) under an inert atmosphere (for example pure nitrogen or argon) with an organic solution of the compounds to be deposited to form the barrier layer. Solvents such as ethanol, propanol, butanol, acetylacetone and other water-compatible solvents are suitable; the concentration of organometallic compounds in the solution is approximately 5 to 20% by weight, but these limits are not critical and can be exceeded on both sides. Usually, a gelling catalyst can be incorporated into the solution, for example, small amounts of HCl or other mineral acid; bases, such as amines or NH4OH, are also suitable.
These catalysts cause the formation of a gel layer on the surface of the grains, this gel layer being, after the fact, dried and heated in air to transform it into insulating metal compounds or into insulating oxides corresponding to the metals included in this layer of gel. As heat treatments, one can, for example, heat to 500-600 C, in air, for 1 to 2 hours or longer if desired, so that the layer densifies and the remaining organic residues are eliminated by oxidation. .
As metal compounds which can be used to form the solutions of alkoxides, mention may be made of those of the metals generally used in the art to constitute the phase promoting sintering. For example, solutions containing lead hexanoate and a germanium alkoxide, or alkoxides of boron and bismuth, or alkoxides of silicon and aluminum may be suitable. By impregnation with such solutions, followed by drying and heating as indicated above, layers of lead germanate, lead borobismuthate or alumina silicate are obtained, respectively. Several successive layers in combination can sometimes be advantageous; in particular, one or more layers of alumina silicate can be supplemented with one or more layers of lead germanate.
It is interesting to note that the presence of an aluminosilicate layer on the doped strontium titanate grains will have the effect of inhibiting the magnification of these semiconductor grains during sintering, which is advantageous and unexpected since a of the aforementioned references says precisely the opposite.
It may be desirable, with regard to the implementation of the sintering step of the present method, to supplement the quantity of liquid phase provided by the abovementioned technique with an additional quantity of agent favoring sintering in the form of powder. To this end, the SrTiO3 powder provided with a coating layer is mixed with an additional quantity of sintering agent in dry pulverulent form and the mixture is then molded into the desired form using a binder. subsequently decomposable (as a binder, it is possible to use a volatile or easily combustible polymer, such as polyvinyl alcohol or polyvinyl butyral).
As compounds which can be used as agents complementary to the liquid sintering phase to be incorporated in pulverulent form, mention may be made of compounds and oxides, such as PbO, GeO2, Bi203, H3BO3, BaCO3, P205 and SrTiO3. The use of SrTiO3 as a component of the liquid sintering phase during the sintering of the semiconductor doped SrTiO3 grains is new and provides notable advantages with regard to the permittivity and Q factor of sintered ceramic.
The preferred additional sintering aid compositions are as follows (in% by weight):
PbO 78% - GeO2 22%; PbO 45% - B203 5% - Bizou 50%;
PbO 25% - B203 20% - Bizou 20% - GeO2 5% - BaO 10% P2O5 20%.
When SrTiO3 is used as additional sintering aid for the liquid phase, it is preferably added at the rate of 5% by weight to one of the preferred compositions above.
The doped semiconductor powder, for example niobium, used as internal granular phase in the present process can be obtained by mixing SrTiO3 and Nb2Os and baking the mixture under a reducing atmosphere, for example at 1450-1500 "C under a mixture 1-10% H2 / Ar or H2 / N2. Alternatively, a mixture of TiO2, Nb2Os and SrCO3 can also be subjected to such cooking.
We can also use a different technique to prepare the
SrTiO3 doped with a metal, for example by impregnating a powder of SrTiO3 with an organic solution (of sol-gel type) of a metallic alkoxide and by proceeding in a manner quite similar to that described above, where it is supplying by the sol-gel technique the material constituting the limiting insulating phase of the semiconductor grains and simultaneously the sintering aid agent. Thus, the undoped SrTiO3 powder can be immersed in organic solutions containing a niobium alkoxide, wrung out, dried at 90 ° C. and heated in air to around 500-600 ° C. at the rate of a few ° C. / min (for example 4 C / min are suitable).
Then a cooking-reduction operation is carried out, for example it is heated 2-3 h at 1450-1500 "C in a reducing atmosphere, in particular in a mixture 1-10% (V / V) H2 / Ar, H2 / N2 or CO and CO2. Then, to obtain a doped powder of suitable particle size, the reduced material is powdered and ground in a ball mill until grains of the desired size are obtained, for example 0.5-2 llm on average.
Alternatively, the above-mentioned sol-gel doping treatment can be applied to TiO2 powder and, after doping and drying, this powder is mixed with an equivalent of strontium carbonate as indicated above, the resulting mixture being then reduced to hot as described and ground to the desired fineness.
According to another variant, an organic solution is used containing titanium and niobium alkoxides and the formation of a gelled suspension of microparticles is caused by the addition, to this stirring solution, of a catalyst such as ammonia aqueous. This suspension is separated and dried in the form of TiO2 powder doped with Nb, it is mixed in desired proportions with
SrCO3 powder and a reduction is carried out at 1300-1500 C under an atmosphere containing hydrogen, as described above.
The sintering conditions allowing the conversion of the grains of
SrTiO3 semiconductors mixed with the material incorporated by the sol-gel technique and constituting the liquid phase of sintering and, subsequently, coating of said grains, with or without additional supply of pulverulent material, so as to produce a granular ceramic with interstitial layer of high dielectric constant limit first of all compacting or molding the powder under pressure in the presence of a binder mixed with the powder so as to produce an object in green (a disc, a wafer, etc.),
then this object is sintered and densified at a temperature usually between 1000 and 1300 C under an inert gas such as argon or nitrogen or in a reducing atmosphere so as not to risk losing the semiconductor properties of the doped Sorti03. As the reducing atmosphere, dilutions of hydrogen can be used in an inert gas such as nitrogen or a rare gas. Permittivities of the order of 106 were thus obtained accompanied by low Q factors. By an appropriate subsequent heat treatment, for example by air annealing, the Q factor and the mechanical strength of the ceramic can be raised, at the expense, to some extent, of the permittivity.
In general, sintered discs were prepared by mixing the powder coated with the liquefiable phase (in the presence or absence of an additional quantity of powder) with 1-3% of a binder such as polyvinyl butyral (taken from 1-2 g of powder), by pressing the shaped sample by means of a piston press, the pressed discs having approximately 10-20 mm in diameter and 1-3 mm in thickness, by performing sintering 1- 6 h at a given temperature, by fixing electrodes on either side of the disc and by measuring its dielectric properties (capacitance and loss factor Q) by the usual means.
The formula used is as follows (C measured in picofarads = 10-12 F):
C = 0.0885 E S / e, from which we calculated (the permittivity, also designated by x), S being in cm2 and e in cm. The electrodes (Cu, Ag, Pt or Au) were applied by spraying under vacuum by known techniques or by screen printing using a paint or a metallic paste whose binder is destroyed during cooking; such an application can be done directly on the green object (cooking then corresponds to sintering) or afterwards on the object already sintered.
It was also possible to improve the dielectric properties of the densified ceramic by a diffusion post-treatment similar to that known in the state of the art. For example, mixtures of various vitrifiable metal oxides were dispersed in binders and the pastes thus obtained were applied to the faces of the sintered ceramic discs; then it was heated in a range of temperatures of the order of 800 to 1000 C, so that the oxides melt and the liquid diffuses into the pores of the substrate.
In some cases, it was possible to combine this treatment with the placement of the electrodes; thus, the pulverulent vitrifiable oxides were kneaded with a paste or a metallic paint (for example Ag or Pt), this paste was applied to the faces of the ceramic discs and the whole was cooked as already described above . During this firing, the molten oxides diffuse in the ceramic while the metal is deposited on the surface of this, thus providing the desired electrodes.
Some of the preferred compositions for carrying out the above-mentioned diffusion treatment are given below: (a) Bizou 36% - CuO 4% - Ag paste 60% (b) PbO 32% - GeO2 8% - Ag paste 60% ( c) PbO 30% - GeO2 8% - SrTiO3 2% - Ag paste 60% (d) PbO 18% - Bizou 20% - B203 2% - Ag paste 60% (e) PbO 78.05% - GeO2 21.95 % (f) PbO 76% - GeO2 19% - BaO 5% (gl) PbO (g2) PbO 60% - PbF2 40% (h) PbO 20% - Bi203 20% - B203 40% - CuO 20% (i) PbO 66% - GeO2 12% - Bizou 20% - B203 2%
According to a variant, we used,
for diffusion, the vapors of said molten oxides. For the implementation of this variant, the solids were melted in a crucible (Pt) and the ceramic disks were placed in the opening thereof, fixing them by hooks at about 1- 3 cm from the level of the molten material.
In this variant, use was preferably made of the composition (h) above (fusion 800 C) and a mixture (by weight) 4: 6 B203 / PbO (temperature of the molten liquid 900 C).
The following examples illustrate the invention in detail.
Example 1:
A semiconductor doped SrTiO3 powder (I) was prepared by mixing 79.63 g of very pure SrCO3, 43.1 g of TiO3 (grain size 0.75 llm) and 1.01 g of Nb203 (0, 7 mole%). The mixture was heated 2 h at 1100 C in air (platinum crucible) and, after cooling, it was further heated 4 h at 1480 C in an H3 / Ar mixture at 10% H2 (V / V ) so as to ensure a reducing effect and to cause the appearance of the semiconductor properties. The powder was then ground for 24 h in a 250 ml plastic mill containing 20 WC / Co balls 9 mm in diameter and, as grinding liquid, a 3: 1 mixture (V / V) of petroleum ether and butanol.
There was thus obtained a powder with a particle size of about 0.5-5. The powder was then wrung out and dried. Its resistivity, measured by the usual means, was 4.88 Rcm. The semiconductor powder was then immersed in an excess of an organic solution (PEG) containing 0.53 g of germanium tetraethoxide, 1.37 g of lead 2-ethylhexano'1.6 g of acetylacetone , 13 g ethanol and 10 mg HCl (in the form of a 0.1 N ethanolic solution).
After standing for about 30 min, the powder was filtered, dried for 16 h at 90 ° C., then it was heated for 1 hour in air at 550 ° C. (4 ° C./min). This treatment was repeated four times in a row. Then, after incorporating 1-3% organic binder into the powder, the whole was pressed in the form of discs at 2.5 T / cm 2 as described previously (15 mm in diameter; 1 mm in thickness). These discs were sintered for 100 min at the conditions summarized in Table I below (the term flash indicates that the samples were quickly brought to the sintering temperature).
Table I
EMI4.1
<tb> <SEP> Sintering <SEP> Properties
<tb> Sample <SEP> Heating
<tb> <SEP> Atm. <SEP> <SEP> a <SEP> Q <SEP> R <SEP> (MQ) <SEP>
<tb> <SEP> C / min <SEP> C <SEP>
<tb> <SEP> I-A <SEP> air <SEP> flash <SEP> 1120 <SEP> 1140 <SEP> 5.5 <SEP> 2000
<tb> <SEP> I-B <SEP> N3 <SEP> flash <SEP> 1120 <SEP> 2349 <SEP> 7.6 <SEP> 400
<tb> <SEP> I-C <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1120 <SEP> 1606 <SEP> 20 <SEP>
<tb> <SEP> I-D <SEP> N3 <SEP> flash <SEP> 1200 <SEP> 5267 <SEP> 11 <SEP> 120
<tb> <SEP> I-E <SEP> N3 <SEP> 7 <SEP> 1200 <SEP> 3076 <SEP> 13 <SEP> 330
<tb>
After sintering,
Pt electrodes were applied to the disks by sputtering in the usual manner and the properties of the dielectric were measured at 1.5 kHz using a Hewlett-Packard HP-4192-AIF electrotest apparatus high impedance lamp ohmmeter. The results of the measurements, in terms of permittivity e, factor Q and ohmic resistance are also shown in Table I.
Example 2:
A semiconductor SrTiO3 powder (I ′) was prepared as in Example 1, with the following difference: the reduction step was carried out for 5 h at 1480 C under a 10% (V / V) mixture d hydrogen and nitrogen. This powder was then ground (as indicated in Example 1) for 48 hours in the presence of 50 tungsten carbide balls. After removal of the grinding solvent by drying, four successive coating treatments were applied to this powder using the lead and germanium solution described in the previous example, namely immersion in the liquid, drying for 2 hours at 95 ° C. , heating (flash) to 550 "C and holding 1 hour at this temperature in air.
Then 1.5% by weight of polyvinyl butyral (PVB) was mixed with this powder using a solution of this polymer in a 75:25 (V / V) mixture of petroleum ether / t-butanol, it was dried, passed through a 300 m mesh screen and molded under pressure in a green disc of I g (3 t / cm3). Was heated in air for 1 hour at 5500 C to destroy the binder (0.5 C / min).
The green discs were then sintered under the conditions indicated in Table II and the dielectric properties were measured as described in Example 1. The results are collated in the same Table II.
Table II
EMI5.1
<tb> <SEP> Sintering <SEP> properties
<tb> <SEP> dielectrics <SEP>
<tb> Sample <SEP> Sintering <SEP> dielectrics <SEP>
<tb> <SEP> Atm. <SEP> Heated <SEP> emp. <SEP> Time <SEP> ± <SEP> <SEP> Q <SEP> R <SEP> (I Q) <SEP>
<tb> <SEP> (0Cjmin) <SEP> (0C) <SEP> I <SEP> (min) <SEP>
<tb> <SEP> I-A <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 6873 <SEP> 2.1 <SEP> 75
<tb> <SEP> I'-B <SEP> N2 <SEP> 10 <SEP> 1350 <SEP> 120 <SEP> 9279 <SEP> 2.2 <SEP> 17
<tb> <SEP> r-c <SEP> N2 <SEP> <SEP> 10 <SEP> 1250 <SEP>
180 <SEP> 6692 <SEP> 2.8 <SEP> 10
<tb> <SEP> r-D <SEP> N3 + air <SEP> 10 <SEP> 1250 <SEP> 180 <SEP> 478 <SEP> 21 <SEP> 5000
<tb> <SEP> r-E <SEP> N3 <SEP> 10 <SEP> 1100 <SEP> 240 <SEP> 840000 <SEP> 0.6 <SEP> 2.4
<tb> <SEP> r-F <SEP> N3 <SEP> 7 <SEP> 1350 <SEP> 60 <SEP> 240000 <SEP> 0.4 <SEP> 22
<tb> <SEP> I-G <SEP> N3 <SEP> 8 <SEP> 1060 <SEP> 120 <SEP> 4857 <SEP> 2.9 <SEP> 65
<tb>
E was air annealed for varying lengths of time at various temperatures. The results, recorded in Table III, indicate that this post-treatment somewhat improves the Q factor.
Table III
EMI5.2
<tb> Temperature <SEP> Time <SEP> x <SEP> 105 <SEP>
<tb> <SEP> ('C) <SEP> (h)
<tb> <SEP> 650 <SEP> 1 <SEP> 3.6 <SEP> 1,2
<tb> <SEP> 780 <SEP> 1 <SEP> 1.6 <SEP> 2.4
<tb> <SEP> 800 <SEP> 3 <SEP> 1,2 <SEP> 2.6
<tb>
By electromicrography, it was found that the particle size of this sample was approximately 2 μm. The insulating barrier layer e was about 1 to 100 nm.
Example 3:
A solution of niobium ethoxide (S2) was prepared by mixing 10 g of acetylacetone, 4.78 g of niobium ethoxide, 24 g of n-butanol and 1.2 mg of HCl (supplied in the form of '' 0.1 N ethanolic solution).
About 15 g of very pure strontium titanate powder (Kyorix 1150 / A) was impregnated with this solution at room temperature and then, after gelation, the product was drained and heated for 2 h at 600 "C (at speed of 2 "C / min). This doping treatment was repeated, after which the powder was subjected to a reduction for 2 h at 1490 C (temperature rise rate 7 "C / min) under a 10% (V / V) mixture of hydrogen and d Argon A semi-conductive powder (STK-III) was obtained which was ground as in the previous examples; its resistivity, measured by the usual means, was 1.43 ohmcm.
The grains of this powder were coated by soaking in a solution (PG2) containing 12 g of acetylacetone, 1.06 g of Ge (OEt) 4, 2.74 g of Pb ethyl-2-hexanoate, 23.32 g of n-butanol and 268.5 ml of 0.1N ethanolic HCl solution (0.98 g of HCl).
After impregnation and gelation, the powder was drained, dried and then heated in air for 2 h at 500 C (temperature rise, 5-7 "C / min). This coating operation was repeated 2 times (sample C4-W) and 4 times (samples C4-L to V) Then these powders were pressed in the form of discs as in the previous examples and they were sintered as summarized in Table IV below. , which also indicates the dielectric properties of sintered discs.
Comparative example 3a:
A semiconductor powder of SrTiO3 (STK-I) was prepared as in Example 3, but using for doping a solution (SI) containing 5 g of acetylacetone, 2.39 g of niobium ethoxide, 12.1 g of ethanol and 0.6 g of HCl (0.1 N ethanolic solution). After the impregnation carried out as in Example 3, the reduction was carried out at 1483 C under 10% (V / V) of H2 / Ar. The resistivity of this powder was practically identical to that of the STK-III powder above.
The insulating barrier phase was provided as in the prior art by grinding the doped SrTiO2 powder with a certain amount of powder (PGO) obtained by intimately mixing (parts by weight) 19.91 g of PbO and 5.49 g of GeO2. In this case, the proportion by weight of the PGO powder relative to the mixture with doped SrTiO3 was 5%.
The mixture of oxides was melted at 900 "C in air, after which the block was reduced to powder and ground, as explained before, in a plastic ball mill in the presence of WC and a 3: 1 (V / V) mixture of petroleum ether and t-butanol, to a particle size of approximately 0.5-5 μm. The sintering in the form of test discs was carried out as a summary in Table IV, in which the electrical properties are reported for comparison.
Table IV
EMI5.3
<tb> <SEP> Sintering <SEP> Properties
<tb> <SEP> dielectrics
<tb> <SEP> Samples
<tb> <SEP> Atm. <SEP> Heating <SEP> remp, <SEP> Time <SEP> E <SEP> Q
<tb> <SEP> (C / min) <SEP> (C) <SEP> (min) ¯
<tb> <SEP> C4-L <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1100 <SEP> 60 <SEP> 3522 <SEP>
<tb> <SEP> M <SEP> N3 <SEP> flash <SEP> 1114 <SEP> 33 <SEP> 1788 <SEP>
<tb> Test <SEP> C4T <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 10300 <SEP>
<tb> Ex.
<SEP> 3 <SEP> C4-U <SEP> N3 <SEP> 7 <SEP> 1000 <SEP> 270
<tb> <SEP> 1060 <SEP> 120 <SEP> 3374 <SEP> 14.3
<tb> <SEP> C4V <SEP> N2 <SEP> 6 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 5762 <SEP> 3.9
<tb> <SEP> C4W <SEP> N2 <SEP> 6 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 7155 <SEP> 4.8
<tb> ControlC3-K <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1100 <SEP> 60 <SEP> 2839 <SEP>
<tb> Ex.
<SEP> 3a <SEP> C3-N <SEP> N2 <SEP> flash <SEP> 1114 <SEP> 33 <SEP> 1341 <SEP>
<tb> <SEP> C3-S <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 7216 <SEP> 2.4
<tb>
These results indicate that the method of the invention provides samples whose dielectric properties are superior to those of the control samples and that, on the other hand, the application of three layers of material intended to provide the intergranular barrier gives superior results. to the application of five coats.
Example 5:
A first solution was prepared (A) by mixing the following ingredients: 28.55 g of Ti (OEt) 4, 100 g of alcohol and 0.56 g of Nb (OEt) s, then diluted with alcohol to make 626 ml at room temperature. To this solution was added a solution (B) containing 13.51 g of 0.5 N aqueous solution of NH40H and alcohol to make 626 ml.
The mixture resulting from the addition of B to A had the following titers: 0.1 M titanium and 0.59 M water; it also contained 0.054 mole of ammonia. The mixture gave a fine precipitate and, after 1 hour with stirring, 830 ml of water was added and stirring was continued for 15 min. Then after having left to stand for 16 h, the clear liquid was siphoned off and replaced with 1 l of alcohol. The precipitate was separated by filtration and redispersed for 1 hour in 11% boiling alcohol at reflux. The precipitate was re-filtered and dried overnight at 900 C. The cake was reduced to a fine powder, it was heated for 1 hour in air at 5500 C (1 C / min).
TiO2 doped with niobium (8.63 g) was mixed with 15.59 g of
SrCO3 and the whole heated for 3 h in air at 1300 C. The resulting strontium titanate contains 0.7 mol% of niobium. We then proceeded to its reduction in order to obtain a semiconductor product, we operated as already described by 4 hours of heating at 1480 "C under a hydrogen / nitrogen mixture at 10% (V / V). Then we finally ground the powder in a plastic ball mill containing 50 balls of
WC and using as organic carrier phase a 3: 1 mixture (V / V) of petroleum ether and t-butanol, as already described previously. After air exchange for 4 hours at 90 "C, the powder was finally heated for 1 hour at 5500 C (4 C / min).
The resistivity was approximately the same as that of powder I of Example 1.
The coating intended to provide the insulating intergranular phase was applied as described in Example 1 using the solution defined as PGI (see Example 6). Four successive layers were applied with, between them, a drying operation of 4 hours at 90 "C; then it was gradually heated (4 C / min) to 550" C, temperature maintained for 1 hour thereafter, which provided a coated powder (V).
This powder was pressure molded into discs as described above and these discs were sintered under the conditions given in Table V; electrodes were applied to the discs according to the usual method and the dielectric properties of the discs were measured as in the previous examples.
Table V
EMI6.1
<tb> <SEP> Properties
<tb> <SEP> Sintering <SEP> dielectrics
<tb> Samples <SEP>
<tb> <SEP> Atm. <SEP> Heating <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> E
<tb> <SEP> ("C / min) <SEP> (C) <SEP> (min)
<tb> <SEP> V-A <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1200 <SEP> 100 <SEP> 3453 <SEP> 8.4
<tb> <SEP> V-B * <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1200 <SEP> 100
<tb> <SEP> N2 <SEP> 8 <SEP> 1350 <SEP> 60 <SEP> 9950 <SEP> 2.3
<tb> <SEP> V-C <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1250 <SEP> 120 <SEP> 4490 <SEP> 3.5
<tb> * The V-B sample was heated during the first period to
1200 "C, then during the second, 1 h at 1350" C.
The ceramics produced according to Examples 1 to 5 have been found to be applicable to miniaturized multilayer capacitors of high capacity.
According to a modification, the niobium doped SrTiO3 semiconductor powder can be obtained as follows: TiO2 is first doped by dipping it in a niobium alkoxide solution, this operation being followed by the same treatment, described more high, used to boost SrTiO3 by sol-gel (see example 3). Then the TiOB treated with niobium is mixed with the required amount (1 equivalent) of a strontium salt, generally
SrCO3, and the mixture is reduced to 1300-1500 "C in a reducing atmosphere containing hydrogen.
Example 6:
The following ingredients were mixed and ground in a zirconia mill in the presence of 1 kg of ZrO2 beads: 923.78 g (6.26 moles) of SrCO3, 500 g (6.26 moles) of TiO3 and 11.72 g (0.044 mole) of Nb2O5. As the carrier phase, water was used. The powder cake was air dried, then heated for 2 hours at 1100 ° C. in air in an alumina crucible (temperature setting 400 "C / h). We then proceeded to a reduction by heating 2-4 h at 1450-1480 "C under a 10/90 (V / V) mixture of hydrogen / nitrogen. The heating rate being approximately 300-420 "C / h. The reduced product was then ground in a polyethylene mill in the presence of WC / Co beads to a particle size of 0.5 to 5 .mu.m.
As the grinding liquid, a 75/25 mixture of petroleum ether / t-butanol was used.
The ground doped SrTiO3 thus obtained was washed with acetone and, after having dried it, it was brought into contact for approximately 30 min, in a glove box, with a chosen solution of the sol-gel type. For this, we used the following solutions, called HM9SIA and
ERP.
HM9SIA (abbreviated HM): Was mixed and heated 30 min at 70 "C 41.6 g of Si (EtO) 4.30 g of n-butanol, 7.9 g of di-sec-butoxydeacetylacetate aluminum chelate and 1.84 g of HCl (in the form of a 0.1 N solution in ethanol) After cooling, 3.3 g of H2O and 182 g of EtOH were added. at 500 C and allowed to cool.
PGI: A mixture of 15 g of acetylacetone, 2.12 g of germanium tetraethoxide, 5.48 g of Pb 2-ethylhexanoate, 25.5 g of n-butanol and 1 was brought to boiling for 2 hours at reflux. 76 g HCl (as 0.1 N solution in ethanol); allowed to cool and used at room temperature.
After bringing the ground reduced SrTiO3 into contact with the alkoxides solution for a sufficient time under nitrogen, the grout was drained on sintered glass under reduced pressure, then it was dried in the air for 16 h at 90 "C. The powder was then densified by heating it for 1 h at 550 "C, the rate of temperature rise being 60 to 240" C / h depending on the case. During this treatment, all the organic residues are destroyed and eliminated; if necessary , this treatment can be carried out in oxygen to accelerate the combustion processes. The densified powder is now ready to be molded and sintered, either without the addition of other additives, or after mixing with an additional quantity of liquefiable powder phase. .
To obtain the pressed discs, the titanate powder was mixed with about 1.5% by weight of polyvinyl butyral (PVB) in an acetone / isopropanol solution. To do this, the required amount of PVB is added to the dispersion of SrTiO3 in the form of a 20 g solution of PVB per 120 g of a 1: 1 mixture of acetone / n-butanol.
After having stirred for 30 min, it is evaporated, the powder coated with PVB is passed over a 300 μm mesh screen and it is pressed in the form of discs in a stainless steel mold at 2-5 t / cm 2.
Then the green disks are heated for 1 hour in air at 550 "C to destroy the binder (0.5-1" C / min), after which the sintering is carried out.
This sintering was carried out in Al203 tubular furnaces equipped with pipes for the introduction of gas, that is to say on one side of pure nitrogen, on the other a 10/90 mixture (V / V) hydrogen / nitrogen. The flow of each of these gases was controlled by valves and flow meters. By appropriate adjustment of these members, it was possible to precisely regulate the hydrogen content of the gas in which the sintering is carried out, and this within an approximate range of 0.01 to 5% by volume. H2 / N2 ratios in the range of 0.1 to 1% have been found to be advantageous. The sintering temperatures vary between around 900 and 1500 ° C., and the sintering times from 1 hour to several hours. It is obvious that soft sintering conditions are sought in order to reduce the tendency of the semiconductor grains to enlarge.
In some cases, electrodes have been formed on the faces of the discs during sintering by applying, on the green disc, paints or pastes to be metallized, containing for example platinum, copper, silver and d other poorly oxidizable metals.
Table VI which follows summarizes certain operating data and the corresponding results obtained, in terms of properties of the dielectrics. In certain cases, the table indicates the implementation of thermal post-treatments such as cooling in the presence of air after sintering. Such treatment (analogous to annealing) is indicated by the cooling rate in C / h. The second column of the table indicates the number of layers applied by sol-gel on the doped SrTiO3, as well as the type of solution.
Table VI
EMI7.1
<tb> Trial <SEP> N " <SEP> Solution <SEP> sol-gel <SEP> = <SEP> <SEP> Sintering <SEP> Properties
<tb> <SEP> number <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Post
<tb> <SEP> from <SEP> layers <SEP> ( <SEP> C) <SEP> (h) <SEP> treatment <SEP> <SEP> E <SEP> Q <SEP>
<tb> <SEP> H4 (1) <SEP> 1HM, <SEP> SPGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> ¯ <SEP> <SEP> 7760 <SEP> 10.5
<tb> <SEP> H4 (3) <SEP> 1HM, <SEP> SPGI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5000 <SEP> 14.3
<tb> <SEP> H4 (4) <SEP> 1HM,
<SEP> SPGI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> C / h <SEP> 9000 <SEP> 96.2
<tb> <SEP> H5 (1) <SEP> SPGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7000 <SEP> 31
<tb> <SEP> H5 (2) <SEP> SPGI <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7500 <SEP> 9.7
<tb> <SEP> H5 (3) <SEP> SPGI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5200 <SEP> 17
<tb> <SEP> H5 (4) <SEP> SPGI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> C / h <SEP> 6000 <SEP> 99
<tb>
The effect which results from the application of an initial layer of aluminosilicate is a reduction in the growth of the grains during sintering, with a somewhat higher combination of the values g and Q. The air cooling increases the factor Q without adversely affecting the permittivity.
Example 7:
The materials of Example 6 were brought into play under approximately similar operating conditions. However, before sintering, an additional quantity of liquefiable powdered phase was added to the powder of SrTiO3 reduced and coated by sol-gel, this operation being carried out as follows: the mixture was brought to 1000 C (melting temperature of the glass) in a crucible of alumina a mixture PbO-GeO2 78/22 by weight (called PGO) and, after a waiting period in the molten state (1-4 h), the liquid was poured into molds stainless steel.
After cooling, the blocks were broken and reduced to powder by grinding according to the technique defined in Example 6 (polyethylene mill, WC / Co balls) to a grain size of about 1-5 m.
The SrTiO3 powder and a selected proportion of the PGO powder were then dispersed in a 20/80 (V / V) acetone / isopropanol solution containing PVB. From a weight point of view, about 0.5 g of PVB was used per 30 g of solids. The grout was then wrung out and treated and sintered into shapes as in Example 6.
The results of the measurements carried out on the sintered discs are found in table VII: the titles of the columns of this table refer to the same parameters as those of table VI with, in addition, the quantity by weight of liquefiable phase added (PGO), as well as the nature and the conditions of the air thermal post-treatment: in some cases (C), it is air cooling as already mentioned in Example 6, in other cases (A) , this is annealing at the temperature and for the time indicated.
Table VII
EMI7.2
<tb> <SEP> Solution <SEP> Phase <SEP> Sintering <SEP> Properties
<tb> <SEP> Trial <SEP> sol-gel <SEP> liquefiable <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Post-processing
<tb> <SEP> N <SEP> refr. <SEP> (C) <SEP> or <SEP> annealed <SEP> (A) <SEP> s <SEP> Q
<tb> <SEP> 1 <SEP> layer <SEP>% <SEP> in <SEP> weight <SEP> ("C) <SEP> (h) <SEP> ("C / h) <SEP>
<tb> H1 (1) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1305 <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 1,000,000 <SEP> 0.1
<tb> H1 (13) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1305 <SEP> 1 <SEP> A (1050;
<SEP> 3) <SEP> 14000 <SEP> 62.2
<tb> H1 (2) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1170 <SEP> 2
<tb> <SEP> 1270 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 3400 <SEP> 16.2
<tb> Ho (3) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A (1100;
<SEP> 1) <SEP> 32000 <SEP> 5.3
<tb> H3 (1) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> ¯ <SEP> <SEP> 5100 <SEP> 18.3
<tb> H3 (2) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 10800 <SEP> 1,2
<tb> H3 (3) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> 3700 <SEP> 10.8
<tb> H3 (4) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A (1100;
<SEP> 1) <SEP> 9600 <SEP> 13
<tb> H3 (5) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180 C / h) <SEP> 11 <SEP> 600 <SEP> 100
<tb> H3 (6) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1305 <SEP> 1
<tb> <SEP> no <SEP> from <SEP> H2 <SEP> 5400 <SEP> 11
<tb> H3 (7) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> | <SEP> 3 <SEP> C (180 C / h) <SEP> 10650 <SEP> 116
<tb>
Example 8:
This example is intended to illustrate the application, after sintering, of a diffusion treatment of a vitreous composition in the molten state inside the ceramic. The doped reduced strontium titanate is the same as in Examples 6 and 7, as well as the operating conditions, until the sintering step of the pressed discs.
About 0.1 g of a paste prepared with one of the compositions mentioned above at the end of the descriptive part of this application was then applied to the sintered discs. Such a paste was prepared by simply mixing about 3 g of the pulverized solid with a small amount of a solution containing 20 g of PVB in 120 g of n-butanol (taken around 0.1 g of this solution). The discs thus coated were dried and heated for a determined time at the temperature chosen for diffusion. Table VIIIA which follows brings together a first group of parameters and results.
In this case, the grains of doped semiconductor SrTiO3 were prepared by calcining (1100 C, 2 h) a mixture of 1000 g of SrCO3, 541 g of TiO2 and 12.69 g of Nb2Os and reducing it for 4 hours to 1480 C in an H2 / N2 mixture as described above. After spraying as described above, an aluminosilicate layer was applied using the HM9SIA solution (see example 6) and, after the usual treatments, the powder was mixed with 5% (by weight) of PGO (see Example 7); then the sintering was carried out as indicated in Table VIIIA. Finally, the diffusion treatment was applied as indicated in the same table, which also brings together the results of the dielectric measurements of the corresponding capacitors. The electrodes were deposited after spraying.
Table VIIIA
EMI8.1
<tb> <SEP> Trial <SEP> Sintering <SEP> Diffusion <SEP> Properties <SEP> to <SEP> 100 <SEP> kHz
<tb> <SEP> N <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Compo- <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Gain <SEP> in <SEP> # <SEP> <SEP> Q <SEP> p <SEP> (# <SEP> cm)
<tb> <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> sition <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> weight <SEP> (%) <SEP> DC
<tb> H3 (8) <SEP> 1245 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 9.4 <SEP> 4000 <SEP> 184 <SEP> 20 <SEP> x <SEP> 109
<tb> H3 (9) <SEP> 1245 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 11.6 <SEP> 2700 <SEP> 78
<tb> H3 (11) <SEP> 1206 <SEP> 5 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 3.5 <SEP> 6450 <SEP> 94 <SEP> 21x109
<tb> H3 (12) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> <RTI
ID = 8.8> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 1.07 <SEP> 5100 <SEP> 96 <SEP> 94x <SEP> 108
<tb> H3 (13) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 0.78 <SEP> 6000 <SEP> 100 <SEP> 14x <SEP> 109 <SEP>
<tb>
In another group of tests, two successive layers of alumina silicate were applied by means of the above-mentioned sol-gel treatment (HM solution), but without additional addition of liquefiable powder phase. In addition, the sintering was carried out without hydrogen, that is to say under pure nitrogen. The operating parameters, the diffusion conditions and the results are recorded in Table VIIIB below:
Table VIIIB
EMI8.2
<tb> <SEP> Trial <SEP> Sintering <SEP> Diffusion <SEP> Properties <SEP> to <SEP> 100kHz <SEP>
<tb> <SEP> N " <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Compo- <SEP> Temp.
<SEP> Time <SEP> Gain <SEP> in <SEP> # <SEP> Q <SEP> P (#. Cm)
<tb> <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> sition <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> weight <SEP> (%) <SEP> DC
<tb> H34 (1) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 2.36 <SEP> 16800 <SEP> 25.3 <SEP> 27x <SEP> 105
<tb> H34 (2) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3.2 <SEP> 14200 <SEP> 27 <SEP> 17 <SEP> x <SEP> 106
<tb> H34 (3) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> gl <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 3.3 <SEP> 21600 <SEP> 59 <SEP> 83 <SEP> x
<tb> H34 (4) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> g2 <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 5.3 <SEP> 5650 <SEP> 133 <SEP> 11x109
<tb> H34 (5) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 19.2 <SEP> 3450 <SEP> 31 <SEP> 36 <SEP> x <SEP> 107 <SEP>
<tb> H34 (6) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3.8 <SEP> 11200 <SEP> 30 <SEP> 2x108
<tb> H34 (7) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3.5 <SEP> 11100 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> x <SEP> 105
<tb> H34 (8) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> 7.7 <SEP> 2800 <SEP> 16 <SEP> 28 <SEP> x <SEP> 108
<tb> H34 (9) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> e <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 3000 <SEP> 13 <SEP> 29 <SEP> x <SEP> 108
<tb>
A third group of tests similar to the previous ones was carried out, the samples having received a single layer of aluminosilicate sol-gel by means of the HM solution, but no additional liquefiable phase. The discs were sintered under pure nitrogen.
The results are shown in the table below:
Table VIIIC
EMI8.3
<tb> <SEP> Trial <SEP> Sintering <SEP> Diffusion <SEP> Properties <SEP> to <SEP> 100 <SEP> lcHz <SEP>
<tb> <SEP> N <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Compo- <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Gain <SEP> in <SEP> P <SEP> (# .cm)
<tb> <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> sition <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> weight <SEP> (%) <SEP> # <SEP> <SEP> Q <SEP> DC
<tb> H33 (1) <SEP> 1362 <SEP> 2 <SEP> f <SEP> 1100 <SEP> 1.5 <SEP> 17.4 <SEP> 17700 <SEP> 22.3 <SEP> 125x108 <SEP>
<tb> H33 (8) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 1.47 <SEP> 16300 <SEP> 42 <SEP> 12 <SEP> x <SEP> 106
<tb> H33 (9) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP>
930 <SEP> 3 <SEP> 1.44 <SEP> 13000 <SEP> 47 <SEP> 93 <SEP> x <SEP> 106
<tb> H33 (10) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 21.6 <SEP> 2400 <SEP> 118 <SEP> 164x108 <SEP>
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