Ответы с Ириными дополнениями, страница 5

Кэф = εм/εн (7.1)

С увеличением частоты Кэф уменьшается. Наибольшее значение он имеет при низких частотах. При высоких частотах, когда полупе­риод приложенного напряжения становится меньше времени пере­поляризации доменов, Кэф существенно уменьшается. Коэффициент Кэф является важной характеристикой сегнетоэлектриков, используе­мых в варикондах, диэлектрических усилителях, стабилизаторах пе­ременного напряжения и т.п. Например, вариконды работают на участке II ε(Е), когда Кэф максимален. В зависимости от природы материала Кэф изменяется от 1 до 50 (табл. 7.5).

На участке III, в самом его конце, поляризация образца практически заканчивается полностью, при этом поляризованность достигает технического насыщения Рн, а гистерезисная петля становится предельной петлей диэлектрического гистерезиса. Если на этом участке снять внешнее электрическое поле (Е = 0), образец сохра­нит остаточную поляризованность Ро (рис. 7.4).

Остаточная поляризованность Ро всегда меньше спонтанной по­ляризованности Рс, так как после снятия напряжения образец сегнетоэлектрика частично деполяризуется. У монодоменного образца Ро = Рс. Отношение Ро к Рн является коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса Кппг

Кппг= Ро/Рн (7.2)

Рис. 7.3. Зависимость

поляризованности Р

Рис. 7.4. Предельная петля диэ-

и диэлектрической проницаемости е лектрического гистерезиса сегне-

сегнетоэлектрика от напряженности тоэлектрика
электрического поля Е

Коэффициент Кппг является важной характеристикой сегнетоэлектриков с ППГ, которые можно использовать в запоминающих устройствах (ЗУ) ЭВМ (твердотельного интегрального исполнения). Значение Кппг у этих сегнетоэлектриков должно быть больше 0,9.

На участке III диэлектрическая проницаемость снижается, так как увеличивается Е:

ε = 1 +P/(εo/E). (7.3)

С дальнейшим ростом напряженности поля Р образца слегка возрастает (см. рис. 7.4, отрезок ВС) за счет обычных видов поляри­зации (электронной, ионной, дипольной), а ε продолжает снижать­ся, приближаясь к значению εн в области сильных электрических полей.

При циклическом изменении электрического поля зависимость поляризованности от напряженности поля примет вид петли гисте­резиса (см. рис. 7.4), аналогичной для ферромагнетиков. Из предель­ной петли диэлектрического гистерезиса можно определить остаточную поляризованность Ро (при Е = 0), коэрцитивную силу Ес и другие характеристики. Величины Рн и Еп являются соответственно значениями поляризованностью и напряженностью поля, указываю­щими начало участка насыщения (отрезок ВС) предельной петли ди­электрического гистерезиса. Экстраполяция отрезка ВС до пересече­ния с осью Р дает величину, приближенно равную спонтанной поляризации Рс. По значению коэрцитивной силы Ес сегнетоэлектрические материалы подразделяют на сегнетомягкие (Ес < 0,1 МВ/м) и сегнетотвердые (Ес < 1 МВ/м).

Площадь петли гистерезиса характеризует величину энергии электрического поля, затрачиваемую на переориентацию доменов, и численно равна диэлектрическим потерям данного образца сегнетоэлектрика за один период изменения электрического напряжения.

8.Основные виды полимерных диэлектрических материалов. Температурные пределы применения полимерной изоляции.

См. файл от дистанционщиков.

9. Керамические диэлектрические материалы. Конденсаторная, установочная керамика и керамика для подложек микросхем. Требования, предъявляемые к конденсаторной керамике.

В электронной технике, радиотехнике и приборостроении применяют множество различных диэлектриков. По функциям их можно подразделить на электроизоляци­онные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управ­ляемые материалы (активные диэлектрики).Электроизоляционные материалы используют для создания элект­рической изоляции, которая окружает токоведущие части электричес­ких устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструк­ции, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения емкости, а в некоторых случаях обеспечивает оп­ределенный характер зависимости этой емкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (емкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т. д.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электричес­кой изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (напри­мер, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие пленки). Тем не менее, требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционно­го материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную ε и малое значение tgδ. Роль диэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электри­ческой схеме. Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физи­ческих процессов и генерации колебаний.

Керамикой называют неорганические материалы, полученные пу­тем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом боль­шинства видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло и название материала — «керамикос» (от греч. — глиня­ный).

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электри­ческими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низко­частотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т.п. Керамические материалы облада­ют свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферро­магнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими диэлектриками керами­ка, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и тепловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической (остаточной) деформации.

Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной Фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна; вторая фаза — это стекловидная (амфорная) прослойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество щелочных металлов, входящих в состав керамики; третья фаза - это поры, объем которых у плотной керамики составляет 2-6%, а у пористой (имеющей поры, сообщающиеся между собой и поверхностью изделия) — 15—25%. Объем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок и т.п. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров и меньше. По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и не плотной упаковкой решетки ионами, чтo определяет виды поляризации виды диэлектрических потерь керамики.

Электрофизические свойства керамики формируются всеми тремя фазами При этом диэлектрическая проницаемость связана в основном процессами, протекающими в кристаллических зернах, электропроводность - в амфорной фазе, диэлектрические потери — как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен.

10.Основы керамической технологии материалов электронной техники.

Керамическая технология приобрела в настоящее время исклю­чительное значение для изготовления изделий электронной тех­ники из самых различных материалов—диэлектриков, полупро­водников, магнитных, проводящих и сверхпроводящих материалов. Эта технология предполагает неограниченное разнообразие со­ставов и свойств материалов и вместе с тем большое сходство ме­тодов оформления деталей. Общим для всех керамических мате­риалов является основная технологическая операция — процесс спекания вещества при температуре ниже его плавления, причем в отличие от технологии стекла плавление не допускается .

Керамику получают спеканием порошков минеральных и син­тетических неорганических веществ на основе оксидов, тугоплав­ких карбидов элементов IV и VI групп Периодической системы элементов, нитридов кремния, бора, алюминия, силицидов, боридов переходных элементов, галогенидов щелочных и щелочно­земельных металлов и др.

Керамика обычно представляет собой сложную многофазную систему. В ее составе различают кристаллическую, стекловидную и газовую фазы (как правило, в виде закрытых пор).

Кристаллическая фаза как по содержанию, так и по свойствам, которыми она наделяет материал (диэлектрическая и магнитная проницаемости, мощность потерь, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность), является основной фазой керамики.

Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие между собой зерна кристаллической фазы. В зависимости от типа керамики доля стекловидной фазы в ней может быть большей или меньшей. Количество стекловидной фазы определяет в основном технологические свойства керамики — температуру спекания, степень пластичности и др. С увеличением содержания стекловидной фазы становятся менее заметными свой­ства керамики, обусловленные основной кристаллической фазой. В частности, при наличии стекловидной фазы свыше 30—40 % (радиофарфор) механическая прочность керамики становится не­высокой, ухудшаются также и ее электрические параметры.

Газовая фаза в керамике (в виде закрытых пор) обус­ловлена особенностями технологического процесса изготовлении изделия. Часто она является нежелательной, так как приводит к ухудшению механической и электрической прочности керамиче­ских изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях электрического поля вследствие ионизации газовых включений. Основными технологическими процессами производства из­делий из керамики являются подготовка массы, формование, сушка и обжиг.

Процесс производства керамических изделий проходит в три ос­новных этапа:

1) приготовление керамической массы путем очистки от примесей ее составных компонентов, тщательного их измельче­ния и перемешивания с водой в однородную массу;

2) формирова­ние изделия заданной конфигурации и размеров методом формова­ния, прессования, выдавливания, пластического штампования или литья (если масса в виде сухого порошка — его прессованием);

3) сушка, глазурирование и обжиг.

Глазурь представляет собой стекловидную массу, состоящую из 66—72,2% SiO₂, 11,7—17,2% А1₂ О₃ , остальное — окислы щелочных и щелочноземельных металлов, вводятся окислы и других металлов. Температура ее размягчения должна быть ниже температуры обжига. При обжиге глазурь расплавляется и покрывает изделие тонким (0,1—0,3 мм) плотным блестящим стекловидным слоем. Глазурь не только улучшает внешний вид изделия и придает ему желаемую ок­раску, но также защищает его от загрязнения, проникновения внутрь влаги. Заполняя трещины и другие поверхностные дефекты, глазурь повышает механическую прочность изделия на 15—20%. В радиотех­нической и электронной промышленности для глазурирования при­меняют различные эмали с Тр = 560—570°С.

Обжиг — ответственная и самая дорогая операция. При высокой температуре (примерно 1300—1400°С) в результате сложных химиче­ских и физико-химических процессов, протекающих между состав­ными частями керамической массы, и рождается керамика. При об­жиге происходит усадка — значительное (до 20%) уменьшение размеров изготавливаемого изделия.

11. Виды диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в газообразных и твердых диэлектриках.

П рирода диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от состояния вещества: газообразного, жидко­го, твердого.