Evolution de la microstructure lors du frittage de capacités céramiques multicouches : nanotomographie et simulations discrètes.

Les condensateurs multicouches en ceramique (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCCs) sont des composants passifs cles de l'electronique moderne. Les MLCCs sont constitues d'une alternance d'electrodes metalliques et de couches dielectriques de ceramique. Les puces ultraminces sont composees de melanges de couches micrometriques metalliques et ceramiques et d'additifs de ceramique de taille nano. Un certain nombre de defauts tels que des fissures, des delaminations des couches et des discontinuites au sein de l'electrode, peuvent survenir dans la fabrication de ces MLCCs ultraminces. Un dispositif experimental a rayons X (TXM, Transmission X-ray Microscope) avec une resolution spatiale de 30 nm au synchrotron APS (Advanced Photon Source, USA) a ete utilise pour caracteriser un volume cylindrique representatif de O 20 µm × 20 µm extrait d'une puce 0603 (1,6 mm × 0,8 mm) au nickel (Ni) + titanate de baryum (BaTiO3, ou BT) avant et apres frittage sous argon hydrogene (2%). La tomographie 3D de la microstructure montre que les discontinuites de l'electrode finale sont liees a des heterogeneites initiales dans les couches d'electrodes. La radiographie in-situ aux rayons X pendant le frittage (vitesse de chauffage de 10 °C/mn, temperature de maintien a 1200 °C pendant 1 heure, puis refroidissement a 15 oC/min) d’un volume representatif d'electrode au palladium (+ baryum-neodyme-titanate) confirme bien que les discontinuites dans l'electrode proviennent de l'heterogeneite initiale de la poudre, qui est lie a la nature du compactage d'un materiau particulaire. La discontinuite se produit a l'etape precoce du cycle de frittage. A ce stade, l'electrode metallique commence a fritter tandis que le materiau dielectrique peut etre considere comme un substrat inerte qui contraint le frittage de l’electrode.Des etudes correlatives utilisant un FIB-SEM (Focused Ion Beam Scanning Electron-microscopie) en tomographie a haute resolution (5 × 5 × 5 nm3) ont ete effectuees sur des echantillons MLCC a vert et frittes. Elles confirment que la resolution de la nanotomographie X est suffisante pour etudier l’evolution des heterogeneites. Cependant la tomographie par FIB permet a la nanotomographie X d’etre reinterpretee avec plus de precision. D'autre part, le FIB fournit les parametres des particules pour les simulations DEM.La methode des elements discrets (DEM) a ete utilisee pour simuler la microstructure du systeme multicouche lors du frittage. Tout d'abord, le frittage de la matrice de nickel avec inclusions BT a ete simule en utilisant le code dp3D. Nous avons pu montrer que la vitesse de densification de la matrice diminue avec l'augmentation la fraction volumique d'inclusions et avec la diminution de la taille des inclusions. Pour une fraction volumique donnee, et une taille d’inclusions donnee, une meilleure dispersion des inclusions conduit a un retard plus marque de la densification du frittage de la matrice de nickel.Le co-frittage de multicouches de BT/Ni/BT a ete simule en tenant compte des informations collectees a partir de la tomographie FIB-SEM a resolution elevee (taille des particules, distribution de taille, heterogeneites, et pores). On constate que les discontinuites d'electrodes proviennent des heterogeneites initiales dans le comprime a vert et se forment au debut de frittage sous contrainte. Ces resultats de simulation sont en bonne correspondance avec les observations experimentales. Une etude parametrique indique que les discontinuites d'electrodes peuvent etre minimisees par l'homogeneisation de la compacite, par l’augmentation de l'epaisseur des electrodes et par l’utilisation d’un chauffage rapide.A partir des resultats experimentaux et des simulations DEM, une conclusion generale peut etre avancee: la discontinuite finale provient de l'heterogeneite initiale dans les couches d'electrodes et survient a un stade precoce de frittage lorsque les couches dielectriques contraignent les couches d'electrodes