Prototyping lead-free Na₀.₅Bi₀.₅TiO₃-based multilayer ceramic capacitors

Multilayer ceramic capacitors (MLCCs) that can withstand high temperatures and voltages are urgently needed for upcoming high-temperature (HT) power electronics applications like renewable energies, power conversion, and electric vehicles. While environmental conditions usually do not exceed 300 °C, voltage requirements and limits for capacitors under operation are often uncertain. Thus, the stability of electrical properties in a broad range of operating conditions is required. Lead zirconate titanate (PZT)-based capacitors cannot be utilized due to the toxicity of lead and environmental concerns. Commercial lead-free BaTiO₃ (BT)-based ceramic capacitors are limited to 190 °C. Capacitor materials based on Na₀.₅Bi₀.₅TiO₃ (NBT) are promising contenders, but their complex defect chemistry has to be assessed. Especially since oxygen vacancy migration during operation is one of the most critical aspects. In MLCCs that operate under temperature and voltage stress, additional migration of the inner electrode material into the dielectric needs to be considered. This well-known issue in lead-based components with silver-palladium (Ag/Pd) electrodes can cause severe electrodegradation and lower reliability. While similar effects are expected for NBT-based MLCCs, the actual mechanism for this complex electrodegradation is investigated. Capacitors are prepared using the MLCC fabrication route, comprised of slurry preparation, tape casting, shaping processes, and thermal treatment of green bodies. This work aims to provide an integral approach to optimizing the manufacturing processes of NBT-based MLCCs co-fired with Ag/Pd electrodes. Four key influencing factors are evaluated: slurry composition, shaping processes, sintering conditions, and electrode material. Ultimately, the prepared prototype MLCCs exhibit a homogeneous microstructure with low porosity and excellent lamination of individual layers and electrodes. They feature an exceptional operational window regarding temperature (-67 to 375 °C) and voltage (up to 1.5 kV), with only a slight variation of capacitance (≤±10%). Voltage ratings do not have to be specified due to this high voltage insensitivity. The prototype MLCCs with Ag/Pd electrodes exhibit greater resilience against enhanced degradation. Moreover, a novel indentation method was conceptualized to evaluate the dielectric breakdown strength (DBS), excluding extrinsic effects and identifying areas with electric field concentrations. Here, NBT-based MLCCs are more limited by the component’s design than by the dielectric strength of the ceramic. This work demonstrates the remarkable stability of NBT-based prototype MLCCs against high temperatures and voltages, making them strong candidates for future high-temperature and power electronics applications.

Keramik-Vielschichtkondensatoren, engl. multilayer ceramic capacitors (MLCCs), die hohe Temperaturen und Spannungen aushalten müssen, werden dringend für zukünftige Anwendungen in der Hochtemperatur-Leistungselektronik benötigt. Dazu gehören beispielsweise Systeme in erneuerbaren Energien, der Leistungsübertragung und elektrischen Fahrzeugen. Während die Umgebungsbedingungen normalerweise 300 °C nicht überschreiten, sind die Spannungsanforderungen und -grenzen für Kondensatoren unter Last oft nicht genau bekannt. Daher ist die Stabilität der elektrischen Eigenschaften über einen großen Einsatzbereich erforderlich. Da Blei giftig ist und die Umweltbedenken bei Verwendung von bleihaltigen Materialien groß sind, können Kondensatoren auf Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Basis nicht verwendet werden. Handelsübliche bleifreie Bariumtitanat (BT)-Keramikkondensatoren sind auf 190 °C begrenzt. Kondensatormaterialien auf Basis von Natrium-Bismut-Titanat (NBT) sind vielversprechende Dielektrika, aber ihre komplexe Defektchemie muss evaluiert werden, insbesondere da die Migration von Sauerstoffleerstellen während des Betriebs eines der kritischsten Aspekte ist. In MLCCs, die unter Temperaturund Spannungsbelastung betrieben werden, muss auch die zusätzliche Migration des Innenelektrodenmaterials in das Dielektrikum berücksichtigt werden. Dieses bekannte Problem bei bleihaltigen Bauteilen mit Silber-Palladium (Ag/Pd)-Elektroden kann zu schwerwiegender Degradation und geringerer Zuverlässigkeit führen. Während ähnliche Effekte bei NBT-basierten MLCCs erwartet werden, wird der tatsächliche Mechanismus für diese komplexe Degradation untersucht. Die Kondensatoren werden nach dem MLCC-Herstellungsverfahren hergestellt. Es beinhaltet die Herstellung des Schlickers, das Gießen von Grünfolien, Formgebungsprozesse und die thermische Behandlung der Grünkörper. Diese Arbeit zielt darauf ab, einen ganzheitlichen Ansatz zur Optimierung der Herstellungsprozesse von NBT-basierten MLCCs, die zusammen mit Ag/Pd-Elektroden gebrannt werden, zu bieten. Vier Einflussfaktoren werden untersucht: Schlickerzusammensetzung, Formgebungsprozesse, Brennbedingungen und Elektrodenmaterial. Letztendlich zeigen die hergestellten Prototyp-MLCCs eine homogene Mikrostruktur mit geringer Porosität und eine ausgezeichnete Laminierung der Schichten und Elektroden. Sie verfügen über ein außergewöhnlichen Einsatzbereich in Bezug auf Temperatur (-67 bis 375 °C) und Spannung (bis zu 1,5 kV). Dabei treten nur kleine Veränderungen der Kapazität von ≤±10% auf. Die Nennspannungen müssen aufgrund der geringen Empfindlichkeit gegenüber hohen Spannungen nicht spezifiziert werden. Die Kondensatorprototypen mit Ag/Pd-Elektroden zeigen einen größeren Widerstand gegen Degradation. Darüber hinaus wurde eine neue Eindringmethode konzipiert, um die Durchschlagfestigkeit des Dielektrikums zu bewerten, wobei extrinsische Effekte ausgeschlossen und Bereiche mit elektrischen Feldkonzentrationen lokalisiert werden. Hier sind NBT-basierte MLCCs mehr durch das Bauteildesign als durch die Durchschlagfestigkeit der Keramik begrenzt. Diese Arbeit zeigt die bemerkenswerte Stabilität der NBT-basierten Kondensatorprototypen gegenüber hohen Temperaturen und Spannungen und macht die Kondensatoren zu vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen in der Hochtemperatur- und Leistungselektronik.