Nederlands RadiogenootschapDEEL 27 No. 2-3 1962

Tijdschrift van het

Nederlands Radiogenootschap

DEEL 27 No. 2-3 1962

Sym posium over enige m oderne elektrische en m agnetische m aterialen en daaruit vervaardigde

onderdelen

D it tw eed aag s symposium w e rd op de w oensdagen 29 m a a rt en 12 ap ril 1961 te D e lft gehouden.

In de symposiumcommissie had d en zitting:

Prof. dr. C. Z w ik k e r (voorzitter) Prof. dr. C. E. M u ld ers (secretaris) Ir. A. W . M . Paling

D r. C. F. V eenem ans H e t p rogram m a w a s als volgt:

2Ç m aart 13.30 uur : 13.45 uur :

14.45 u u r : 15.45 uur :

O pening door de vo o rzitter van h et symposium D r. C. F. V eenem ans - N .V . Philips E indhoven D e g a n g van de ontw ikkeling van materialen en onder­

delen voor elektrotechnische toepassingen.

D r. O . D re x le r - N .V . Philips Eindhoven K eram ische dielektrische materialen.

Ir. A. J. de R ooy - N .V . Philips E indhoven Ferrieten

12 a p ril

10.30 u u r : D r. R. de P ro o st - M .B .L .E . Brussel K eram ische halfgeleiders.

11.30 u u r : Ir. H . van d e r W e id e n - N .V . Philips E indhoven K w aliteitsbeleid bij de produktie van onderdelen.

M iddagpauze

14.00 uur : Ir. W . B eukem a - N .V . Philips E indhoven M iniaturisatie van weerstanden en condensatoren.

15.00 uur : D r. W . Beyerlein - Siemens M ünchen

M oderne ontwikkelingen op het gebied der ,,Bauele- mente”, in het bijzonder condensatoren.

D it num m er b e v a t de te k s t van het m erendeel d e r op deze dagen gehouden voordrachten, voorafgegaan door een sam en v at­

ting in de Engelse taal.

D e v o o rd ra c h t van D r. Beyerlein w e rd in de definitieve uit­

voering van h et p rogram m a g e p la a tst n a de v o o rd ra c h t van D r.

de P roost.

Sym posium on som e m odern electric and m agnetic m aterials and their use in the construction o f com ponents

Sum m ary

The intention of the symposium held in D e lft on 29 M a rc h and 12 A pril 1961 w a s to give an impression of some trends in the m anufacture of new m aterials for the construction of m odern components for electrical and magnetic applications.

The C h airm an of the organising Com m ittee C. Z w ik k e r in­

tro d u ced the lecturers.

The opening lecture w a s given by C. F. Veenemans. H e poin­

ted out th a t the developm ent of the m odern ceramic m aterials as ferrites, dielectrics, piezoelectrics and ceramic semiconductors does not only stim ulate the creation of new electronic applica­

tions b u t also the m iniaturization of com ponents and consequently the m iniaturization of electronic circuits.

M iniaturization is for different reasons of fundam ental im por­

tance. S ev eral technologies are in developm ent today, which certain ly will be used for the production of micro circuits before the end of the coming decade.

The lecture given by 0 . D rexler continued on the subject of ceramics, especially ceramic dielectric m aterials. O n the base of the fabrication processes of e a rth e n w a re and porcelain in the p a st th irty y e a rs a group of n ew m aterials has been developed, which is often designated as synthetic ceramics or oxide ceramics.

As a consequence not only the more o rd in ary p ro p erties as insulation resistance an d m echanical stren g th have been im pro­

ved, b u t m aterials have been found w ith com pletely new com­

binations of properties. In the field of dielectrics the so-called low e m aterials show a w ell defined te m p e ra tu re coefficient of the capacitance w hich ren d ers them suitable fo r capacitors in tuned circuits.

Symposium over moderne materialen 63

The high e m aterials m ade it possible to m anufacture small and cheap capacitors for those applications w here requirem ents on stab ility are less rigorous. The piezoelectric effect which is p re se n t w ith the la s t m entioned m aterials, m ay be used to tr a n s ­ form mechanical vibrations into electric tension and vice versa.

A . J . de Rooy p aid atte n tio n to m agnetic ceramics. In this article a survey is given in a chronological sequence of the im­

p o r ta n t ferrite m aterials w hich have been found since the first publication of D r. Snoek in 1947. A fte r this introduction a more detailed description is given of the tren d s in the developm ent of ferrites to be used in L -C filters, telecommuni­

cation transform ers, com puters, logic circuitry and in ultrasonic equipm ent.

The second d a y of the symposium s ta rte d w ith a lecture by R . de Proost on ceram ic sem iconductors, follow ed by a review of Dr. IV. Beyerlein on m odern developm ents in ^’B auelem ente”

especially capacitors.

H . van der Weiden lectured on quality control of components.

H e s ta te d t h a t the recent technical developm ent of complicated a p p a ra tu s dem ands still more stringent requirem ents of the components, of which it is built up.

A reaso n ab le quality, b ased on the dem and of the custom er and the technical possibilities of the m anufacturer, wins in the long run from the so-called " s u p e r” quality.

A full description of the tolerances on the quality, in p a r ti­

cular of the m ethods of m easuring, to g eth er w ith the permis- sable percentage of rejects, a re fundam ental for a good coope­

ratio n b etw een the supplier and the customer.

F o r an efficient q u a lity policy a w ell-considered delegation of responsabilities and po w ers to employees and sta ff m embers is necessary.

W i t h an in teg rated quality policy the quality consciousness of all those concerned, m ust be raised to a high level. E x p e ­ rience has p ro v ed th a t the use of S tatistical T oys can contri­

bute to a large extent to a good instruction.

Finally W . Beukema paid atten tio n to the possibilities of m iniaturization of resistors and capacitors.

The dimensions of resisto rs are dep en d en t on the maximum

p o w e r dissipation. Those of capacitors depend on w orking voltage.

B y the introduction of the tra n s is to r as an active circuit ele­

m ent the dem and for resisto rs and capacitors w ith small dimen­

sions has g reatly increased; the realisation is in principle m ade possible b y the low voltage and low p o w e r requirem ents of those circuits.

In practice h o w ev er the decrease of dimensions is limited by mechanical stren g th of m aterials and the possibilities of handling the component. A certain system in the design of different com ponents gives the possibility of high packing densities in electronic ap p a ra tu s.

F inally several system s of integrating a num ber of components into one m echanically stable b o d y open the door to still smaller electronic system s in the future.

The te x t of the g re a te st p a r t of the lectures is p re se n t in this issue.

Deel 27 - No. 2-3 - 1962 65

D c gang van de ontw ikkeling van m aterialen en onderdelen voor elektronische toepassingen

door C. F. V eenem ans*)

1. Inleiding

D e storm achtige ontw ikkeling van de elektronica n a de 2e w ereldoorlog is voor een niet onbelangrijk deel mogelijk gem aakt door vindingen in het gebied d e r vaste stoffen.

N a a s t de ontw ikkeling van halfgeleiders (Ge, Si), die aanlei­

ding is g ew eest d a t de aloude radiobuis grotendeels vervangen is door de tra n s is to r en w a a rd o o r een belangrijke stap is gezet in de richting van de m iniaturisatie van circuits, zien w e de o p ­ kom st van een groep van overw egend oxydische m aterialen, die gefabriceerd w o rd en volgens m ethoden die in principe reeds eeuw en lang w orden to eg ep ast in de keram ische industrie.

Deze m aterialen hebben d oor hun specifieke eigenschappen aanleiding gegeven to t nieuwe toepassingen en hebben bevruch­

tend g ew erk t op de m iniaturisatie van onderdelen. V o o r de mi­

niaturisatie van elektronische circuits is een in teressan te o n t­

w ikkeling van diverse technologieën gaande, die, evenals de hier genoemde m aterialen, in deze v o o rd rach t k o rt besproken zullen w orden.

2. K eram ische m aterialen

D e in de inleiding genoemde keram ische m aterialen („elek tro ­ nische keram iek” ) kan men indelen in een 3-tal groepen die hier­

onder a a n een korte beschouw ing w o rd en onderw orpen. V a n elke groep w o rd en de k ara k te ristie k e gegevens verm eld die van belang zijn voor de toepassing en w el a) de specifieke eigen­

schappen, b) de a a r d van de verliezen, c) instabiliteit, w a a r o n ­ d e r w o rd t v e rsta a n een ongew enste v ariatie van specifieke eigenschappen onder bedrijfsom standigheden.

E en overzicht van deze k ara k te ristie k e gegevens w o rd t ge- ) N .V . P h ilip s’ G loeilam penfabrieken, H o o fdindustriegroep Icoma.

T A B E L I

M a te ria a l Specifieke eigenschappen

V erliezen In stab iliteit

D iëlek trica £ diëlektrisch tem p eratu u r,

tijd, spanning

Piëzoëlektrica K m echanisch tem p eratu u r,

(elektrom echan.

koppelfactor) tijd

Iso lato ren q, uitzettings- coëfficiënt, mechanische ste rk te

diëlektrisch

F erroxcube B ( / / ) w ervels troom tem p eratu u r, (inductie als

functie van

de veldsterkte) hysteresis

tijd, d ru k

F erro x d u re B r (rem anentie)

H c (coërcitief- w ervelstroom tem p e ra tu u r kracht)

H alfgeleiders N T C

I

e (T ) tijd,

P T C \

---

V D R e (V) ^{— belasting}

L D R e ( F) ^—

gevens w o rd t gegeven in ta b e l 1. T evens zal de richting a a n ­ geduid w o rd en w a a rin de v erd ere ontw ikkeling van deze m ate­

rialen w aarschijnlijk zal gaan.

2.1. D iélektrica, pi'ézoëlektrica, isolatoren

D e keram ische diëlektrica hebben, d ank zij hun hoge e en lage verliezen, condensatoren m et hoge cap a c iteitsw aa rd e n per volume-eenheid mogelijk gem aakt.

Zij b e sta a n voornamelijk uit tita n a te n , zirkonaten en stanna- ten; de verliezen zijn van dielektrische a a r d terw ijl variaties van e op kunnen tre d e n als functie van te m p e ra tu u r, tijd en a a n g e ­ legde spanning.

Ontwikkeling van materialen en onderdelen 67

D e keram ische pi'ëzoëlektrica zullen het seignettezout g roten­

deels gaan vervangen in de opnem ers en zullen de w eg openen to t nieuwe toepassingen v an piëzoëlektriciteit, zoals piëzoëlek- trische m f-bandfilters in ra d io -a p p a rate n , piëzoëlektrische tr a n s ­ fo rm ato ren en w ellicht piëzoëlektrische ontstekingsm echanism en in benzinem otoren.

D eze piëzoëlektrica b e sta a n b.v. uit lo o d zirk o n aat-titan aat; de specifieke eigenschap is de elektrom echanische kop p elfacto r K;

de verliezen, voornamelijk van belang voor de filtertoepassing, zijn van mechanische a ard , terw ijl enige instabiliteit aanw ezig is als functie van te m p e ra tu u r en tijd.

D e keram ische isolatoren nemen, dankzij lage verliezen bene­

vens vorm vastheid bij hoge tem p eratu ren , een belangrijke p laats in bij de constructie van sommige zendbuizen, w aarbij de oor­

spronkelijke glasomhulling is vervangen door keram iek. D e b e ­ langrijkste m aterialen in deze groep zijn aluminiumoxyde en for- ste rie t (m agnesium -orthosilicaat).

In stab iliteit kom t hier niet voor.

2.2. F er riet en

Eveneens een belangrijke p la a ts in de m oderne elektronica w o rd t ingenomen door de keram ische ferrom agnetica, de ferrie- ten, b e sta a n d e uit oxydische verbindingen van Fe m et 2-w aar- dige m etalen als M n, Zn, N i, Cu, Ba. D e voornaam ste m aterialen in deze groep zijn ferroxcube en ferroxdure.

F erroxcube is een zacht-m agnetisch m ate ria a l d a t n a a s t een rela tie f hoge m agnetische perm eabiliteit een hoge elektrische w e e rsta n d heeft, w a a rd o o r h et u iterm ate geschikt is als k e rn ­ m a teriaal in spoelen voor hoge frequenties, zoals filterspoelen voor telecommunicatie-doeleinden, deflectiespoelen voor T V -a p p a - ra te n , antennespoelen, enz.

H e t a a n ta l toepassingen van ferroxcube is groot; voor elke toepassing zijn specifieke eigenschappen ontw ikkeld zoals bijv.

ferrieten m et een rechthoekige hysteresislus voor geheugens in rekenm achines en ook ferrieten die to e g e p a st w o rd en in p ro to ­ nenversnellers.

D e specifieke eigenschappen (perm eabiliteit, verzadigingsmag- netisatie, coërcitiefkracht, vorm van de hysteresislus) w o rd en sam en v atten d gegeven d o o r de B H -curve, w a a rin de inductie B gegeven w o rd t als functie van de veld sterk te H .

D e verliezen b e sta a n voornam elijk uit w ervelstroom - en hy- steresis-verliezen, terw ijl instabiliteit k an o p tred en als functie van tem p eratu u r, tijd en mechanische druk.

F e rro x d u re is een p erm an en t magnetisch m ateriaal d a t in v er­

gelijking m et de m oderne m agneetstalen een re la tie f lage rema- nentie heeft, doch een zeer hoge coërcitiefkracht. D o o r deze la a tste eigenschap behoudt h et h a a r magnetism e in sterk e de­

m agnetiserende velden w a a rd o o r afm etingen en constructies van m agneetsysternen kunnen w o rd en gerealiseerd die in m agneet- sta a l niet mogelijk zijn (bijv. p la tte luidsprekersystem en). F e rro x ­ dure heeft zich n a a s t de m agneetstalen een belangrijke p la a ts v erw orven.

D e specifieke eigenschappen van ferroxdure zijn: de rem anen- tie ( Rr) en de coërcitiefkracht (H c).

D e verliezen in w isselvelden zijn gering, zij zijn echter in de meeste toepassingen niet van belang. D e irreversibele instabili­

teit van B r als functie van de tem p e ra tu u r is d o o r een geschikte keuze van h e t w e rk p u n t geheel te elimineren.

2.3. Keramische halfgeleiders

D eze m aterialen w orden, al n aarg elan g hun specifieke eigen­

schappen, to e g e p a st als een w e e rs ta n d m et een grote tem pera- tuur-coëfficiënt, positief (P T C ) of negatief (N T C ), m et een grote spanningsafhankelijkheid (V D R ), of m et een zekere lichtgevoelig­

heid (L D R ).

N T C b e s ta a t bijv. uit een oxydische Co, N i, L i verbinding, die als begrenzingsw eerstand g ebruikt w o rd t tegen o n to e la a t­

b a a r hoge aanloopstrom en; P T C b e s ta a t voornamelijk uit barium - tita n a a t m et sporen lanthaanoxyde of antim oonoxyde en w o rd t g ebruikt als begrenzings-w eerstand tegen te hoge tem p eratu ren , bijv. in motoren; V D R is een niet-oxydische verbinding; h et b e ­ s ta a t uit S IC en w o rd t to eg ep ast als begrenzingsw eerstand tegen hoge spanningen; L D R b e s ta a t bijv. uit cadmiumsulfide; als lichtgevoelige w e e rs ta n d k an d it m a te ria a l gebruikt w o rd en in schakelelem enten en in com pensatie-elem enten. Ken voorbeeld hier­

van is de toepassing in T V -a p p a ra te n als contrast-regelelem ent.

Bij deze halfgeleiders b e s ta a t enige in stabiliteit als functie van tijd en belasting.

Ontwikkeling van materialen en onderdelen 2.4. Verdere ontw ikkeling

69

T.a.v. de verdere ontw ikkeling van de hier besproken m ate­

rialen b e sta a n de volgende w ensen:

ei) v erb eterin g van specifieke eigenschappen respectievelijk o n t­

w ikkeling van nieuwe eigenschappen b) verlaging v an de verliezen

c) verhoging van de stabiliteit.

T e r vervulling van deze w ensen kunnen de volgende richtingen w o rd en gevolgd:

ƒ) nieuwe sam enstellingen (soms geringe toevoegingen aan de b estaan d e)

2) b e te re beheersing d e r grondstoffen (chemische zuiverheid, fy ­ sische eigenschappen zoals deeltjesgrootteverdeling en vorm van de deeltjes)

3) ontw ikkeling technologie (m engkam erproces, persproces, sin- terproces).

W a t de specifieke eigenschappen b e tre ft w o rd t vooral voor fer- roxcube een verbetering v e rw a c h t voor de hogere frequenties, speciaal het gebied tussen 2 en 100 M H z d a t belangrijk is voor w/^-bandfilters, kortegolfantennes, FM .-antennes, afstem eenheden, tran sfo rm ato ren , enz.

O o k in h et nog zo jonge halfgeleidergebied zijn nog grote mo­

gelijkheden to t verbetering d e r specifieke eigenschappen a a n ­ wezig. H etzelfde geldt voor de piëzoëlektrica.

V erliezen en instabiliteit kunnen in vele gevallen m et vrucht b estred en w orden d oor een geschikte keuze van grondstoffen en technologie.

Beide o n d erw erp en sta a n dan ook in h et b ra n d p u n t v an de belangstelling.

3. M iniaturisatie

Z o als in de inleiding reeds w e rd verm eld vinden de m oderne keram ische m aterialen een d a n k b a re toepassing bij de m iniatu­

risatie van onderdelen.

D a a r n a a s t echter w o rd en in de la a ts te tijd eveneens techno­

logieën ontw ikkeld die speciaal gericht zijn op m iniaturisatie van circuits; hierbij w o rd t tevens bijzondere a a n d a c h t gewijd aan de bedrijfszekerheid.

M in iatu risatie is een belangrijk o n derw erp, in de eerste p la a ts om dat ze ru im teb esp aren d w e rk t; gedacht w o r d t a a n professio-

nele a p p a ra tu u r zoals die, w elke g ebruikt w o r d t in de telecom ­ m unicatietechniek, rekenm achines, e.d.; echter ook in de am use­

m ent-sector is een duidelijke tren d n a a r ontw ikkeling van zeer kleine radio-ontvangers w a a rn e e m b a a r, terw ijl ten slo tte minia­

tu risatie van h et allergrootste belang is voor de ontw ikkeling van militaire a p p a r a te n m et een minimum a a n volume, een mi­

nimum a a n gewicht en een maximum aan bedrijfszekerheid. Als voorbeeld w o rd t hier genoemd de elektronische uitrusting van ra k e tte n , die b e sta n d m oet zijn tegen de enorme versnelling die o p tre e d t tijdens de s ta rt. H e t is dan ook geen w o n d er d a t van m ilitaire zijde de ontw ikkeling van m iniaturisatie (en micromi- niaturisatie) sterk gestim uleerd w o rd t. D eze ontw ikkeling is o.a.

o n d erg eb rach t bij een a a n ta l elektronische industrieën, v o o rn a ­ melijk in A m erika, op basis van gouvernem entscontracten.

T.a.v. de verschillende mogelijkheden om to t m iniaturisatie te kom en k an men th an s 4 concepties onderkennen; elke conceptie v ra a g t h a a r eigen technologische ontw ikkeling en h et is in teressan t om na te gaan in w elke richting deze ontw ikkeling zich bew eegt.

In ta b e l II is een sam envatting van de b e sta a n d e mogelijk­

heden gegeven; de m in iatu risatieg raad h eeft betrek k in g op de onderdelendichtheid; h e t a a n ta l soldeerverbindingen is genoemd in v erb an d m et de bedrijfszekerheid.

T A B E L II

C onceptie

M in ia tu ris a tie ­ g ra a d (o n d e rd /d m 3)

A a n tal soldeer­

verbindingen

V o o rn a a m ste re p re se n ta n t in U .S .A . V erkleining

conventionele onderdelen ge­

c om bineerd m et dichtste

p a k k in g

10.000 groot R adio C o rp o ra tio n

o f A m erica

O p g e d a m p te

onderdelen 100.000 m atig In tern a tio n a l

Business M a c h in e s S olidstate

C ircu itry 500.000 m atig T exas In strum ents

M oleculaire

elektronica 1.000.000 gering W e s tin g h o u s e

In h e t volgende w o rd en genoemde concepties k o r t besp ro k en en m et een enkel voorbeeld toegelicht.

3.1. Verkleining conventionele onderdelen

D e m eest voor de h and liggende w eg om to t m iniaturisatie van circuits te geraken is h et v eran d eren (en m eestal verklei­

nen) van de afm etingen d e r conventionele onderdelen zodanig, d a t men na de m ontage een zo dicht mogelijke pakking bereikt.

V erkleining van afm etingen heeft soms consequenties t.a.v. de bedrijfszekerheid zoals h et geval is bij een (gem iniaturiseerde) keram ische condensator, b e sta a n d e uit een dun schijfje diëlek- tricum d a t aan beide zijden b ed ek t is m et een m etaallaagje als elektroden.

M e n heeft hier te m aken m et een zeer k o rte kruipw eg en m et een lage doorslagspanning van h et diëlektricum zo d at slechts lage spanningen to e la a tb a a r zijn. In dit v erb an d is deze con­

d e n sa to r toe te passen in getransistoriseerde circuits.

E en con d en sato r m et een extreem hoge cap aciteitsw aard e p e r volume-eenheid verkrijgt men door h et schijfje diëlektricum eerst te reduceren zo d at h et een halfgeleider w o rd t om h et d a a rn a oppervlakkig te oxyderen. D it oxydelaagje te r dikte van enkele microns is h e t diëlektricum van deze z.g. sperlaag-condensator, die een capaciteit heeft van ca. 0,5 fiF jcm2.

M iniaturisatie van een w eerstan d , b esta a n d e uit een keramische d ra g e r m et een w eerstan d slaag je van C of N iC r leidt to t hoge tem p eratu ren die oxydatie van h et laagje ten gevolge hebben.

D o o r h et laagje te m aken van SnO is dit b e z w a a r w egge­

nomen en is m iniaturisatie mogelijk.

E en voorbeeld van m iniaturisatie van circuits is het z.g. ,,micro- m odule” van R C A d a t opgebouw d is uit keram ische schijfjes, die elk een m iniatuuronderdeel dragen.

D e onderlinge verbindingen w o rd en to t s ta n d g eb rach t door Vz-balkjes die loodrecht op de schijfjes zijn aan g eb rach t, gesol­

deerd in uitsparingen in de rand.

M en krijgt hierdoor complete circuits die o n d erg eb rach t zijn in een kubus m et een ribbe van 8 mm. D eze micromodules zijn in o p d ra c h t van h e t Signal C o rp s ontw ikkeld en w o rd en bijv.

to eg ep ast in zend-ontvangertjes die in een helm w o rd en inge­

bouw d.

E e n voordeel van deze micromodules is de eenvoud en de unifor­

m iteit w a a rd o o r m echanisatie mogelijk is. E en nadeel is het grote a a n ta l soldeerverbindingen terw ijl de m in iatu risatieg raad nog vrij gering is te noemen.

Ontwikkeling van materialen en onderdelen 71

3.2. Opgedampte onderdelen

E en hogere m iniaturisatiegraad en een kleiner a a n ta l soldeer- verbindingen dan in de voorgaande conceptie w o r d t verkregen door h et opdam pen van onderdelen op een su b stra a t, b estaan d e uit een vlakke schijf van glas of keram isch m ateriaal. G e d a c h t w o rd t a a n w e e rsta n d e n zoals iVfCV-laagjes, te r dikte van 0,1 fi, a a n overgedam pte elektroden en diëlektrica voor condensatoren, aan overgedam pte isolatoren en connectoren.

D eze technologie w o rd t in A m erika voornam elijk ontw ikkeld d o o r IB M .

Belangrijk is de stabiliteit v an deze opgedam pte onderdelen, de rep ro d u ceerb aarh eid en de bedrijfszekerheid. E en oorzaak voor instabiliteit zijn elektrolyseverschijnselen in h e t su b stra a t, w a a r ­ door plaatselijk oxydatie van h e t w eerstandsfilm pje k an optreden.

D e keuze van h et s u b s tra a tm a te ria a l is daarom van belang v oor de stabiliteit.

H e t a a n ta l soldeerverbindingen bij deze technologie is d r a s ­ tisch b ep erk t, immers de verbinding tussen tw e e onderdelen w o rd t to t stan d g eb rach t door h et o v erelk aar heen dam pen van tw ee m etaallaagjes. O p één s u b s tra a t k an op deze wijze een netw erk , b e sta a n d e uit w e e rsta n d e n en condensatoren a a n g e ­ b ra c h t w o rd en zonder soldeerverbindingen. T o t op heden m oe­

ten de benodigde tran sisto ren w el ingesoldeerd w orden.

H e t aanbrengen van een w e e rs ta n d s n e tw e rk gebeurt langs fotografische weg. H e t gehele s u b stra a to p p e rv la k w o rd t be- d a m p t m et een laagje N iC r. D a a r n a w o rd t het b e d e k t m et een laagje niet-gepolym eriseerde plastic, d a t volgens een b ep a a ld p a tro o n belicht w o rd t m et ultra-violet licht w a a rd o o r polym eri­

satie o p treed t. H e t onbelichte gedeelte w o rd t opgelost, d a a rn a w o rd t h e t d a a ro n d e r gelegen N iC r w eggeëtst en tenslotte w o rd t de gepolym eriseerde plastic opgelost. In de toekom st zullen waarschijnlijk geheel an d ere (zuiver fysische) m ethoden w o rd en toegepast.

V o o r de verbindingen tussen de su b stra te n onderling blijft solderen voorlopig p rak tisch de enige mogelijkheid. H ie rv o o r zijn m icrosoldeerm ethoden ontw ikkeld.

3.3. „Solidstate C ircuitry”

E en technologie die voornamelijk ontw ikkeld is door Texas Instru m en ts is w a t zij noemen „ S o lid state C irc u itry ” . In tegen­

Ontwikkeling van materialen en onderdelen 73

stelling m et de opdam pm ethode is hier h e t s u b s tra a t functioneel ingeschakeld bij h et realiseren van een circuit. H e t s u b s tra a t b e s ta a t uit een schijfvormig één k ristal van Ge of Sl.

T ran sisto rs en diodes kunnen vanzelfsprekend op elke gew ens­

te p la a ts gem aakt w o rd en m et behulp van de bekende diffusie- processen.

E en w e e rs ta n d tussen tw ee p unten kan gem aak t w o rd en op 2 m anieren:

a) men m a a k t gebruik van de w e e rs ta n d van h e t su b s tra a t- m ate ria a l en b ren g t die op w a a rd e door plaatselijk m ateriaal w eg te etsen; men s p re e k t dan van een „ b u lk re sisto r”

b) door middel van diffusieprocessen w o r d t de w e e rs ta n d op w a a rd e gebracht; men sp re e k t dan van een „diffused la y e r re s is to r” .

O o k voor condensatoren heeft men 2 oplossingen:

a) een diode in tegenschakeling vorm t een z.g. „junctioncapacitor”

b) h e t S i o p p erv lak w o r d t plaatselijk g eoxydeerd en b ed am p t m et een elektrodem etaal.

H e t geheel w o rd t om mechanische redenen gem onteerd op een schijf van keram isch m ateriaal.

O o k bij deze conceptie b e re ik t men een grote onderdelen­

dichtheid en een b e p e rk t a a n ta l soldeerverbindingen. E en n a ­ deel is d a t de w e e rsta n d e n vrij s te rk tem p e ra tu u r afhankelijk zijn.

3'd. Moleculaire Elektronica

T enslotte w o rd en hier enkele w oorden gewijd aan een con­

ceptie w aarin , in tegenstelling m et de to t nu toe genoemde con­

cepties, h et circuit als regel geen se p a ra te onderdelen m eer be­

vat. Bedoeld w o rd t de z.g. „m oleculaire elektronica” w a a rv a n de definitie als volgt gegeven k an w o rd en :

„de synthese van m aterie m et vo o raf v astgestelde e le k tro ­ nische eigenschappen zodanig d a t zij onder b ep aald e om­

standigheden een complete elektronische functie verricht die tevoren slechts verricht kon w o rd en door een b ep aald e combinatie van actieve en passieve onderdelen” .

D e studie van de moleculaire elektronica is in A m erika door de U.S. A ir Force opgedragen a a n W e stin g h o u se. T o t nu toe zijn weinig concrete gegevens gepubliceerd doch W estin g h o u se b e w e e rt reeds 8 verschillende, w a t zij noemen „functional elec- tronic b lo ck s” te hebben ontw ikkeld.

M e n m a a k t in de m oleculaire elektronica gebruik van fysische

effecten zoals h et therm oelektrische effect, h et P e ltie r effect, h et H a ll effect, h e t piezoelektrische effect, m agnetostrictie, elek- troluminiscentie, fotogeleiding, enz.

E nkele voorbeelden mogen dit toelichten:

a) O m w isselspanning v an bijv. 220 V o lt om te zetten in ge­

lijkspanning van bijv. 9 V o lt stelt men ’n m ateriaal sam en uit drie gescheiden domeinen. A ls eerste een domein w a a rin de w is­

selstroom om gezet w o r d t in w arm te. D eze w a rm te w o rd t via een tw eed e domein, d a t elektrisch isoleert doch de w a rm te geleidt, gevoerd n a a r een derde domein w a a rin langs th e r­

m oelektrische w eg de w a rm te omgezet w o rd t in gelijkspan­

ning. Alle functies van tra n sfo rm a to r, gelijkrichter, en filter- elem enten zijn hier dus overgenom en door h et m ateriaal.

b) een schijfje piezoelektrisch m ateriaal, voorzien van de juiste elektroden kan fungeren als b an d filter of als tran sfo rm ato r.

c) d o o r een com binatie van elektrolum iniserend m ateriaal, foto- geleidend m ate ria a l en lichtdoorlatend geleidend m ateriaal (■SnO ) is h et mogelijk een flip-flop te maken.

H o e w e l men bij de moleculaire elektronica niet m eer kan spreken van onderdelendichtheid, eenvoudig om dat de onderdelen ontbreken, k an w el h et functionele volume vergeleken w o rd en m et d at, w aarbij gebruik gem aak t w o rd t van conventionele o n d er­

delen.

M e n kom t d an to t een g ro o tteo rd e van 106 onderdelen/dm 3.

3.5. Introductie der genoemde concepties in de p ra ktijk

H e t zal nog w el geruime tijd duren v o o rd a t de hier b e sp ro ­ ken technologieën op grote schaal to eg ep ast w o rd en in de (mi­

cro) m iniaturisatietechniek; de ene zal zich sneller ontw ikkelen d an de andere, m a a r h e t is w el zeker d a t zij alle binnen a f­

zienbare tijd to eg ep ast zullen w orden, niet gescheiden, doch ge­

combineerd.

Alles w ijst erop d a t fysica en chemie, tezam en m et de moderne elektronische m aterialen de grondslagen zullen vorm en van een m iniaturisatieproces d a t grote mogelijkheden opent voor een ver­

dere ontw ikkeling van de elektronica.

Manuscript ontvangen op 19 juli 1961.

Deel 27 - No. 2-3 - 1962 75

K eram ische dielektrische m aterialen

door O. Drexler *)

1. Inleiding

H e t onderzoek aan keram ische dielektrische m aterialen is een specialistisch vak, d a t zich betrekkelijk zelden in een algemene belangstelling k an verheugen. Toch hebben zich ook op dit ge­

bied in de la a ts te ja re n belangw ekkende ontw ikkelingen v o o r­

gedaan.

In h e t o n d erstaan d e w o rd t g e tra c h t een indruk van de huidige s ta n d van zaken te geven, vooral m.b.t. m ateriaaleigenschappen.

D e toepassingen zullen alleen in h et k o rt w o rd en geoemd.

A an h et begin is echter nog een k o rte beschrijving gesteld van de bereidingswijze van elektrotechnische keram iek.

D e enkele stap p en van deze bereidingswijze zijn namelijk van groot belang voor h e t resu ltaat. Enige kennis hiero m tren t is b e ­ langrijk voor h e t begrip van de mogelijkheden van deze m ate­

rialen.

1.1. Grondbegrippen.

Als wij over keram ische m aterialen spreken, d an v e rsta a n wij hieronder stoffen, die overw egend uit kristallen zijn opgebouw d en d oor een w arm te-b eh an d elin g van uit droog of vochtig p oeder gevorm de lichamen zijn ontstaan.

D eze omschrijving scheidt h e t begrip keram iek vooral a f tegen glas, d a t overw egend niet-kristallijn is en pas na de w a rm te ­ behandeling, h e t smelten, in de gew enste vorm w o rd t gebracht.

D e voor keram iek belangrijkste w arm te-behandeling, h et b ran d en of sinteren, vindt beneden h et sm eltpunt van h et m ateriaal plaats, w a a rd o o r de vorm van de p ro d u k ten behouden blijft, hoew el

*) N . V . P h ilip s’ G loeilam penfabrieken, Icom a K e ram isch L ab o ratorium . E in d h o v e n .

de afm etingen aanzienlijk veranderen. H e t soortelijk gewicht, d a t bij een gevormd keram isch p ro d u k t circa 50°/o van de dicht­

heid van een éénkristal van h et desbetreffende m ate ria a l is, loopt tijdens h et sinteren bij de hier te behandelen m aterialen op to t ongeveer 95°/0 van deze theoretisch mogelijke w a a rd e . H e t volume w o rd t dus bijna to t de helft verm inderd, de a f­

metingen nemen lineair ongeveer 20°/0 af. H ierm ee h o u d t v e r­

band, d a t bij keram ische p ro d u k ten in het algemeen vrij ruime toleranties op de afm etingen w o rd en gevraagd, vergeleken m et w a t bij m etalen gebruikelijk is.

1.2. Grondstoffen.

D e poeders, w a a ru it keram ische stoffen w orden gem aakt, w a re n to t enige tientallen jaren geleden bijna uitsluitend silikaten. Klei, een alum inium -hydro-silikaat, is de belangrijkste grondstof van a a rd e w e rk . D o o r toevoeging van de juiste hoeveelheden aan zand en v e ld sp a a t kom t men to t de sam enstelling van porselein.

S peksteen, of talk, is een m agnesium -hydro-silikaat en hiervan uitgaande w o r d t ste a tie t gem aakt. In de la a tste dertig ja re n is men ertoe overgegaan om zowel andere oxydische verbindingen als ook zuivere oxyden m et behulp van de keram ische techno­

logie te gaan fabriceren. In v erb an d hiermee m oesten de m ethoden a a n de diverse m aterialen w o rd en a a n g e p a st en w erd en ook algemeen to ep asb are verbeteringen uitgevonden. M en gebruikt voor deze nieuw e ta k van de keram iek nu v a a k de aanduiding oxydkeram iek of ook w el synthetische keram iek. E en nog nieuw ere ontw ikkeling uit dezelfde oorsprong stelt de fabricage van niet-oxydische m aterialen v o o r : nitriden, boriden, k arb id en en dergelijke m aterialen w o rd en m et behulp van dezelfde m e­

thoden, uitgaande van poeders, bereid ; alleen m oet men deze dan in een reducerende of neu trale atm osfeer sinteren.

2. B ereidingsw ijze

W ij willen ons hier b ep erk en to t de oxydische dielektrische en piëzoëlektrische m aterialen. Bij de fabricage ervan w orden de grondstoffen, m eestal technisch zuivere oxyden en carbonaten, intensief gemengd en d a a r n a tijdens een w arm tebehandeling tussen 1100 en 1300° C, h et zogenaam de voorstoken, m et elk a a r

Keramische dielektrische materialen 77

to t reactie gebracht, zo d at de gew enste verbinding w o rd t ge­

vormd. Als voorbeeld zij genoemd:

~ I^200°C „ f

BaCOi + Ti O ,--- » Ba TiO3 + CO [ .

H e t verkregen m ate ria a l w o rd t dan fijn gemalen, b.v. n a t in een kogelmolen, w aarbij eventueel nog verdere stoffen kunnen w orden toegevoegd.

E en kogelmolen is een cilindrisch vat. H e t w o r d t zo opgesteld, d a t de cilinderas horizo n taa l ligt en men la a t het da n om deze as met een b e p a a ld e snelheid w entelen.

M e e sta l w o r d t een kogelmolen ongeveer tot de helft gevuld m et keram isch poeder, w a t e r en m aalkogels in een b e p aa ld e v e r ­ houding.

Enige details van dit „ n a m aalp ro ces” zijn: m olenvoering en m aalstenen mogen door hun slijtage geen schadelijke v ero n trei­

nigingen in tro d u c e re n ; de k o rrelg ro o tte van h et gemalen poeder moet re p ro d u c e e rb a a r en m eestal zeer klein zijn (in de orde van grootte van I fxm), zij is in hoge m ate b ep alen d voor h e t gedrag tijdens het sinteren; tijdens het affiltreren van de suspensie uit de kogelmolen mag geen ontmenging van verschillende kompo- nenten van de sam enstelling optreden.

H e t keram ische p o ed er w o rd t dan met een vloeistof en o rg a­

nische stoffen, zoals cellulose, alginaten of paraffine, gemengd en op deze m anier plastisch gem aakt, z o d a t vormgeving door persen in matrijzen of ex tru d eren uit spuitopeningen (duses) mogelijk w ordt.

N a drogen w o rd t dan gesinterd tussen 1200 en ld 0 00 C, in uitzonderingsgevallen op tem p eratu ren to t 1750° C. tijdens dit sinteren tre e d t dus de reeds genoemde verdichting en verm in­

dering van afm etingen op. H e t re s u lta a t is een p ro d u k t van grote hardheid, d a t alleen nog d o o r slijpen met siliciumcarbid- of diam anthoudend gereedschap v e rd e r b e w e rk t kan w orden.

N a aanbrengen van geschikte elektroden kunnen nu de elek tri­

sche eigenschappen w o rd en bepaald, zoals iso latiew eerstan d , die­

lektrische k o n stan te en dielektrische verliezen. H e t w e rk op een laboratorium , w a a r deze m aterialen w o rd en ontw ikkeld, b e s ta a t voor een groot gedeelte uit pogingen om deze eigenschappen w eer te correleren met de chemische sam enstelling, w a a rv a n men is uitgegaan; met de bereidingswijze, die gevolgd w e rd ; m et de aanw ezige kristallijne fasen, die met behulp van Rtintgen-diffrac-

tom etrie kunnen w orden aangetoond ; m et de korreltextuur, die aan gepolijste en eventueel nog geëtste vlakken van het p re ­ p a r a a t in een microskoop kan w o rd en w aargenom en.

Z o juist zijn dus een a a n ta l hulpm iddelen genoemd, die bij het ontw ikkelingsw erk a a n deze m aterialen te r beschikking staan.

T e r illustratie d a a rv a n zullen enkele m icrofoto’s dienen.

3. V oorb eeld en van de textuur

Figuur 1 to o n t een gepolijst oppervlak, gefotografeerd m et opvallend licht. D e z w a rte vlakjes zijn poriën, afgesloten holtes,

die in nagenoeg alle k e r a ­ mische m aterialen a a n w e ­ zig zijn. H e t zijn de o v er­

blijfselen van de ruimte, die tussen de poederdeeltjes tijdens de vormgeving open bleef. N a a s t de zw a rte p o ­ riën kunnen wij ook nog grijze p la a tse n herkennen.

D it is m ateriaal m et een a n d e r reflectievermogen, een tw eed e fase dus. M e t behulp van een microskoop zijn nog zeer kleine concen­

tra tie s van een tw eed e fase w a a r te nemen, ook indien

Fig. 1 deze am orf is, dus geen

M icrofoto van een gepolijst o ppervlak, k ris ta ls tru c tu u r bezit. D e T w eefasig m ateriaal. V o o r details zie tekst. microskoop k an in bep aald e

gevallen dus m eer inlichtin­

gen verschaffen dan Röntgen-diffractie.

D o o r een etsproces k an nog m eer van de opbouw van h et m ateriaal zich tb aar w o rd en gem aakt. D e oorspronkelijke p o e d e r­

deeltjes of onderdelen d a a rv a n zijn immers kleine éénkristallen en in h et gesinterde m ate ria a l hecht m et e lk a a r verbonden, bij wijze van spreken aan e lk a a r gelast of eventueel d oor een tw eede lase aan e lk a a r gekit. Deze kleine kristallen, die de bouw stenen van h et polykristallijne keram ische m ateriaal zijn, noemen wij hier de ko rrels en de afscheidingslijnen tussen de verschillende korrels de korrelgrenzen. Figuur 2 to o n t een dergelijk geëtst p r e p a r a a t in m atige vergroting. H ie r is slechts één kristal-

Keramische dielektrische materialen 79

lijne fase aanw ezig. Figuur 3 is een opnam e van hetzelfde p r e p a r a a t m et een ste rk e re vergroting. E r zijn d oor lijnen a f ­ gescheiden individuele deeltjes zichtbaar. M en k an duidelijk zien, d a t de poriën zowel in de ko rrels als op de korrelgrenzen

vóórkom en en men kan een schatting doen van de korrelafm etingen.

Deze la a ts te kunnen v er uiteenlopen. O p de foto van figuur 4, die m et dezelfde vergroting als de vorige is gem aakt, k an men enkele grotere korrels tem idden van een fijnkrista llige m assa w aarnem en. Hierbij ligt de k o rrelg ro o tte van het fijnere gedeelte aan de grens van het scheidend verm ogen van de lieht - microskoop. D e elektro- nenm icroskoop kan dan v erd er helpen, zoals op figuur 5 is te zien. H ie r­

mee kunnen nog verdere details van de korrels zelf w aargenom en w o r­

den.

Fig. 2 N a deze afdw aling n a a r

M ic rofoto va n een gepolijst en geëtst opper- d e keuken van de mo- vlak. E en fase. V oor details zie tekst. derne keram ische m ate­

rialen, zal nu w a t nader op de m aterialen zelf w o rd en ingegaan.

4. O verige eigenschappen

Alle d rie groepen, die wij in deze sector kunnen onderscheiden:

isolatiem aterialen, c o n d en sato rm aterialen en piezoelektrische m aterialen h ebben een voornam e eis g em een : zij moeten een hoge elektrische iso latiew eerstan d tonen. D it im pliceert voor alle norm ale toepassingen, w a a r namelijk niet steeds in vacuum, bij verhoogde te m p e ra tu u r of onder herm etische afsluiting w o rd t

•» *V~ «

»•

,

%

►

* \ * *•

*♦ < » i

. <S* • •

* • * • v > f v

' •* . w -«*

.♦

•

• • k _{V ' .} ■»

• • r ».*,

‘ ^ * . * "V '.• .Js,

. V .

• * -v

.t „ V •

* -* „ i . v • • r c - * . . . . i * • <

. v V * < • .

♦ * » : / 9 •«» K «

• w • 3» . • * • • m * • ^,v % i . * % r " V ‘ • ' f ' / V

* JZ * • • . • * • i j

- » ü , ••

F i g .3

S te rk e re v ergroting van het p r e p a r a a t van figuur 2.

gew erkt, d a t h et keram ische m a te ­ ria a l im perm eabel m oet zijn, dus geen doorlopende poriën mag b e v atten . O p h e t stu k keram iek, d a t in één van deze toepassingen w o rd t gebruikt, zijn immers op de een of an d ere m a ­ nier elektroden of m etalen delen a a n ­ gebracht, w a a rtu sse n elektrische s p a n ­ ning kom t te staan. Als de a fsta n d tussen deze elektroden onder vochtige om standigheden door een film van w a te r kan w o rd en overbrugd, dan zal de iso latiew eerstan d onvoldoende w orden. E en eerste vereiste is dus dicht of im perm eabel m ateriaal. D a t a a n deze eis m et de b e­

schikbare grondstoffen en a p p a ra tu u r voor alle sam enstellingen w o rd t voldaan, v r a a g t steeds de a a n d a c h t van o n tw ik ­ kelingsgroepen en fabri- cage-afdelingen.

N a a s t deze zojuist ge­

noem de prim aire eis b e ­ sta a n voor de individuele P rodukten b ep aald e spe­

cificaties betreffende a f­

metingen en toleranties d a a ro p , vastgelegd in de produkttekeningen.

Fig. 4 4 .1 . Isolatiematerialen.

Fijnkristallig m ateriaal m et enkele grote

korrels. V o o r details zie tekst. D eze vol J oen aan 4e specifieke eisen, zoals verliezen en iso la tie w e e rsta n d als functie van de tem peratuur, m eestal ruim, zo d at h et mogelijk is om m et weinig controle te vol­

staan. Als toepassingen is hierbij ech ter uitsluitend a a n o n d er­

delen voor H F -te c h n ie k gedacht, niet a a n isolatoren voor hoog- spanningsleidingen en an d ere toepassingen bij netfrequentie.

V o o rb eeld en voor deze m aterialen zijn porselein, steatiet, for-

Keramische dielektrische materialen 81

Fig. 5

E lektro n en m ic ro sk o o p o p n a m e v a n h et p r e p a r a a t va n figuur 4.

steriel; en aluminiumoxyde. T ab el 1 to o n t n ad ere gegevens hiervan.

D e toepassing van deze m aterialen is vooral als d ra g e rs voor diverse soorten w e e rsta n d e n : d raad g ew o n d en respectievelijk m et een kool- of m etaaloxydelaag.

V e r d e r g ebruikt men keram isch iso latiem ateriaal ook als iso­

lerend constructie-onderdeel voor variabele condensatoren, in elektronenbuizen en sinds enkele ja re n ook als omhulling van zendbuizen in p la a ts van glas. V ia een m etalliseerlaag kunnen m et de nu bekende m ethoden reeds een a a n ta l keram ische m a te ­ rialen met een m etaal van ongeveer passende therm ische uitzet- tingsco'ëfficiënt vacuum dicht w o rd en verbonden en het geheel k an bij hogere te m p e ra tu ren w o rd en o n tg a st en in bedrijf m et

T a b el 1

O. D rex le r

Soortelijke w e e rs ta n d in Cl . m bij 200° C

Keramische diëlektrische materialen 83

hogere vermogens w erk en dan m et glas mogelijk is geweest.

Vrij spectaculaire ontw ikkelingen hebben zich m et één m ate­

riaal uit deze sector voltrokken, m et aluminiumoxyde. Enerzijds in de richting van de vorm geving: N euskegels van ra k e tte n w o rd en gedeeltelijk al in d ru k w ek k en d groot en m et zeer exacte afm etingen gem aakt. H e t m ateriaal hiervan m oet de e lek tro ­ magnetische golven t.b.v. de R a d a r - a p p a ra tu u r zoveel als m o­

gelijk en zo gelijkmatig als mogelijk is doorlaten. Anderzijds ging de ontw ikkeling in de richting van een voor keram isch m ateriaal unieke te x tu u r: M e n heeft aluminiumoxyde zo w eten te sinteren, d a t h et p rak tisch geheel vrij w o rd t ook van afge­

sloten poriën en daarom doorschijnend voor licht. H ierm ee m a a k t men in de U .S .A . reeds hogedruk-gasontladingslam pen m et nog kleinere afmetingen, dan to t nog toe m et k w a r ts mogelijk is gew eest.

4.2. Condensatormaterialen.

C o n d en sato rm aterialen zijn in w ezen ook isolatiem aterialen.

H ierbij let men ech ter in eerste instantie op de g rootte van de diëlektrische constante s, om dat h et de opzet is om door a a n ­ brengen van elektroden — m eestal een ingebakken zilver-emaille- laag — een vaste ca p a c iteitsw aa rd e te m aken m et een zo klein mogelijk volume. H e t keram isch co n d en sato rm ateriaal w o rd t in de vorm van buisjes of plaatjes gefabriceerd, w aarbij de w an d d ik te zo w o rd t gekozen, d a t de reeksen van condensatoren — mede door aanpassing van h et e lek tro d en o p p erv lak — voor alle ca- p a citeitsw aard en zo mogelijk uniforme afm etingen hebben.

4.2.1. L a g e e - m a t e r i a l e n.

M a te ria le n m et een w a a rd e van s beneden ca. 150 kunnen zeer lage verliezen to n en : ta n d < 5. IO-4. O o k de overige eigen­

schappen zijn zo stabiel, d a t de co n d en sato ren uit deze m a te ­ rialen zich voor toepassing in afgestem de kringen lenen. M e n s p re e k t in h et algemeen hierbij over lage Ê-materialen en klasse I condensatoren. N a a s t de ca p a c iteitsw aa rd e is h et belangrijkste kenm erk van deze condensatoren hun tem peratuurscoëfSciënt ( TCs), d a t wil zeggen de m ate w a a rin de capaciteit bij verandering van de te m p e ra tu u r verloopt. Soms is een zo klein mogelijke v ariatie van de ca p a c iteitsw aa rd e gew enst, soms een gedefinieerd negatief verloop, b.v. te r com pensatie van de positieve tempe-

ratuurscoëfficiënt van an d ere onderdelen, b.v. de spoel van de afgestem de kring.

M.en heeft experim enteel gevonden, d a t in verschillende oxyd- system en hiervoor b ru ik b a re keram ische m aterialen kunnen w o r ­ den gem aakt en v e rd e r d a t de TCe m et stijgende e steeds ne­

gatiever w o rd t. D it v erb an d is echter enigszins te doorbreken d oor gebruik te m aken van tw ee fasen in h et keram ische m a­

teriaal.

In eerste benadering v indt men namelijk volgens Lichtenecker*) in de mengregel voor de diëlektrische constante van een tw ee- fasen-systeem

loge = x .lo g e , + (I - x) . log e2 ,

w a a rin x h e t volum e-aandeel van de fase m et e, voorstelt. D o o r differentiatie n a a r de te m p e ra tu u r w o rd t dit to t

TCe = x .T C e i + - x) . T C .

D it b etek en t, d a t de invloed van een grote TCe van een b e ­ paalde fase zich in h et mengsel veel m eer d o et gelden d an de invloed van een grote w a a rd e van e zelf. H e t is zo mogelijk gew eest om m aterialen m et een gelijke TCe, m a a r verschillende diëlektriciteitsconstante, te m aken, teneinde een grote reeks van c a p a c iteitsw aa rd e n m et dezelfde TCe te kunnen fabriceren.

V o o rb eeld en van een a a n ta l van deze m aterialen zijn in ta b e l 2 gegeven. H ie r vindt men een e 18- en een e 40-m ateriaal m et een lage TCe en een e 38- en een e 90-m ateriaal m et een ste rk negatieve TCe. D e w a a rd e n van TCe m oeten voor het k eram i­

sche m ate ria a l negatiever zijn d an van de condensatoren w o rd t geëist, om dat de omhullende lak aanleiding geeft to t een strooi- cap aciteit m et ste rk positieve TC e.

N a a s t de in de ta b e l genoemde reeks b e s ta a n er nog m ate­

rialen voor c ondensatoren m et een TCe van P ioo, P 033, N033, N 047, N 075, N 220, V 330, V 470, V 1500 en N 2200, gedeel­

telijk m et zeer n au w e toleranties op de TCe. H e t getal geeft hierbij de tem peratuurscoëfficiënt in 10~6/°C , de le tte r P en N , of deze positief of negatief is.

4.2.2. H o g e e - m a t e r i a l e n

O p een geheel an d ere basis dan de reeks besproken conden- ) K. L ichtenecker, P hys. Z , 27, (1926) 115*

Tabel 2

Keramische dielektrische materialen 85

£Ö iJ<HH PÄW HC

WÜ

sato rm aterialen berusten de zogenaam de hoge e-materialen, die voor de klasse II condensatoren w o rd en gebruikt. D e als rutiel gekristalliseerde vorm van titaan d io x y d e m et een e van circa

IOO w a s v a n a f zijn eerste toepassing in h e t begin van de d e r­

tiger ja re n h et keram ische m ateriaal bij uitstek voor co n d en sa­

toren m et het kleinste volume. D it v e ra n d e rd e drastisch toen men tijdens de tw eede w ereldoorlog in A m erika en in R u slan d ongeveer gelijktijdig to t de w aarnem ing kw am , d a t B a T i 0 3, d a t ook m et keram ische m ethoden w a s te fabriceren, bij kam ertem ­ p e ra tu u r een e van circa 1500 toont. V /e l zijn bij dit m ateriaal de verliezen een fa k to r 10 i 100 hoger en ook een reek s van an d ere eigenschappen is voor h et gebruik als condensatoren m inder gunstig.

B r zijn ech ter in de gebruikelijke schakelingen v an b.v. om­

roep- en T V -o n tv an g ers vele p laatsen , w a a r condensatoren voor koppel- en ontkoppeldoeleinden w o rd e n gebruikt. Hierbij is h et alleen belangrijk, d a t gelijkstroom niet w o rd t doorgelaten en de c ap aciteitsw aard e binnen zekere grenzen ligt. O o k to e p a s­

singen voor ontstoring zijn niet kritisch behalve m et betrekking to t de doorslagspanning van de condensator.

Toen men zich re a lise e r­

de, d a t ook voor conden­

sato ren m et relatief hoge verliezen en ook overi­

gens niet zeer stabiele eigenschappen vele moge­

lijkheden van toepassing bestonden, w e rd uit het oorspronkelijke barium - m e ta tita n a a t een reeks van nieuw e m aterialen ontw ikkeld. D o o r v o r­

ming van m engkristallen m et an d ere oxyden w e rd de w a a rd e van e bij k a m e r­

te m p e ra tu u r vastgelegd op b.v. 250, 650, 2000, 4000 en IO.OOO, terw ijl d oor v erd ere toevoegin- T e m p e ra tu u ra fh a n k e lijk h e id van de diëlek- ë e n overige eigen

trische k o n sta n te van hoge ^-m aterialen. schappen zoveel mogeli)k V o o r e is een logarithm ische schaal gekozen. in gunstige Zin w erd en

Tabel 3

Keramische dielektrische materialen 87

lO ON

O 0,8 to

CM T—■ to

oo o

M*O

I

00 o

0

O U5

CM O

M*

+ 10 CM to

W

<HH PiW H<

S

OK

O

2000 1

o +

1,5 30

0

O CM 3,5

U5

o .-20

LO o IO

lOko

o M- K O bo

+

O*o CM

OCM

+

co o

CM O V tO

Ooo

«M 4>g

EN

O bD

o #c

CM t l

Xu

X 4J

0 >rö

o

_o ^e

lO00 o

o»-O +

en en

CN M*(M

| 0)G

C4)

VI

^coco3

(O -M

p co

-4-1co G

Cflj «3

> >

'V at*

s .s

*E^bD max

0

⁴⁾

0

'E n3

<4 G

>

.s

^{0 £}

s

N

IO

£ üV! O_{ü o}

■nt <M

'sC üo

OCM

fl

CSc c«Öco

u4>

4)* O

-*-*u cooo

s fi

T

_>

fl

CQ

U flj 4) O

>

0

O $"•

bD . s _g

‘ 2c <u (Ö 5

c a U

co 4)

'0 ^CO

0 ^'o 124) 0

>

bD >

4)0 ,coUi

"0 bD .£ 4) c, co J3

«J oj uV ’Ij e X(_i -O <D JD : et'

CO -O _ct3

co -G

G bD

> d op > co

<0

u bD

G 6

oo ^{«4 G}0

Q Q 4J4)

gemodificeerd. T ab el 3 la a t getallen zien van enkele van deze eigenschappen. D e cap aciteitsv ariatie als functie van de tem p e­

r a tu u r is duidelijker te beoordelen op figuur 6, w a a ru it a f te lezen valt, d a t h e t e 2000-m ateriaal e r re la tie f zeer gunstig voor s ta a t en d a t h et e iO.OOO-materiaal bij vo o rk eu r enkel tussen ca. lO° en 50° C m oet w o rd en toegepast. In ta b e l 3 zijn v erd er nog genoemd de oudering, d a t is h e t verloop van e m et de tijd n a de la a tste verhitting boven I50°C , de verliezen, de to e la a t­

bare bedrijfsveldsterkte en de m inim um w aarde van de doorslag- v eld sterk te m et wisselspanning. D eze la a ts te is m a a r enkele volts p e r micron, terw ijl papier- en polyesterfolie vele tie n ta l­

len volts p e r micron kunnen w e e rsta a n . D eze re la tie f lage door- slagspanning, tezam en m et de technologische moeilijkheid om zeer dunne lagen van keram iek te m aken, zijn de oorzaak, d a t van de enorm hoge w a a rd e n van e in vergelijking m et folie- condensatoren niet zoveel profijt k an w o rd en getrokken, als dit op h et eerste gezicht mogelijk lijkt. D a a rb ij komen nog de reeds m eerm alen genoemde in s ta b ilite ite n : e en ta n ó v an de hoge s- m aterialen zijn in principe afhankelijk van tem peratuur, freq u en ­ tie, m eetspanning, voorspanning en tijd. D e v ariaties zijn in het algem een m a a r enkele procenten, doch kunnen onder extrem e om standigheden oplopen to t enkele tientallen procenten. M ee sta l zijn deze variaties bij m aterialen met hogere w a a rd e n van e groter.

Als een voor de p rak tijk belangrijk voorbeeld is in tab el 3 de daling van e o n d er een voorspanning gelijk a a n de helft van de to e la a tb a re bedrijfsveldsterkte opgenomen.

D eze zeer specifieke eigenschap kan, mits een m a te ria a l zo w o rd t ontw ikkeld, d a t de spanningsafhankelijkheid van e de g ro o tst mogelijke w a a rd e vertoont, voor de construktie van dielektrische v ersterk ers w o rd en gebruikt.

4.3. Piezoelektrische materialen.

E en an d ere bijzonderheid van de hoge £-m aterialen heeft to t een reeds nu zeer belangrijke praktische toepassing geleid. D e grote wya a rd e van e g a a t namelijk in de regel g e p a a rd m et het piezoelektrische effekt: O p éénkristallen van dit m ateriaal o n t­

s ta a t bij een mechanische vervorm ing een elektrische lading en om gekeerd o n ts ta a t er een vervorm ing bij het aanleggen van een elektrische spanning.

H e t polykristallijne m ateriaal, d a t m et behulp van de kera-

Keramische diëlektrisdhe materialen 89

mische technologie w o rd t verkregen, k an dit effekt ook v e rto ­ nen, indien er een elektrische oriëntatie w o rd t aangebracht.

D o o r middel van een uitw endig elektrisch veld, eventueel ge­

p a a rd gaande m et een verw arm ing, kunnen de in h et m ateriaal aanw ezige dipolen zodanig w o rd en gericht, d a t h et keramische v o o rw erp een elektrische voorkeursrichting v e r to o n t: h et w o rd t gepolariseerd of gepoold, zoals men deze bew erking ook w el pleegt te noemen.

E en en a n d e r is in verg aan d e analogie m et h et m agnetiseren van m ag n eetstaal en ook de fysische ach terg ro n d en van h et ferrom agnetism e en de „ferro ëlek triciteit vertonen veel gelijke­

nis.

In h et k a d e r van deze inleiding w o rd t vo lstaan m et van de keram ische piezoelektrische m aterialen enkele toepassingen te v e rm e ld e n : Zij w orden g ebruikt om ultraso n e trillingen op te w ekken, b.v. in w asm achines en t.b.v. de bew erking van m etalen.

Zij kunnen m et voordeel seignettezoutkristallen in grammofoon- a fsp e e la p p ara tu u r vervangen. E en an d ere belangrijke toepassing zal zich mogelijkerwijs als filterelem entin schakelingen van ontvang­

toestellen ontw ikkelen. V e rd e r zijn er in de U .S.A . reeds succes­

volle proeven genomen om d oor middel van mechanische druk op een piezoelektrisch plaatje zo hoge spanningen te verw ekken, d a t bougies van een verb ran d in g sm o to r ontstoken kunnen w o r­

den. D e hiervoor benodigde d ru k zou d oor een soortgelijk mechanisme te verkrijgen zijn, als w aarm ee de ventielen van de cilinders w o rd en bediend.

D e laatstgenoem de ontw ikkelingen zijn echter p as binnen de grenzen van het mogelijke gekomen, n a d a t n a a s t de o o rsp ro n ­ kelijk gebruikte m engkristallen van b a riu m tita n a a t ook nog m engkristallen van lo o d z irk o n a a t-tita n aa t b e sc h ik b a a r w aren.

D eze vertonen een veel hogere elektro-m echanische koppeling, h et rendem ent van de omzetting van mechanische in elek tri­

sche energie en om gekeerd is dus hoger, en bovendien is het tem p eratu u rin terv al, w aarb in n en het piezoelektrisch effekt a a n ­ wezig en de eigenschappen betrekkelijk co n stan t zijn, aanzien­

lijk groter.

5. Slotopm erking

S am en v atten d v a lt te k o n stateren , d a t de ontw ikkeling van de oxydische diëlektrica nog niet is afgesloten (de zoiuist ge-

noemde loodverbindingen b.v. zijn pas in 1955 voor het eerst gepubliceerd) en dat er naast optim alisatie van de eigenschap­

pen van nu reeds bekende m aterialen m et vrij grote waarschijnlijk­

heid nog geheel nieuw e resultaten te verw achten zullen zijn.

Manuscript ontvangen 28 juni 1961.

Deel 27 - No. 2-3 - 1962 91

T endenzen in de ontwikkeling van m agnetische m aterialen voor de elektronische industrie

door A. J. de Rooy *)

1. O verzicht van de versch illen d e ferrietgroepen

H e t is nu veertien jaren geleden d a t d r S noek de resu ltaten van zijn onderzoekingen op h et gebied d e r ferrieten w e re ld k u n ­ dig m aakte. [1] D eze onderzoekingen toonden aan, d a t bij fe r­

rieten een zeer b ru ik b are kom binatie van eigenschappen te reali­

seren is, zoals hoge perm eabiliteit, lage m agnetische verliezen en een zeer laag elektrisch geleidingsvermogen. M en heeft toen niet kunnen verm oeden w elke enorme vlucht de toepassing van ferrieten in de elektronische industrie zou nemen.

U it de oorspronkelijke kubische ferrietsam enstellingen, welke h e t ond erw erp w a re n van de studies van dr. Snoek, heeft zich een reeks ferrieten ontw ikkeld m et bijzondere eigenschappen voor spoelen, tran sfo rm ato ren , etc. in h et frequentiegebied van 1 k H z to t 300 M H z .

In 1948 w e rd in h et lab o rato riu m van G e n e ra l C eram ics in A m erika ontdekt, d a t een b ep aald e sam enstelling in de rij d e r kubische ferrieten een rechthoekige hystereselus vertoonden. [2] H e t bleek onmiddellijk, d a t dit ferriet verre superieur w a s w a t schakeltijd b e tre ft t.o.v. metallische m agnetica m et rechthoekige hystereselus. D eze ontdekking is aanleiding gew eest to t het o n tsta a n van een reeks ferrieten m et bijzondere eigenschappen voor rekenm achines en logische schakelingen. [3]

D e onderzoekingen van resonantieverschijnselen op fa ra d a y - ro tatie, circa 10 j a a r geleden, heeft geleid to t het o n tsta a n van een nieuwe groep van ferrieten zonder w elke de hedendaagse microgolftechniek o n b e s ta a n b a a r zou zijn. [4]

U it de studie n a a r de omzetting van magnetische energie in mechanische energie en om gekeerd m et behulp van ferrieten is in 1958 w e e r een nieuw e groep ferrieten o n tsta a n m et a a n tr e k ­ kelijke eigenschappen voor mechanische filters en ultra-akoestische verm ogensopw ekking. [5]

) N .V . P hilips G loeilam penfabrieken, E indhoven.