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Prozess- und Dotierungseinflüsse auf Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten für steuerbare Mikrowellenkomponenten

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Ziel dieser Arbeit war die Erarbeitung von Prozess- und Dotierungeinflüssen auf die Morphologie und dielektrischen Eigenschaften der siebgedruckten Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten. Dabei stand die Erklärung der Beziehungen zwischen dem Gefüge und den dielektrischen Eigenschaften bzw. zwischen der chemischen Zusammensetzung und den dielektrischen Eigenschaften im Fokus. Unterschiedlich behandelte Schichten wurden durch erhöhte Kalzinationstemperaturen, Verwendung unterschiedlicher Mahlprozesse, Variation der Sinterbedingungen und/oder Verwendung der verschiedenen Akzeptordotierungen hergestellt. Die mittleren Korngrößen d50 der Dickschichten liegen im Bereich von 0,27 µm bis 0,56 µm. Durch die Verwendung einer Pulvermischung aus zwei unterschiedlich feinen Pulvern kann eine niedrige Porosität von 25% in Co-F dotierten Dickschichten erzielt werden. Die Permittivitäten der Schichten liegen im Bereich von 170 bis 392 bei f = 10 GHz im ungesteuerten Zustand. Dabei zeigt die Kalzinationstemperatur und die damit verbundene Korngröße den Haupteinfluss auf die Permittivität der Schichten. Die (Fe, Co, Ni, Cu)-F Kodotierungen zeigen einen unterschiedlichen Einfluss auf die Korngröße und die Permittivität der Dickschichten. Des Weiteren zeigen die mikrowellengesinterten Schichten eine leicht erhöhte Permittivität bei der gleichen Sintertemperatur und Sinterzeit. Der Verlustfaktor der Schichten ist stark frequenzabhängig im untersuchten Bereich von 5 bis 40 GHz. Eine deutliche Erniedrigung der dielektrischen Verluste kann bei den Fe-F, Co-F und Ni-F dotierten Dickschichten im Vergleich zu den undotierten Schichten bei gleicher Frequenz beobachtet werden. Während die Korngröße einen großen Einfluss auf die Permittivität hat, spielt die chemische Zusammensetzung für den Verlust der Dickschichten eine wichtige Rolle. Erwähnenswert sind die Cu-F dotierten Schichten, die keine Verschiebung des Curie-Punkts und keine Verringerung des Verlusts aufweisen. Es wird vermutet, dass die Cu-Ionen nicht ins Kristallgitter eingebaut werden und lediglich als Sinterhilfsmittel in der Korngrenze fungieren. Die Steuerbarkeit der undotierten Schichten lässt sich nicht allein durch die Korngröße, sondern durch das Verhältnis zwischen Korngröße und Sinterhalsgröße beeinflussen. Dieser Effekt kann mit einem Modell aus der Literatur erklärt werden. In den mikrowellengesinterten und den dotierten Dickschichten spielen sehr wahrscheinlich die Defektkonzentration bzw. die chemische Zusammensetzung gleichzeitig eine Rolle für die Steuerbarkeit. Schließlich wurden erste Versuche zur Entwicklung eines BST-Glaskomposits in Hinblick auf die Erniedrigung der Sintertemperatur durchgeführt, die das Potenzial der hergestellten Kompositschichten für die Anwendung mit LTCC-Substrate aufzeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die dielektrischen Eigenschaften der BST-Dickschichten durch die verschiedenen Prozessparameter und die Verwendung verschiedener Dotierungselemente beeinflusst werden können. Dies bietet insbesondere die Möglichkeit, die BST-Dickschichten entsprechend den Anforderungen verschiedener Mikrowellenkomponenten maßgeschneidert herzustellen.

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