Sähkökeraamikomponenttien huoneenlämpötilan valmistusmenetelmä soveltuu myös painettavaan elektroniikkaan

Sähkökeraamikomponentteja käytetään lähes kaikissa elektroniikkaa hyödyntävissä laitteissa. Sähkökeraamit ovat kiinteitä epäorgaanisia materiaaleja, jotka eroavat esimerkiksi astioissa käytettävistä keraameista siinä, että niillä on hyödyllisiä sähköisiä ja magneettisia ominaisuuksia. Niiden muokkaus komponenteiksi vaatii perinteisesti korkeita lämpötiloja (yli 1000 °C), jälkityöstöä ja haastavia liitostekniikoita. Nyt kaikki tämä onnistuu myös huoneenlämmössä suoraan lämpöherkälle alustalle ilman jälkityöstöä.

Vähemmän energiaa, enemmän mahdollisuuksia

Väitöskirjatyössäni jatkan tutkimusyksikössämme kehitettyä sähkökeraamikomponenttien huoneenlämpötilan valmistusmenetelmän kehitystä myös painettavaan elektroniikkaan. Huoneenlämpötila on keraamien valmistuksessa erittäin matala lämpötila ja perinteiseen menetelmään verrattuna se onkin merkittävästi energiatehokkaampi. Erilliskomponenttien valmistamisen lisäksi kehitetty menetelmä mahdollistaa ensimmäisen kerran sähkökeraamien ominaisuuksien täydellisen hyödyntämisen myös lämpöherkillä alustoilla, kuten muovilla ja paperilla.

Lisää vain vesi

Lämpöenergian sijaan huoneenlämpötilan menetelmässä käytetään hyödyksi tiettyjen keraamimateriaalien liukoisuutta. Esimerkki vesiliukoisesta keraamista on tutkimani myrkytön litiummolybdaatti (Li₂MoO₄), joka sähköisten ominaisuuksiensa puolesta sopii käytettäväksi korkean taajuuden tietoliikennesovelluksissa. Valmistusprosessi on yksinkertainen. Keraamin joukkoon sekoitetaan pieni määrä vettä ja saadaan tahnamainen seos. Tahnan sisältämä neste sitoo jauhehiukkaset ja auttaa niiden pakkautumista komponenttia valmistettaessa. Eri prosessivaiheiden jälkeen saadaan kiinteä täysin keraaminen kappale. Orgaanisia sidosaineita ei tarvita ja prosessia voidaan nopeuttaa haihduttamalla loppu vesi 120 °C lämpötilassa.

Nyt myös painamalla

Muuttamalla veden määrää saadaan eri paksuisia tahnoja, joista voidaan tehdä komponentteja eri tavoin. Tuoreimmassa tutkimuksessani optimoin tahnan sopivaksi silkkipainotekniikalle. Silkkipainaminen on painettavassa elektroniikassa hyödynnetty yleinen ja nopea tekniikka, joka sopii teolliseen suuren mittakaavan valmistukseen. Tekniikkana se on niin kutsutusti ”lisäävä”, jolloin materiaalia siis lisätään vain halutulle alueelle halutun muotoisena. Alhaisen valmistuslämpötilan ansiosta pystyin painamaan keraamitahnan suoraan lämpöherkälle muovialustalle. Lukuisia laboratoriossa vietettyjä tunteja ja sinnikkyyttä se kysyi, mutta ongelmanratkaisu ja uuden oppiminen ovat työni innostavimpia puolia satunnaisesta tuskaisuudestaan huolimatta.

Kirjoittaja Maria Väätäjä työskentelee tohtorikoulutettavana Mikroelektroniikan tutkimusyksikössä Oulun Yliopistossa. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä kannustusapurahan väitöskirjatyöhönsä vuonna 2018.

Kuva: Mikko Nelo