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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-76923
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7692/


Schumacher, Benedikt

Polymer-Keramik-Komposite mit optimierten dielektrischen Eigenschaften für elektronische Bauelemente

Polymer ceramic composites with optimised dielectric properties for electronic devices

Dokument1.pdf (28.894 KB) (Dissertation Schumacher 2010) (md5sum: 459cb23bf977aa2d95634e93cbf8bfff)

Kurzfassung in Deutsch

Für die Entwicklung von Polymer-Keramik-Kompositen mit optimierten dielektrischen Eigenschaften wurde ein ungesättigtes Polyester Klarharz (Lieferant Carl Roth GmbH) als Entwicklungsplattform qualifiziert. Hierbei wurden insbesondere der Einfluss des Kaltstarters Methyl-Ethyl-Keton-Peroxid und die Verdünnung mit dem aktiven Lösungsmittel Styrol auf die physikalischen, mechanischen und dielektrischen Eigenschaften des ausgehärteten Polymers untersucht. Der Einfluss beider Modifikationen auf die Permittivität ist sehr gering im Vergleich zu den zu erreichenden Permittivitätserhöhungen. Die Verdünnung mit Styrol ist geeignet, die Viskosität des Gießharzes über mehrere Größenordnungen hinweg gezielt zu variieren.
Um möglichst dünne Schichten herstellen zu können, wurden nanoskalige anorganische Materialien (BaFe12O19, BaTiO3, SnO2, SrTiO3, TiO2 und ZnO) als Füllstoffe untersucht. Die erreichten Permittivitäten liegen hierbei weit unterhalb der in der Literatur gefundenen Ergebnisse. Die besten Ergebnisse wurden mit BaTiO3 und SrTiO3 erzielt.
Es wurden 13 kommerzielle BaTiO3-Pulver von sechs verschiedenen Herstellern und drei SrTiO3-Pulver von drei Herstellern als Füllstoffe untersucht. Dabei wurden innerhalb der jeweiligen Materialgruppe nur sehr kleine Unterschiede der erreichten Permittivitätswerte bei identischem Füllgrad festgestellt.
Die Kristallstruktur und Kristallitgröße je eines nanoskaligen BaTiO3- und SrTiO3- Pulvers wurden durch thermisches Ausheizen bei Temperaturen zwischen 500°C und 1400°C gezielt variiert. Ausgehend von einem nanoskaligen BaTiO3 konnte durch Ausheizen bei 1050°C die relative Permittivität des Komposits von 9.2 auf 25.0 bei 22Vol% um einen Faktor 2.7 gesteigert werden. Ausgehend von nanoskaligem SrTiO3 wurde keine signifikante Permittivitätssteigerung festgestellt, jedoch konnte der dielektrische Verlust von 0.028 auf 0.003 bei einer Auslagerungstemperatur von 1000°C reduziert werden. Durch die Auslagerung von sub-mikroskaligen BaTiO3-Pulvern konnten optimierte multimodale Pulvermischungen hergestellt werden, mit denen höhere Füllgrade erreicht wurden als mit dem optimierten nanoskaligen BaTiO3. Durch die Verwendung eines mit der Sol-Gel-Methode synthetisierten Ba0.7Sr0.3TiO3 konnte die Frequenz- und Temperaturabhängigkeit der Permittivität der Komposite nochmals optimiert werden.
Für die Berechnung der Permittivität von Kompositmaterialien in Abhängigkeit des Füllgrades wurde ein Modell auf der Basis der Parallel- und Serienschaltung von Kondensatoren entwickelt und mit vorhandenen Modellen aus der Literatur auf die Messdaten angewendet und untereinander verglichen.
Das optimierte Komposit-Material wurde in einem Labordemonstrator zu Schichten mit 40 μm Dicke verarbeitet und bei 50°C polymerisiert. Die erreichten Kapazitätsdichten liegen bei 13 pF/mm2 vor und ca. 6.0 pF/mm2 nach thermischer Belastung des Kondensators mit 32 Zyklen zwischen -60°C und 80°C.


Kurzfassung in Englisch

For the development of polymer-ceramic-composite-materials with improved dielectric properties an unsaturated polyester reactive resin (supplier Carl Roth GmbH) was qualified as development platform. Especially the influence of the cold hardening system (methylethyl- ketone-peroxide) and the thinning with the active solvent styrene on the physical, mechanical and dielectric properties were investigated. The influence of both factors on the permittivity and the dielectric loss are very small compared to the goals of this work. The thinning with styrene is a suitable tool to vary the viscosity of the reactive resin over several decades.
To be able to manufacture thin layers, nano scaled anorganic materials (BaFe12O19, BaTiO3, SnO2, SrTiO3, TiO2 and ZnO) were examined as filler materials. The permittivity values lay far below values found in the literature. The best results were reached with BaTiO3 and SrTiO3 as filler materials.
Thirteen commercial BaTiO3 powders from six suppliers and three SrTiO3 powders from three suppliers were investigated as filler materials. Within each material group, only small differences were found with respect to the composite permittivity at constant filler loads.
The crystal structure and crystallite size of a nano scaled BaTiO3 and SrTiO3 powder were influenced by thermal treatment at temperatures between 500°C and 1400°C.
With the BaTiO3 heated at 1050°C the relative permittivity was raised from 9.2 to 25.0 at 22Vol% by a factor of 2.7. With the SrTiO3 no significant raise in permittivity was detected. The dielectric loss was lowered from 0.028 to 0.003 when heating the SrTiO3 to 1000°C before incorporation into the polymeric matrix. By temperature treating sub micron scaled BaTiO3 powder, optimised multi modal powder mixtures were produced. Using these, higher filler loads were achieved compared to the optimised nano scaled powders.
Using a Ba0.7Sr0.3TiO3, synthesised by the sol-gel-method, the frequency and temperature dependency of the composite permittivity was improved.
On the basis parallel and serial connected capacitors a model was developed to describe the permittivity with respect to the filler load. It was compared to existing literature models by applying them to measurement data presented in this paper.
The improved composite material was incorporated into laboratory demonstrators. Single layers with thicknesses of 40 μm were produced and polymerised at 50°C. Capacities of 13.3 pF/mm2 were reached before thermal testing and about 6.0 pF/mm2 after 32 temperature cycles between -60°C and 80°C.


SWD-Schlagwörter: Bariumtitanat , Strontiumtitanat , Matrix <Werkstoff> , Nanokomposit , Verbundwerkstoff , Dielektrizitätszahl , Kapazität , Kondensator , Polyester ,
Freie Schlagwörter (deutsch): Polymer-Keramik-Komposit , Barium-Strontium-Titanat , integrierte passive elektrische Bauelemente , eingebettete Kondensatoren , Feldlinienverlauf
Freie Schlagwörter (englisch): polymer-ceramic-composite , barium strontium titanate , integrated passive electric component , embedded capacitors , streamlines of the field
PACS Klassifikation 77.84.Lf , 77.80.bg , 77.80.B- , 77.55.fe , 77.55.F-
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Hanemann, Thomas (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.07.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 31.08.2010
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