Билет №16, 38 (Ответы на экзамен 2)
Описание файла
Файл "Билет №16, 38" внутри архива находится в папке "otvety_v2". Документ из архива "Ответы на экзамен 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Билет №16, 38"
Текст из документа "Билет №16, 38"
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