Propriétés structurales, microstructurales et électriques du titanate de baryum dopé à l'yttrium pour l'élaboration des condensateurs multicouches

par Ana Maria Hernández-López

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Sophie Guillemet et de Juan A. Aguilar Garib.


  • Résumé

    Le titanate de baryum dopé (BaTiO3, BT) avec des éléments de terres rares est utilisé comme diélectrique dans la fabrication de condensateurs céramiques multicouches (MLCC). L'oxyde de terres rares le plus couramment utilisé comme dopant dans la formulation commerciale de la poudre BT pour la fabrication de MLCC est Y2O3, car il a des propriétés similaires à celles de l'ajout de Ho2O3, Er2O3 ou Dy2O3 et il est moins coûteux. D'autres additifs, tels que Mn, Mg et Ca contribuent à la répartition globale des défauts électroniques pouvant être générés lorsque les ions dopants sont insérés dans le réseau, tandis que SiO2 est utilisé comme additif de frittage. La structure pérovskite du BT peut héberger une large gamme de dopants pouvant remplacer Ba ou Ti dans le réseau. Aussi, des phases secondaires, notamment celles connues sous le nom de pyrochlores Y2Ti2O7, associées à l'Y2O3 en tant que dopant BT, supposées être á l'origine des mécanismes de défaillance à long terme des MLCC, apparaissent. Le but de ce travail est de caractériser le BT dopé avec différentes concentrations d'Y2O3, en validant son éventuelle contribution à la formation de phases secondaires et en évaluant la fiabilité des MLCC préparées avec ce type de matériaux. Le rôle de Y2O3 a été évalué sur deux types de matières premières, le premier est du BaTiO3 pur (<100 ppm en Y) et le second est une formulation commerciale conçue pour les MLCC connus sous le nom de X7R (-55 °C et 125 °C, ±15 %) qui, entre autres éléments, contient déjà 1% en poids de Y2O3. Des poudres et des céramiques avec différentes concentrations d'Y3+, telles qu'Y2O3, de dopage (1% en poids à 20% en poids) ont été préparées puis traitées thermiquement ou frittées. Le traitement thermique de la poudre a été effectué à l'air, tandis que le frittage de la céramique (poudre compactée à 2 MPa) a été effectué à la fois dans l'air et dans une atmosphère réductrice (1310 °C à l'air pendant 3 h, deux étapes: 1310 °C puis 1150 °C 15 h et une atmosphère réductrice N2, H2, H2O à 1310 °C pendant 3 h). En ce qui concerne l'addition d'Y2O3, la transition de phase de tétragonal à un mélange de tétragonal et de cubique a été observée lorsque la concentration en Y2O3 augmentait dans la poudre traitée thermiquement et dans la céramique correspondante. [...]

  • Titre traduit

    Structural, microstructural and electrical properties of yttrium-doped barium titanate for the elaboration of multilayer ceramic capacitors


  • Résumé

    Doped barium titanate (BaTiO3, BT) with rare-earth elements (REE) is used as dielectric in the manufacture of multilayer ceramic capacitors (MLCCs). The most common REE oxide employed as dopant in the commercial formulation of BT powder for fabrication of MLCCs is Y2O3, because it results in similar properties than adding Ho2O3, Er2O3 or Dy2O3, and it is less expensive. Other additives, such as Mn, Mg, and Ca contribute to the global distribution of the electronic defects that can be generated when the doping ions are inserted into the lattice, while SiO2 is used as a sintering additive. The perovskite structure of the BT can host a wide range of dopants that can substitute either Ba or Ti in the lattice. There are reports of secondary phases, particularly those known as pyrochlores Y2Ti2O7, related to Y2O3 as BT dopant, that are supposed to be the cause of long term failure mechanisms of MLCC's under nominal operation. The purpose of this work is to characterize BT doped with different concentrations of Y2O3, validating its possible contribution to the formation of secondary phases, and evaluating reliability of MLCCs prepared with this kind of materials. The role of Y2O3 was evaluated on two kinds of raw materials, the first one is pure BaTiO3 (< 100 ppm Y) and the second kind is a commercial formulation designed for MLCCs known as X7R (-55 °C and 125 °C, 15% tolerance) which, among other elements, already contains 1 wt% of Y2O3. Powders and ceramics with different Y3+, as Y2O3, doping concentration (1 wt% up to 20 wt%) were prepared and subsequently thermally treated or sintered, respectively. Heat treatment of powder was conducted on air, while sintering of ceramics (powder compacted at 2 MPa) was carried out both, in air and reducing atmosphere (1310 °C in air for 3 h, two steps: 1310 °C then 1150 °C 15 h, and a reducing atmosphere N2, H2, H2O at 1310 °C for 3 h). Regarding Y2O3 addition, the phase transition from tetragonal to a mixture of tetragonal and cubic was observed as Y2O3 concentration increases in the thermally treated powder and in the corresponding ceramics. [...]


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

Propriétés structurales, microstructurales et électriques du titanate de baryum dopé à l'yttrium pour l'élaboration des condensateurs multicouches


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Informations

  • Sous le titre : Propriétés structurales, microstructurales et électriques du titanate de baryum dopé à l'yttrium pour l'élaboration des condensateurs multicouches
  • Détails : 1 vol. (180 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitre
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