Filmes espessos de PZT para dispositivos electrónicos embutidos

Abstract

Pós de titanato zirconato de chumbo, com um tamanho de partícula de aproximadamente 300 nm, foram usados como material base para a deposição electroforética (EPD) de filmes espessos de PZT em substratos flexíveis de cobre. Foram preparadas, modificadas e aperfeiçoadas várias suspensões a fim de optimizar a etapa de deposição. Para diminuir a temperatura de sinterização dos filmes espessos, de forma a tornar a sua utilização compatível com o uso de substratos de cobre, recorreu-se à utilização de diferentes aditivos de sinterização, nomeadamente um vidro composto por SiO2, PbO, Al2O3, B2O3 e uma mistura de dois óxidos (B2O3 e PbO). Foram então depositados por EPD filmes de PZT sobre folhas de cobre em presença destes aditivos de sinterização; primeiramente com a adição de 5, 10 e 20 % em peso de vidro e, posteriormente, com a adição de 1 e 3 % em peso de uma mistura de diferentes proporções dos óxidos B2O3 e PbO (90/10, 80/20 e 50/50) e os filmes foram sinterizados a diferentes temperaturas, entre 800ºC e 900ºC e em atmosfera de baixa pressão parcial de oxigénio (pO2) (~ 5x10-5 e 8x10-7 atm). Verificou-se que a deposição em presença de pós de vidro origina filmes não uniformes, com superfícies irregulares e microestruturas porosas, o que se deve à dificuldade em obter suspensões desfloculadas e estáveis. A resposta dieléctrica dos vários filmes espessos de PZT sobre cobre foi analisada em função da frequência à temperatura ambiente. Verificou-se que a presença dos óxidos aditivos de sinterização melhorou a densificação dos filmes. A adição da mistura de 3 % em peso de 50%B2O3 + 50%PbO originou a melhor resposta dieléctrica de filmes sinterizados a 800 ºC e 850ºC (permitividade de ~1195 e perda dieléctrica de~0,02). Os resultados obtidos foram comparados com os da adição de uma mistura de V2O3 e PbO, previamente reportados. Foi então demonstrado que os filmes espessos de PZT aditivados com misturas de B2O3 e PbO e fabricados por deposição electroforética em substratos de cobre flexíveis são passíveis de serem usados como condensadores embutidos em circuitos da microelectrónica.

ABSTRACT: Powders of lead zirconate titanate with a particle size of about 300 nm, were used as base material for the electrophoretic deposition (EPD) of PZT thick films on flexible copper substrates. With these powders, several suspensions were prepared, modified and improved in order to optimize the deposition step. To lower the sintering temperature of thick films to make its employment consistent with the use of copper substrates, different sintering additives, including a glass comprising of SiO2, PbO, Al2O3, and B2O3 and a mixture of two oxides (PbO and B2O3) were studied. Films were then deposited by EPD of PZT films on copper sheets in the presence of sintering additives, first with the addition of 5, 10 and 20% by weight of glass and, later, with the addition of 1 and 3% by weight of a mixture of PbO and B2O3 (90/10, 80/20 and 50/50) and the films were sintered at different temperatures between 800 º C and 900 º C in an atmosphere of low oxygen partial pressure (pO2) (~ 5x10-5 and 8x10-7 atm). It was found that the deposition in the presence of glass powder causes non-uniform films with rough surfaces and porous microstructures, which is due to the difficulty in obtaining deflocculated and stable suspensions. The dielectric response of the various PZT thick films on copper was examined as a function of frequency at room temperature. It was found that the presence of oxide sintering additives improved the densification of the films. The addition of mixing 3wt% of 50% B2O3 + 50% PbO led to an optimized dielectric response for the films sintered at 800 º C and 850 º C (permittivity ~1195 and losses ~0.02). The results were compared with PZT films prepared with the addition of a mixture of PbO and V2O3, previously reported. In conclusion, PZT thick films manufactured by EPD on copper flexible substrates and sintered in the presence of PbO and B2O3 (as sintering aid mixtures) can be used as embedded capacitors in microelectronic circuits.