کاربرد نانوپودرهای سرامیکی در صنایع الکترونیک
کاربرد در زمینه الکترونیک
الکتروسرامیک ها (Electroceramics) دسته ای از سرامیک های پیشرفته هستند که همگام با رشد و پیشرفت تکنولوژی، توسعه یافته اند. سرامیک های سنتی به واسطه خواص حرارتی و مکانیکی خود مورد توجه قرار می گرفتند ولی به تدریج خواص الکتریکی، نوری و مغناطیسی سرامیک ها در بسیاری از صنایع مانند مخابرات، تبدیل و ذخیره انرژی و الکترونیک مورد توجه قرار گرفت و منجر به توسعه الکتروسرامیک ها شد.
در اولین کاربرد سرامیک ها در صنعت برق از مزیت پایداری آن ها در شرایط بد آب و هوایی و یا مقاومت الکتریکی بالای آن ها که ویژگی بیشتر مواد سیلیکاتی است، بهره گرفته شد. روش هایی که در طول هزاران سال در سفالگری سنتی گسترش یافته بودند برای تولید بدنه عایق های الکتریکی اصلاح شدند. این عایق ها برای انتقال و جداسازی رساناهای الکتریکی در کاربردهایی از خطوط نیرو گرفته تا مقاومت هسته های سیم پیچ و المنت های حرارتی الکتریکی مورد نیاز هستند.
اگر چه در نیمه اول قرن بیستم مشخصه بدیهی سرامیک ها در کاربردهای الکتریکی، پایداری شیمیایی و مقاومت الکتریکی بالا بود، اما کاملا مشخص بود که گستره خواص آن ها بسیار وسیع است. برای مثال، مشخص شده بود که کانی مگنتیت که دریا نوردان اولیه آن را سنگ آهن می نامیدند، علاوه بر خواص مغناطیسی، دارای خواص هدایت الکتریکی مناسب نیز است. این ویژگی همراه با خنثایی شیمیایی، آن را به عنوان آند در استخراج هالوژن ها از نیترات های معدنی قابل استفاده کرد. هم چنین زیرکنیا به همراه مقادیر کمی از اکسید لانتانیدها (خاک های کمیاب می تواند با عبور جریان به دماهای بالا برسد و به صورت فیلامنت نرنست، یک منبع موثر نور سفید را تشکیل دهد. هم چنین مشاهده شد که برخی سرامیک ها، یعنی رساناهای یونی، جریان الکتریسیته را به خوبی هدایت می کنند. به همین دلیل در دو دهه اخیر این مواد به دلیل نقش تعیین کننده خود در فن آوری پیل سوختی، باتری و حس گرها مورد توجه قرار گرفته اند.
پیشرفت علم الکترونیک از سال ۱۹۱۰ که با استفاده همه جانبه از گیرنده های رادیویی و کابل های مخابراتی چند کاناله همراه بود، محققین را بر آن داشت تا در سال های ۱۹۳۰ تا ۱۹۵۰ در مورد فریت ها تحقیق کنند. فریت های نیکل – روی و منگنز – روی که از نظر ساختار شبیه سنگ آهن هستند، به دلیل مقاومت بالا و حساسیت کم به جریان های القایی، به عنوان مواد هسته ترانسفورماتور و دریچه در فرکانس های بالا تا ۱MHz و یا بیش تر استفاده می شدند. فریت باریم ساخت آهن رباهای دائمی با هزینه کم و به شکل های کوچک که با فلزات فرومغناطیسی دست یافتنی نبود، را میسر ساخت. از سال ۱۹۴۰، پودرهای سرامیکی مغناطیسی، اساس نوارهای صوتی و ضبط را تشکیل دادند و سپس برای ساخت هسته مغناطیسی با قطر کمتر از ۰,۵mm مورد استفاده قرار گرفتند و تا چند سال مبنای حافظه پردازنده مرکزی کامپیوترها بودند. فریت ها و سرامیک ها مشابه دارای ساختارهای گارنت، همچنان ازاجزای موثر در فن آوری مایکروویو هستند.
از دهه ۱۹۲۰، سرامیک های رسانا مورد استفاده قرار گرفتند. به عنوان مثال می توان میله های کاربید سیلیسیمی مورد استفاده برای گرم کردن کوره ها تا دمای ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد در هوا را نام برد. هم چنین بر خلاف فلزات که ضریب مقاومت حرارتی مثبت و کوچک دارند، سرامیک ها مقاومت ویژه بالاتر و ضریب مقاومت حرارتی منفی بالایی دارند. بنابراین به عنوان دما سنج و برای محدود گسترده ای از کاربردهای مرتبط با دما مورد استفاده قرار گرفتند. در ضمن در مراحل اولیه مشخص شد که مقاومت ویژه نمونه های متخلخل با ترکیبات مشخص، به شدت تحت تاثیر اتمسفر محیط به ویژه مقدار رطوبت و پتانسیل اکسیداسیون آن قرار می گیرد. بعدها این حساسیت کنترل شد و در آشکارسازهای مواد سمی یا قابل اشتعال مورد استفاده قرار گرفت.
هم چنین مشخص شد که مقاومت الکتریکی سرامیک های بر پایه کاربید سیلیسیم و اخیرا اکسید روی را می توان به میدان اعمالی حساس کرد. این امر باعث گسترش اجزایی شده است که نوسانات ناپایدار را از خطوط نیرو جذب می کنند و مانع از جرقه زدن بین اتصالات رله ها می شوند. اکنون رفتار غیر خطی این مقاومت ها را ناشی از وجود سدهای پتانسیل بین بلورها در سرامیک می دانند.
سرامیک های مورد استفاده به عنوان دی الکتریک برای خازن ها، دارای این عیب هستند که به راحتی نمی توان از آن ها ورقه های نازک تهیه کرد، و یا ورقه های ساخته شده از آن ها بسیار شکننده هستند.
در اواخر دهه ۱۹۴۰ با ظهور دی الکتریک های با ضرایب گذردهی بالا (εr≈۲۰۰۰-۱۰۰۰۰) که بر اساس تیتانات باریم ساخته شده بودند، این وضع تغییر کرد، به طوری که برای محدوده گسترده ای از کاربردها، ورقه های کوچک یا لوله هایی با ضخامت ۰,۲ تا ۱ میلی متر ترکیب مفیدی از اندازه و ظرفیت الکتریکی را ارائه می دادند. توسعه ترانزیستورها و مدارهای مجتمع باعث شد تا نیاز به ظرفیت الکتریکی بالاتر و اندازه کوچک که به وسیله ساختارهای چند لایه یکپارچه ایجاد می شد، بیش تر احساس شود. در این موارد لایه های نازک پلیمری حاوی پودرهای سرامیکی ساخته می شود. الگوهایی از جوهر فلزی به عنوان الکترود نشانده می شود و لایه های مختلف بر روی هم انباشته و فشرده می شوند تا قطعات کاملا به یکدیگر چسبیده، درست شود.
پس از سوزاندن و خروج ماده آلی و سینتر، قطعات چند لایه مستحکم با دی الکتریک هایی با ضخامت کمتر از ۵ میکرون به دست می آید. این قطعات عمل کنار گذر (bypass)، جفت کردن (coupling) و جدا کردن (decoupling) مدارهای مجتمع نیمه رسانا در مدار های نیمه رسانای لایه ضخیم را انجام می دهند.
این ساختار چند لایه یک پارچه را می توان برای ساخت هر دی الکتریک سرامیکی مورد استفاده قرار داد. تلاش برای توسعه ساختارهای چند لایه که کاربردهای گوناگونی دارند، ادامه دارد. به ویژه فن آوری سرامیک با پخت همزمان در دمای کم (low temperature co-fired ceramic) برای بسته بندی الکترونیکی به ویژه کامپیوترهای بزرگ و سیستم های ارتباطی به وفور مورد استفاده قرار می گیرد.
ظهور سرامیک های فرومغناطیس، فروالکتریک و رسانا به ساخت ترکیبات غالبا عاری از پلاستی سایزرهای طبیعی مانند رس ها نیاز داشته است. این ترکیبات به پلاستی سایزر های آلی نیاز دارند تا شکل پذیری آن ها قبل از سینتر امکان پذیر باشد. بر خلاف پرسلان های سیلیکاتی، متراکم شدن به حضور مقدار زیادی از فازهای گدازآور وابسته نیست، بلکه به مقدار کمی فاز مایع برای بهبود سینتر در حضور فاز مایع یا به سینتر نفوذی حالت جامد و یا ترکیب این مکانیزم ها بستگی دارد. اندازه بلور و مقادیر بسیار کم فازهای ثانویه که در مرز دانه ها وجود دارند ممکن است تاثیر زیادی بر خواص داشته باشد. از این رو کنترل دقیق مواد اولیه و شرایط آماده سازی ضروری است. این امر باعث انجام تحقیقات مهمی در راستای توسعه به اصطلاح روش های شیمیایی تر برای ساخت پودرهای اولیه شده است.
سرامیک ها از بلورک هایی تشکیل شده اند که ممکن است از نظر ساختار، بی نقص بودن، ترکیب و نیز اندازه، شکل و تنش های داخلی با یکدیگر تفاوت داشته باشند. به علاوه فصل مشترک بین بلورک ها مناطقی هستند که در آن ها تغییرات در جهات شبکه ای اتفاق می افتد که اغلب با تغییرات در ترکیب و تاثیرات الکتریکی وابسته به آن همراه است. در نتیجه توجیه رفتار سرامیک ها به طور دقیق، اگر غیر ممکن نباشد، بسیار دشوار است. مطالعه خواص تک بلور های الکتروسرامیک مهم، به درک رفتار سرامیک ها منجر شده است. با این وجود، رشد تک بلورها معمولا کاری دشوار و طولانی است و در ضمن، پیچیدگی ریزساختارهای سرامیکی، پیش بینی خواص آن ها را از تک بلورهای مشابه نامطمئن می کند. بنابراین، معمولا پیش از آن که یک درک جزئی از مکانیزم های فیزیکی اساسی وجود داشته باشد، مشاهدات تجربی منجر به ساخت ابزارهای جدید سرامیکی شده است