Abstract In the first part of the thesis, novel glass-ceramic compositions based on Al2O3 and BaTiO3 and bismuth-zinc borosilicate (BBSZ) glass, sintered at ultra-low temperatures, were researched. With adequate glass concentration, dense microstructures and useful dielectric properties were achieved. The composite of BaTiO3 with 70 wt % BBSZ sintered at 450 °C exhibited the highest relative permittivity, εr, of 132 and 207 at 100 kHz and 100 MHz, respectively. Thus, the dielectric properties of the composites were dominated by the characteristics of glass, BaTiO3, and Bi24Si2O40 phase, especially the contribution of Bi24Si2O40 for the samples with 70-90 wt % glass. Actually, the existence of the secondary phase Bi24Si2O40 may not hinder but enhance the dielectric properties. The Al2O3-BBSZ composition samples showed a similar situation, not only for densification but also for their microstructures and phases (Al2O3, BBSZ, Bi24Si2O40), explaining the achieved dielectric properties. The second part of the thesis mainly discusses the composite of BaTiO3 with 50 wt % BBSZ with different thermal treatments. After sintering at 720 °C, dense microstructures and the existence of Bi4BaTi4O15, BaTiO3, Bi24Si2O40 phases were observed. The results also showed that the size of glass powder particles did not influence the dielectric properties (εr = 263-267, tan δ = 0.013 at 100 kHz) of sintered samples, but the addition of LiF degraded the dielectric properties due to the features and amount of Bi4BaTi4O15. These results demonstrate the feasibility of the BBSZ based composites for higher sintering temperature technologies as well. At the end, a novel binder system, which enables low sintering temperatures close to 300 °C, was developed. A dielectric multilayer module containing BaTiO3-BBSZ and Al2O3-BBSZ composites with silver electrodes was co-fired at 450 °C without observable cracks and diffusions. These results indicate that these glass-ceramic composites provide a new horizon to fabricate environmentally friendly ULTCC materials, as well as multilayers for multimaterial 3D electronics packages and high frequency devices. / Tiivistelmä Väitöstyön ensimmäisessä osassa tutkittiin ja kehitettiin uudentyyppisiä, ultramatalissa sintrauslämpötiloissa (ULTCC) valmistettuja lasi-keraami komposiitteja käyttäen vismuttisinkkiborosilikaatti -pohjaista lasia (BBSZ). Täyteaineina olivat alumiinioksidi (Al2O3) ja bariumtitanaatti (BaTiO3). Materiaaleille saatiin riittävän suuren lasipitoisuuden avulla tiheät mikrorakenteet ja sovelluskelpoiset dielektriset ominaisuudet. BaTiO3:n komposiitti, joka sisälsi 70 p-% BBSZ lasia, saavutti 450 °C lämpötilassa sintrattuna korkeimman suhteellisen permittiivisyyden: εr=132 (@100 kHz) ja εr=207 (@100 MHz). Komposiittien dielektrisiä ominaisuuksia määrittivät tällöin lasi-, BaTiO3- ja Bi24Si2O40- faasien ominaisuudet ja erityisesti Bi24Si2O40 -faasi näytteissä, joissa on 70-90 p-% lasia. Sekundäärinen faasi Bi24Si2O40 ei välttämättä heikentänyt, vaan jopa paransi dielektrisiä ominaisuuksia. Vastaavilla Al2O3-BBSZ –komposiiteilla saavutettiin samanlaisia tuloksia tihentymisen, mikrorakenteiden ja faasien (Al2O3, BBSZ, Bi24Si2O40) suhteen. Lisäksi tässä tapauksessa saavutetut dielektriset ominaisuudet voidaan selittää näiden kolmen faasin yhdistelmän olemassaololla. Väitöstyön toinen osa käsitteli pääasiassa eritavoin lämpökäsiteltyjä BaTiO3:n komposiitteja, joissa on 50 p-% BBSZ-lasia. Näillä saavutettiin tiheä mikrorakenne sintrattaessa 720 °C lämpötilassa ja havaitiin Bi4BaTi4O15-, Bi24Si2O40-faasien muodostuminen BaTiO3 lähtöfaasin rinnalle. Tulokset osoittivat myös, että lasijauheen partikkelikoko ei vaikuttanut sintrattujen näytteiden dielektrisiin ominaisuuksiin (εr = 263-267, tan δ = 0.013 (@100 kHz)). LiF -lisäys sen sijaan heikensi dielektrisiä ominaisuuksia ja vähensi Bi4BaTi4O15 faasin muodostumista. Tämä aiheutui Bi4BaTi4O15-faasin ominaisuuksista ja oli riippuvainen kyseisen faasin määrästä. Nämä tulokset osoittivat BBSZ -pohjaisten komposiittien käytettävyyden myös korkeampien sintrauslämpötilojen teknologioihin. Viimeisenä kehitettiin uudentyyppinen sideainesysteemi, joka mahdollistaa ultramatalien keraamien yhteissintraamisen jopa noin 300 °C lämpötilassa. Hyödyntäen kehitettyä sideainesysteemiä monikerrosrakenne, jossa käytettiin dielektrisiä BaTiO3-BBSZ- ja Al2O3-BBSZ-komposiitteja ja hopeaelektrodeja, yhteissintrattiin 450 °C lämpötilassa. Valmistetuissa rakenteissa ei havaittu murtumia eikä diffuusioita. Tulokset osoittavat, että kehitetyt lasi-keraami komposiitit mahdollistavat ympäristöystävällisten ULTCC -materiaalien valmistuksen. Lisäksi osoitettiin kehitettyjen materiaalien soveltuvuus monikerroksisten rakenteiden käyttöön monimateriaali-3D-elektroniikan pakkauksissa ja suurtaajuuskomponteissa.

Abstract This thesis describes a detailed investigation of new glass 10Li₂O−10Na₂O−20K₂O−60MoO₃ (LNKM), ceramic (α-MoO₃) and ceramic-commercial glass (PZ29-GO17, rutile TiO₂-GO17) composites to satisfy the future requirements for ultra-low fabrication temperature materials and their associated processes. The initial part of the thesis is devoted to the development of the LNKM glass by a glass-melting and quenching process, followed by an investigation into its structural, microstructural and microwave dielectric properties. The prepared glass had ultra-low glass transition and melting temperatures of 198 and 350 °C, respectively. The glass pellet heat-treated at 300 °C had a relative permittivity (εr) of 4.85 and a dielectric loss (tan δ) of 0.0009 at 9.9 GHz. The temperature dependence of the relative permittivity was (τε) 291 ppm/°C. Another part of the work concerns α-MoO₃ ceramic, its preparation by uniaxial pressing and sintering at 650 °C followed by an investigation of its structural, microstructural, thermal and microwave dielectric properties. It had an εr of 6.6, tan δ of 0.00013 (at 9.9 GHz) and τε of 140 ppm/°C. In addition to this, a functional ultra-low temperature co-fired composite was developed based on commercial PZ29 and 50 wt.% of GO17 glass followed by tape casting and co-firing with Ag at 450 °C. The average values of the piezoelectric (d₃₃) and voltage (g₃₃) coefficients were 17 pC/N and 30 mV/N, respectively. The sintered sample had an average CTE value of 6.9 ppm/°C measured in the temperature range of 100–300 °C. The εr and tan δ of the sintered substrates were 57.8 and 0.05 at 2.4 GHz, respectively. Additionally, a new ceramic-glass composite was developed using rutile TiO₂-GO17, and co-fired with Ag at 400 °C. It had an average CTE value of 8.3 ppm/°C measured in the temperature range of 100–300 °C. This composite substrate showed εr of 15.5 and tan δ 0.003, at 9.9 GHz. Moreover, it also had τε of -400 ppm/°C at 9.9 GHz measured in the temperature range of −40 to 80 °C. The findings of the thesis reveal the feasibility of the ultra-low temperature co-fired ceramic (ULTCC) technology for high-frequency telecommunication devices as well as for electronics packages. Additionally, a first step to develop functional ULTCC has been taken. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa kuvataan uuden lasin 10Li₂O−10Na₂O−20K₂O−60MoO₃ (LNKM), keraamin (α-MoO₃) sekä keraami-lasi (PZ29-GO17, rutiili TiO₂-GO17) komposiittien tutkimustulokset, jotka mahdollistavat tulevaisuuden sähkökeraamisten materiaalien ja komponenttien valmistuksen ultra-matalissa valmistuslämpötiloissa. Väitöskirjan alkuosa keskittyy LNKM lasin kehitykseen lasin sulatus- ja karkaisuprosessilla, sekä tämän materiaalin mikrorakenteen sekä mikroaaltoalueen dielektristen ominaisuuksien tarkasteluun. Valmistetulla lasilla oli ultra-matala lasittumislämpötila 198 °C sekä sulamislämpötila 350 °C. Lasipelletin, joka lämpökäsiteltiin 300 °C:ssa, suhteellinen permittiivisyys (εr) oli 4,85 ja dielektriset häviöt (tan δ) 0,0009 9,9 GHz taajuudella. Suhteellisen permittiivisyyden lämpötilariippuvuus (τε) oli 291 ppm/°C. Toinen osa työtä käsittelee α-MoO₃ keraamia, josta valmistettiin näytteet mikrorakenne ja mikroaaltoalueen dielektristen ominaisuuksien tutkimuksiin aksiaalisella puristuksella ja sintraamalla 650 °C:ssa. Valmistetun materiaalin suhteellinen permittiivisyys oli 6,6, häviöt 0,00013 (9,9 GHz:ssa) ja permittiivisyyden lämpötilariippuvuus 140 ppm/°C. Näiden lisäksi kehitettiin toiminnallinen ultra-matalan lämpötilan yhteissintrattu komposiitti perustuen kaupalliseen pietsosähköiseen keraamiin (PZ29) ja lasiin (GO17). Komposiitista valmistetiin monikerrosrakenne nauhavalulla ja yhteissintraamalla hopeaelektrodien kanssa 450 °C:ssa. Keskimääräiset arvot pietsosähköiselle varausvakiolle (d₃₃) sekä jännitevakiolle (g₃₃) olivat 17 pC/N ja 30 mV/N. Sintratun näytteen keskimääräinen lämpölaajenemiskerroin oli 8,3 ppm/°C lämpötila-alueella 100–300 °C. Tämän komposiittisubstraatin suhteellinen permittiivisyys oli 15,5 ja häviötangentti 0,003 9,9 GHz:n taajuudella. Lisäksi suhteellisen permittiivisyyden lämpötilariippuvuus oli -400 ppm/°C samalla 9,9 GHz:n taajuudella, kun lämpötilan mittausalue oli −40–80 °C. Tämän väitöstyön tulokset osoittavat ultra-matalan lämpötilan yhteissintrattavan keraamiteknologian (ULTCC) soveltuvuuden korkean taajuuden tietoliikennesovelluksiin ja elektroniikan pakkausteknologiaan. Lisäksi työssä on otettu ensimmäiset askeleet funktionaalisten ULTCC materiaalien kehittämiseksi.