Билет №16, 38 (Ответы на экзамен 2)

4

Билет №16, 38

7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

В электронной технике, радиотехнике и; приборостроении применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляци­онные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управ­ляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 7.1).

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. В классификационной схеме рис. 7.1 управляемые диэлектрики в свою очередь подразделены по принципу управления.

7.11. КЕРАМИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

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.

7.1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

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. При таком небольшом числе процессов в произ­водстве керамики осуществляются разнообразные варианты тех­нологических схем, которые меняются в зависимости от состава исходной массы, а также от характера продукции. Общее представление о технологическом процессе производства керамики

Кристаллическая фаза влияет также назначение ТКЛР, амфорная фаза — на температуру спекания керамической массы.

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.

§ 7.2. ТЕХНОЛОГИЯ ВАЖНЕЙШИХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Установочная керамика

Особенности технологии установочной керамики рассмотрим на примере важнейших материалов, предназначенных для изго­товления подложек микросхем. К ним в первую очередь отно­сятся керамики на основе оксида алюминия и оксида бериллия. Среди неоксидных материалов перспективной является керамика на основе карбида кремния.

Большинство мощных микросхем изготовляются на керамиче­ских подложках из оксида алюминия: высокоглиноземистая кера­мика 22ХС (96 % Аl₂О₃ ) и поликор (99,7 % Аl₂О₃ ).

Различают несколько полиморфных модификаций оксида алю­миния: α-, β- и -γ-А1 ₂О₃ . α-А1₂О₃ , корунд, главная кристаллическая фаза изделий из керамики на основе оксида алюминия, относится к тригональной сингонии, плавится при температуре 2050 °С

В керамических материалах, содержащих до 96—98 % А1₂О₃ , в качестве добавок, интенсифицирующих спекание, используются минерализаторы—стекла на основе SiO₂, обеспечивающие жидко-фазное спекание.

В алюмоксидной керамике, содержащей более 99 % А12О3, например поликоре, обычно используют минерализаторы без стеклообразователей. Они интенсифицируют спекание керамики в твердой фазе. Наиболее распространенной добавкой такого рода является MgO (до 0,3 % маc.), не оказывающая влияния на ди­электрические и вакуумные свойства спеченной керамики.

Керамика брокерит

Бериллий

Карбид кремния

Формование заготовок осуществляют всеми методами керами­ческой технологии. Спекание керамики производят в диапазоне температур 1700—2300 °С. В качестве спекающих добавок исполь­зуются Сг, В, Be, Ti, A1, С, Si и их соединения, а также порошки метастабильной модификации p-SiC. Подложки для интегральных микросхем с наилучшими электрофизическими параметрами из­готовляют горячим прессованием (давление >5-10⁷ Па, температу­ра 2100 °С) субмикронных порошков β-SiC с добавками до 2 % ВеО.

Конденсаторная керамика

Требования, предъявляемые к конденсаторной керамике, в об­щем виде формулируются следующим образом:

наибольшая диэлектрическая проницаемость при заданном зна­чении ее стабильности при изменении температуры, частоты, на­пряженности электрического поля и т. д.

минимальные диэлектрические потери;

максимальные электрическая прочность и удельное объемное сопротивление;

высокая устойчивость к электрохимическому старению;

однородность материала и воспроизводимость свойств;

малая стоимость и доступность исходного сырья.

Рассмотрим особенности технологии получения керамических материалов диэлектрика конденсаторов на примере сегнетокера-мики.

Сегнетокерамические материалы для конденсаторов могут быть разделены на три группы:

1.материалы с максимальной диэлектриче­ской проницаемостью (группа Н-90),

2.материалы с повышенной тем­пературой стабильностью диэлектрической

проницаемости (группы H-50, Н-30 и др.) и