La cerámica electrónica es un término genérico que describe una clase de los materiales inorgánicos, no-metálicos utilizados en la industria de electrónica. Aunque las cerámicas electrónicas o electrocerámicas, incluyendo los cristales amorfos y los singulares, pertenecen generalmente a los sólidos inorgá nicos policristalinos, abarcando a los cristales orientados de forma aleatoria (granos) enlazados íntimamente. Esta orientación al azar de pequeños cristales (micrómetros) da lugar a las características equivalentes que poseen de las cerámicas isotrópicas en todas las direcciones. El carácter isotrópico se puede modificar durante la operación de la sinterización en las altas temperaturas o al enfriarse a temperatura ambiente por técnicas de procesado tales como el conformado en caliente en un campo eléctrico o magnético.
Las características de las electrocerámicas se relacionan con su microestructura de cerámica, el tamaño y la forma de grano, orientación y límites o bordes del grano. La cerámica electrónica se combina a menudo con los metales y los polímeros para resolver los requisitos de un amplio espectro de los usos, las computadoras, las telecomunicaciones, los sensores (qv), y los actuadores de la alta tecnología. En línea general, el mercado electrónico de la cerámica se puede dividir en seis porciones iguales según lo demostrado en el cuadro 1. Además de fibras ópticas y de exhibiciones a base de SiO2, la cerámica electrónica abarca una amplia gama de materiales y de familias de la estructura cristalina (véase la tabla 1) usada como aisladores, los condensadores, piezoeléctricos, magnéticos, los sensores de semiconductores, los conductores, y los superconductores de alta temperatura recientemente descubiertos. El amplio alcance e importancia de la industria electrónica de la cerámica se ejemplifica en la figura 1, que exhibe esquemáticamente los componentes electrocerámicos utilizados en la industria del automóvil. Actualmente, el crecimiento de la industria de cerámica electrónica es conducido por la necesidad del trazado de circuitos integrados que da lugar a nuevos progresos en materiales y procesos. El desarrollo de los paquetes de múltiples capas para la industria de la microelectrónica, integrados por los órdenes de cerámica tridimensionales de funcionamientos múltiples llamados la cerámica monolítica (MMC), continúa el proceso de la miniaturización comenzado hace varias décadas para proporcionar una nueva generación de productos robustos y baratos.
Figura. 1. mercado electrónico de la cerámica.
Función |
Material |
Productos |
---|---|---|
Aislantes | Porcelana, vidrio, Steatita | Aislamiento de alto voltaje |
Embalaje | Al2O3, BeO, AlN | Substratos de circuitos integrados, paquetes (MMC: Monolithic Multi-Components Ceramic) |
Capacitores (almacenamiento de energía) | BaTiO3, SrTiO3, TiO2 | Capacitares multicapa y de barrera |
Piezoeléctricos | Pb(Zt1-xTix)O3, SiO2 (cuarzo) | Vibradores, osciladores, filtros, motores y accionadores |
Magnéticos | (BaLa)TiO3, V2O3, Fe2-xTixO3, ZnO-Bi2O3 | Inductores, transformadores, dispositivos de memoria |
Semiconductores | MgCr2O4-TiO2, CdS, SiC | PTC, Termostatos NTC, varistores, sensores de pH, sensores de humedad, celdas solares, calentadores eléctricos. |
Conductores | RuO2, NaAl11O17. Zr1-2xY2xO2-x, YBa2Cu3O7-δ | Resistencias (film delgado), electrolitos sólidos, sensores de oxígeno, superconductores. |
Tabla 1. Funciones de cerámica electrónicas y productos
Relaciones entre la estructura y las propiedades
Una descripción de los fenómenos atómicos y electrónicos utilizados en la tecnología de las electrocerámicas se da en el cuadro 3. Discusiones más detalladas de sus familias y de las relaciones entre la estructura y las propiedades se pueden encontrar en otros artículos.
Los condensadores de múltiples capas, los transductores piezoeléctricos, y los termistores positivos del coeficiente de la temperatura (PTC) hacen uso de las características ferroeléctricas del titanato(IV) de bario, de BaTiO3, y del titanato del zirconato del plomo. Al enfriarse de altas temperaturas, esta cerámica experimenta transformaciones de fase a las estructuras polares que tienen patrones complejos del dominio. Los picos grandes en la constante dieléctrica acompañan las transiciones de la fase donde están especialmente activos los momentos de dipolo eléctrico a los campos eléctricos. Consecuentemente, las composiciones modificadas del titanato del bario, BaTiO3, se utilizan extensamente en la industria de múltiples capas del condensador y la mayoría de los transductores piezoeléctricos se hacen del titanato de la zirconia del plomo, la cerámica (PZT). La aplicación de un campo grande de la C.C. (“el poling”) alinea los dominios y forma el piezoeléctrico de cerámica. La designación PZT es una marca registrada de Vernitron, inc.
Figura 3. Una descripción de los mecanismos atómicos implicados en componentes electrocerámicos y en las aplicaciones correspondientes: (a) dominios ferroeléctricos: condensadores y piezoeléctricos, termistores del PTC; (b) conducción electrónica: ermistor de NTC; (c) aisladores y substratos; (d) conducción superficial: sensores de la humedad; (e) dominios ferromagnéticos: imanes duros y suaves de la ferrita, cinta magnética; (f) transición del metal-semiconductor: termistor crítico de la temperatura NTC; (g) conducción iónica: sensores y baterías del gas; y (h) fenómenos del límite de grano: varistores, condensadores de la capa de límite, termistores del PTC.
Los fenómenos similares del dominio se observan en cerámicas ferromagnéticas del óxido tal como ferrita del manganeso, MnFe2O4, y BaFe11O17, pero el mecanismo subyacente es diferente. Los “spines” desapareados de los iones giran, dando lugar a los momentos de dipolos magnéticos que interaccionan vía los iones vecinos del oxígeno con estupendo mecanismo de intercambio. Los dipolos magnéticos se orientan aleatoriamente en el estado paramagnético de alta temperatura, pero al enfriarse con la temperatura de curie, TC, se alinean para formar dominios magnéticos dentro de los granos de cerámica. El pico en la permeabilidad magnética en el TC es análogo al pico en la constante dieléctrica de la cerámica ferroeléctrica. Las paredes del dominio se mueven fácilmente en las ferritas suaves (qv) como MnFe2O4 y g-Fe2O3, que se utilizan en transformadores y cinta magnética. En la ferrita del bario, las vueltas se traban firmemente al eje hexagonal, haciéndola útil como imán permanente.
Varias clases de mecanismos de conducción son operativos en termistores de cerámica, resistores, varistores, y sensores químicos. Los termistores negativos del coeficiente de temperatura (NTC) hacen uso las características semiconductoras de los óxidos metálicos de transición dopados tales como tipo- n Fe2-xTixO3 y tipo-p Ni1 - xLixO. Los resistores de la película gruesa también se hacen de soluciones sólidas de óxidos metálicos.
Las transiciones de la fase están implicadas en termistores críticos de la temperatura. El vanadio, VO2, y el trióxido del vanadio, V2O3, tienen transiciones de semiconductor- metal, en las cuales la conductividad disminuye varios órdenes de magnitud al enfriarse. Las transiciones electrónicas de fase también se observan en cerámicas superconductoras como YBa2Cu3O7 - x, pero aquí los aumentos de la conductividad se agudizan al enfriarse con la transición de la fase.
La conductividad iónica se utiliza en sensores del oxígeno y en las baterías (qv). La zirconia estabilizada, Zr1 - xCaxO2 - x, tiene un número muy grande de las vacantes del oxígeno y el b-Alúmina muy alto de la conductividad, NaAl11O17, es un conductor excelente del catión debido a la alta movilidad de los iones de Na+. La cerámica del b-Alúmina se utiliza como el electrolito en baterías de sodio-azufre.
La conducción superficial se supervisa en la mayoría de los sensores de humedad con el uso de la cerámica porosa de MgCr2O4-TiO2 que fijan las moléculas de agua por adsorción que después disocian, bajando la resistencia eléctrica.
Los fenómenos del borde de grano están implicados en varistores, condensadores de la capa de límite, y termistores del PTC. La formación de las finas capas de aislante entre los granos que conducen es crucial en la manipulación de los tres componentes. La interrupción eléctrica reversible en varistores se ha remontado a hacer un túnel mecánico del quántum a través de las barreras aisladores finas. En un termistor de BaTiO 3-PTC, la polarización eléctrica asociada a la transición ferroeléctrica de la fase neutraliza las barreras aisladores, haciendo que la cerámica pierda mucha de su resistencia bajo los condensadores de la capa de límite del TC. Tener barreras algo más gruesas que no puedan ser superadas, hacen de la cerámica un aislante del resto. Sin embargo, el movimiento de cargas dentro de los granos de cerámica que conducen levanta la constante dieléctrica y aumenta la capacitancia.
La importancia de substratos electrocerámicos y de los aislantes no debe n ser pasados por alto. Aquí uno se esfuerza en señalar la grandeza de la interrupción eliminando los mecanismos interesantes de la conducción apenas descritos. Los enchufes de chispa, los aisladores de alto voltaje, y los substratos y los paquetes electrónicos se hacen de cerámica como la alúmina, la mullita y la porcelana.