Лекция 14 (Лекции 1-16, без 15й)

Лекция №15

Проводящие пасты и клеи.

Для нанесения электродов, для изготовления проводников толстопленочных резисторов используют проводящие и резистивные пасты. Пасты обычно наносят вжиганием, поэтому подложка должна выдерживать режим термообработки. Наибольшее применение нашли серебросодержащие пасты. Пасты содержащие углекислое серебро или оксид серебра при температурах выше разлагаются. Углекислое серебро на серебро, углекислый газ и кислород, оксид на серебро и кислород. Газы улетучиваются, а на поверхности остается чистое серебро. Также вводят плавень. Он содержит несколько процентов . В качестве связки при изготовлении пасты используют раствор канифоли в скипидаре, иногда с добавкой касторового масла. При обжиге канифоль, скипидар, касторовое масло выгорают (200-370 ), а плавень размягчается при 750 , образуя металлокерамику с постепенным переходом от чистого серебра к керамике. Толщина серебра после 2-3 вжиганий составляет около 10 мкм. Аналогичный состав и способ вжигания для паст на основе других благородных металлов: золота, платины, палладия и их сплавов. Серебряные

покрытия более дешевы, но подвержены коррозии и миграции в керамику. Пленки других благородных металлов более стойкие, а процесс металлизации может быть совмещен со вторичным обжигом, что используют, например, при изготовлении многослойных керамических конденсаторов. Для изготовления пленочных резисторов с малым ТКР применяют пасты на основе композиций с металлическими порошками и с их полупроводниковыми оксидами, для получения ТКР<0. Применяют композиции на основе палладия (ТКР больше 0), для ТКР больше 0 – оксиды индия, кадмия, рутения. Еще могут употребляться карбиды, бориды, силициды, нитриды и др. соединения. Если необходимо нанести электроды или склеить их, а вжигание пасты недопустимо из-за высокой температуры, то можно применить токопроводящий клей (ТК). ТК это композиция из лака и порошка проводящего материала. Пример ТК холодного отверждения с высокой электропроводностью это КМ из лака на основе эпоксидной смолы (с добавкой отвердителя) и порошка молекулярного серебра. Более дешевый ТК это КМ с токопроводящей компонентой – сажей.

Электроизоляционные КМ и компаунды.

Применяют для герметизации компонентов, элементов и блоков аппаратуры, а также наносят на поверхности компонентов и изделий, чтобы минимизировать ухудшение электроизоляционных свойств при увлажнении, загрязнении и т. п. Компаундами называют смесь различных электроизоляционных веществ, которые переводят как правило в жидкое состояние чаще всего путем разогрева, при охлаждении затвердевает. Наибольшее распространение в электронной технике получили эпоксидные компаунды, отличающиеся высокой механической прочностью, нагревостойкостью, а также хорошие электрические свойства. Эти компаунды представляют собой композиции на основе эпоксидных смол и отвердителей (различных химических соединений, вступающих в реакцию с функциональными группами эпоксидных смол, и за счет этого их отверждающих, или являющихся катализаторами отвердения). Также в составе могут быть пластификаторы, разбавители, наполнители и т. д. В зависимости от состава могут быть компаунды, затвердевающие при комнатной температуре или при нагревании.

Органосиликатные композиции (ОСК).

Это композиционные материалы, на основе кремнийорганических смол (лаков) с наполнителями, пигментами и др. компонентами. Разработаны ОСК с электроизоляционными свойствами (в ТУ-6…. нормируются электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь и т. д.). Нагревостойкость (предельная рабочая температура) составляет до 900 . Имеются ОСК с повышенной адгезией (рабочая температура порядка 450 градусов). В качестве растворителя применяют толуол. Применяют для изоляции проводов с повышенной нагревостойкостью, для покрытия боковых цилиндрических поверхностей компонентов электроники, для электрической изоляции в системах АС. ОСК наносят на поверхность изделий окунанием, пульверизацией, кисточкой. Температура пульверизации 180-350 , в зависимости от типа, состава ОСК.

Ситаллы.

Сравнительно новой технологией является изготовление закристаллизованного стекла (ситалла). Практическое применение нашел способ, по которому шихту полностью расплавляют и переводят в гомогенное состояние, после чего изготавлиавют стеклянное изделие желаемой формы методами принятыми для обычного стекла (литьем или выдуванием). Затем эти изделия снова медленно нагревают, при этом форма не изменяется, а стекло превращяется в скопление кристаллитов, т. е. в стеклокерамику. У нас такую стеклокерамику называют ситаллом. Ситаллы – это стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизацией стекол специально подобранного состава. От стекла ситаллы отличаются тем, что имеют кристаллическое строение, а от керамики и других кристаллических материалов более тонкой и однородной микрокристаллической структурой. Благодаря этой мелкозернистой микроструктуре ситаллы обладают достаточно высокими физико-химическими свойствами: большой механической прочностью (примерно в 10 раз прочнее прокатного стекла), высокой твердостью и стойкостью к истиранию, высокой температурой размягчения (до 1300 ), хорошей термостойкостью (300-700 ), низкой плотностью (2.3-2.8 г/см3), хорошими электроизоляционными характеристиками. Получение ситаллов путем кристаллизации обычных стекол затруднено. Так, при низких температурах, близких с температуре стеклования, эти стекла имеют очень большую вязкость, препятствующую гомогенному образованию и росту центров кристаллизации, в следствие чего требуется очень длительное время для формирования кристаллической структуры. Кристаллизация при более высокой температуре вызывает деформацию изделий и не позволяет обеспечить им нужную микроструктуру. Чтобы сохранить форму изделия и обеспечить однородную микроструктуру необходимо стимулировать образование большого числа центров кристаллизации по всему объему изделия. Для этого в шихту вводят вещества, катализирующие кристаллизацию и проводят термообработку сформованных изделий по специальному режиму. Соединения или элементы, которые выбирают в качестве катализаторов кристаллизации должны удовлетворять ряду требований. Существует несколько механизмов действия катализаторов.

Зародышеобразование и кристаллизация.

Из законов термодинамики следует, что взаимосвязь между знаком (энергия Гиббса) и развитием реакции такова: если больше нуля, то реакция идет в обратном направлении, и твердая фаза растворяется; если равно нулю, то реакция прекращается и наступает равновесие; если меньше нуля, то реакция идет в прямом направлении и выпадает твердая фаза. Рассматривают два варианта: когда в реакционной системе заранее существуют или плоская поверхность твердой фазы или поверхность частицы, обладающая некоторой ограниченной кривизной; когда твердая фаза полностью отсутствует. Первый вариант соответствует случаю, когда существует зародыш кристалла, второй – когда этот зародыш необходимо образовать. При втором варианте, если осаждение однородной фазы не является повсеместным, то радиус r зародыша становится примерно равным размеру молекулы или иона (2-3 ангстрема). Тогда необходима большая отрицательная величина энергии Гиббса (-200 - -400 кДж/моль), что затрудняет появление зародышей. Однако на практике в таких гомогенных фазах возникают флуктуации плотности и концентрации, обусловленные тепловым движением, что статистически является причиной состояния ассоциации химических зародышей. Тогда возникает возможность превращения этих ассоциированных химических зародышей (кластеров) в ядро роста кристаллов, и появляется вопрос о дальнейшем механизме процесса. Иначе говоря, если размер образовавшегося кластера превышает некоторую критическую величину rкр, то происходит его дальнейший рост, если меньше – то кластер исчезает. Более сложным случаем подобного рассмотрения является гетерогенное зародышеобразование. В этом процессе структуры осажденного вещества и подложки различаются. Когда структура образующихся зародышей является гетерофазной, то добавляется параметр, который должен учитывать сродство материала подложки и осаждаемого вещества (учет смачиваемости или адсорбции). При осаждении второй фазы из твердого раствора в процессах типа термического и эвтектоидного разложения также вазным фактором становится деформация, возникающая вследствие различия кристаллических труктур. Готовые поверхности раздела играют роль подложек для вновь образующейся фазы и эффективно облегчают фазовые превращения (образование кристаллов на нерастворенных в расплаве твердых частицах, предпочтительное образование частиц новых фаз на границах зерен в поликристалле и др.). Эффективность влияния новых поверхностей раздела тем больше, чем меньше поверхностная энергия на границе этих поверхностей и образующейся новой фазы. Любое фазовое превращение включает в себя не только стадию образования зародышей новой фазы, но и их рост. Последнюю стадию (рост) можно рассматривать как кристаллизацию на подложке из того же вещества. При исследовании влияния термодинамических и кинетических факторов, влияющих на зарождение и рост кристаллов установлены зависимости скорости зарождения (n) и скорости роста (c) от переохлаждения ( ).

1-n-скорость зарождения

2-с-скорость роста

Рис. 1.

Качественный вывод из этих зависимостей, согласующийся с экспериментальными данными заключается в том, что обе зависимости имеют вид кривых с максимумом. Максимум скорости роста расположен при меньших переохлаждениях, чем максимум скорости зародышеобразования. Значит, для получения мелкокристаллической структуры необходимо увеличить переохлаждение.