Материал: Диэлектрики

Пористые полимеры.

Пенопласты – это твердые или эластичные материалы, содержащие большое число газовых включений. Получают полимеризацией - вспениванием водной эмульсии или за счет введения в пресс-порошок газообразователей (углекислой соли аммония), которые разлагаются при повышенной температуре прессования. Из-за выделения газа полимер вспенивается, и в нем образуются закрытые поры, равномерно распределенные по всему объему материала.

Наличие газа резко снижает ε и повышает tgδ.

Пенопласты изготавливают на основе:

• полиэтилена,

• полистирола,

• полихлорвинила,

• каучука.

Пенопласты обладают:

• высокой теплоизоляцией

• звукоизоляцией,

• малым удельным весом

• низкой механической прочностью.

Основное применение – теплоизоляция т.к. за счет газовых включений коэффициент теплопроводности мал.

Лаки и компаунды

Лаки и компаунды – это герметизирующие материалы для защиты деталей и узлов РЭА от внешних воздействий (в основном от влаги). Эту защиту выполняют заливкой или пропиткой.

Общие требования:

1. Целостность элементов и монтажа в процессе герметизации (требование к вязкости, скорости протекания массы, величине усадки)

2. Максимальное согласование ТКЛР.

3. Низкая влагопроницаемость (отсутствие гигроскопичности).

4. Необходимые диэлектрические параметры, стабильные во всем диапазоне рабочих температур и при воздействии влаги и перегрузок.

5. Хорошая адгезия.

6. Инертность при контакте с металлами (отсутствие коррозии).

7. Низкая стоимость и возможность автоматизации процесса автоматизации.

Эти требования относятся к общим, но есть еще и специальные требования. Например:

Для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем необходимы материалы, которые не содержат ионогенных примесей, обладающих малой подвижностью.

Материалы, герметизирующие очень чувствительные к вибрациям тонкопленочные элементы, не должны создавать больших внутренних напряжений в этих элементах.

Лаки.

Лаки – это коллоидные растворы смол, битумов, масел в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя тонкую пленку.

Электротехнические лаки – это лаки, которые после высыхания обладают не только защитными, но и определенными электрическими свойствами (обычно изоляция).

По применению электротехнические лаки можно разделить:

1. Пропиточные – для пропитки пористых и волокнистых изоляций (бумага, ткань и др.). Эти лаки имеют малую вязкость.

2. Покрывные лаки – для создания на поверхности деталей механически прочной, гладкой, влагостойкой пленки. Если пленка выполняет еще и декоративную функцию, в лак добавляют пигмент (мелкий порошок окислов металлов). При этом пленка приобретает определенную окраску, дополнительную механическую прочность, повышается ее теплопроводность и улучшается сцепление с поверхностью изделия.

3. Клеящие лаки – служат для склеивания твердых изоляционных материалов и для приклеивания изоляции к металлу. Эти лаки должны обладать высокой вязкость и очень высокой адгезией.

По режиму сушки:

- лаки холодной сушки сохнут при комнатной температуре. Если качество пленки получается неудовлетворительным, такую пленку дополнительно нагревают для получения более высокой степени полимеризации смолы им улучшения электрических характеристик твердой пленки.

- лаки горячей (печной) сушки при комнатной температуре образуют пленки очень низкого качества, поэтому их сушат при высоких температурах.

По составу:

• Полистирольные лаки воздушной сушки (растворитель – бензол) имеют высокие электроизоляционные свойства при почти полном отсутствии гигроскопичности. Эти лаки применяют в ВЧ аппаратуре. Недостаток – низкая нагревостойкость.

• Эпоксидные лаки дают полное покрытие с высокой адгезией. Водостойкие, нагревостойкие – до 150⁰ С.

• Кремнеорганические лаки – высокая нагревостойкость - до 400⁰ С.

• Бакелитовые лаки – раствор фенол-формальдегидной смолы в спирте. Пропиточный и клеящий лак горячей сушки. Получают механически прочную пленку, но малоэластичную.

• Полиуретановые лаки эластичны, высокая стойкость к истиранию, теплостойкость до 200⁰ С, высокая адгезия.

• Эфирно-целлюлозные лаки – лаки воздушной сушки (нитролаки). Раствор целлюлозы в ацетоне. Обладают высокой механической прочность, практически влаго и маслонепроницаемые. При этом имеют низкую нагревостойкость и плохую адгезию к металлу.

• Масляные лаки – вязкая жидкость растительного происхождения (льняное или тунговое, растворители – бензин, керосин), которая под действием повышенной температуры, освещения переходит в твердое состояние. Масса этих лаков при высыхании может увеличиваться за счет окисления, т.к. при высыхании происходит поглощение кислорода из воздуха.

Компаунды

Компаунды – смеси органических веществ, но в отличие от лаков не содержат растворителей. В исходном состоянии – жидкость, затем вводят отвердитель.

Некоторые компаунды разогревают до высоких температур, а при охлаждении они переходят в твердое состояние – термокомпаунды. В РЭА их практически не используют, т.к. радиоэлементы обычно очень чувствительны к повышенным температурам.

Требования к компаундам:

- малая усадка (0,2% - 2,5%).

- высокая теплопроводность.

- удовлетворительные диэлектрические параметры.

- желателен переход в твердое состоянии при комнатных температурах.

По назначению:

1. Заливочные компаунды – эпоксидные, кремнеорганические.

- для заполнения сравнительно больших полостей,

- для увеличения пробивного напряжения,

- для отвода тепла,

- для повышения механической прочности.

2. Пропиточные компаунды

- для пропитки пористых и волокнистых поверхностей (изоляции).

3. Покровные компаунды – для покрытия и наружного обволакивания (повышение механической прочности, теплопроводности, электрической прочности).

Неорганические диэлектрики

Это материалы ионного строения (оксиды), которые могут быть природные (слюда, кварц и др.) искусственные (керамика, стекла, ситаллы и др.).

Стекла. Стекла представляют собой неорганические аморфные термопластичные материалы, получаемые путем переохлаждения жидкого

расплава окислов (SiO₂, B₂O₃, A1₂O₃, Na₂O, CaO и др.). К достоинствам стеклянных подложек относится возможность получения высокой чистоты поверхности и высокой плоскостности (1 мкм/мм), отсутствие пор и влагопроницаемости, низкая стоимость. Однако низкая механическая прочность и низкая теплопроводность ограничивают их применение.

Ситаллы. К ситаллам относят материалы, получаемые, подобно стеклу, сплавлением неорганических окислов, но подвергаемые затем управляемой кристаллизации. Процент кристаллической фазы у ситаллов составляет 60 - 95% объема.

Микрокристаллическая структура ситаллов обусловлена соответствующим составом стекла. Кроме того, в них еще вводят специальные катализаторы кристаллизации, которыми могут быть благородные металлы (золото, серебро, платина), а также чистая медь. Эти катализаторы, вводимые в очень малых количествах, вызывают кристаллизацию при облучении ультрафиолетовым светом или γ-лучами. Так получают фотоситаллы. Катализаторами могут быть и окислы металлов (TiO₂, ZnO и др.), хорошо растворимые в стекле. Эти катализаторы вызывают кристаллизацию при ступенчатой термической обработке при температурах 550^о – 1100^о .Так получают термоситаллы. Благодаря высокой степени кристаллизации ситаллы обладают ценным сочетанием физико-химических свойств: механической прочностью, твердостью, термической и химической стойкостью, а также хорошими электрическими свойствами. Доступность сырья и простая технология обеспечивают невысокую стоимость изделий.

Условное обозначение марок стекла и ситалла состоит из буквенного кода (С - стекло, СТ - ситалл), следующая за ним цифра - значение температурного коэффициента линейного расширения ТКЛР х10⁷ 1/°С, далее следует номер разработки. Например, СТ-50-1, ситалл, ТКЛР = 50х10^-7 1/°С, первая разработка. Для подложек ИС применяется ситалл СТ-50-1, СТ-50-2, СТ-32-1 и другие.

Типичным представителем группы неорганических материалов является керамика, получаемая путём спекания порошкообразного сырья при температуре, меньшей температуры плавления. По строению керамика относится к ионным кристаллам, для неё характерна преимущественно ионная поляризация.

В зависимости от состава и технологии изготовления керамика может обладать значениями ε и tgδ, лежащими в очень широком диапазоне, что в свою очередь, расширяет спектр ее применения. Лучшие виды керамических материалов применяют в СВЧ технике. Керамики на основе окиси титана TiO₂ и титаната бария BaTiO₃ отличается исключительно высокими значениями ε и поэтому находит применение в качестве диэлектриков для конденсаторов.

Керамические материалы типа ВК-94-1 (22С) и поликор относятся к высокоглиноземной керамике (ВК-94-1 содержит 96% Al₂O_3, а поликор – 99,5% Al₂O₃). Эта группа материалов имеет очень низкие диэлектрические потери в диапазоне радиочастот и небольшие значения ε (несколько единиц). Кроме того, они обладают повышенной нагревостойкостью (до 1660^о С) и хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать их в качестве подложек для гибридных ИС

Керамика - материал поликристаллический, прочность и монолитность которого обеспечиваются стекловидной прослойкой между кристаллами, а свойства зависят от химического, фазового составов и технологии изготовления. Для получения керамических подложек с чистотой поверхности 12 класса необходима керамика мелкокристаллической структуры с размерами зерен не более 3 мкм, однофазная с минимальным содержанием стекла. Этим требованиям удовлетворяют чистые окислы. В настоящее время основным материалом для подложек является окись алюминия Аl₂О₃; в особых случаях применяется окись бериллия ВеО.

Марки керамических материалов для подложек:

1) 22ХС - 96% А1₂О₃, кристаллическая фаза 89%;

2) поликор - 99,7% А1₂О₃, кристаллическая фаза 99%;

3) брокерит - 95-98% ВеО+(3...5)% А1₂О₃, CaO, SiO₂.

Особенностью подложек из окиси бериллия является их высокая теплопроводность (210 Вт м./град), превосходящая теплопроводность чистого бериллия и даже алюминия.

Рис. 10. Кристаллическая решетка окиси бериллия

Большинство керамических подложек имеет заметную кривизну (~0,04 мм/мм) и шероховатость поверхности, возникающую при отжиге. Для обеспечения необходимой чистоты поверхности подложку подвергают шлифованию с последующим полированием.

Основные достоинства керамических подложек:

1) высокая теплопроводность (на 1—2 порядка выше, чем у ситалловых);

2) высокая механическая прочность;

3) высокая нагревостойкость (до 2000°С);

4) малый тангенс угла диэлектрических потерь.

Однако керамические подложки уступают стеклянным и ситалловым по чистоте поверхности и плоскостности, а также имеют более высокую стоимость, особенно подложки из брокерита. Подложки из брокерита в сто раз дороже подложек из стекла, что объясняется высокой стоимостью сырья и сложностью производства. Полировка керамических подложек увеличивает их стоимость в три раза.

Керамические подложки применяют для изготовления толстопленочных ИС.

Подложка ГИС является ее конструктивным основанием, на поверхности которого формируются схемные элементы. Подложки ГИС непосредственно не участвуют в преобразовании и передаче сигналов (исключая СВЧ - схемы). Они изготавливаются из диэлектрических материалов и обеспечивают отвод тепла, выделяемого элементами, и электрическую изоляцию элементов. Гибридные ИС изготавливаются по двум технологиям:

1) тонкопленочные ГИС - методом напыления в вакууме тонких .(менее микрона) пленок на подложку через трафарет;

2) толстопленочные ГИС - методом трафаретной печати с. последующим вжиганием при t = 600 - 1000°С в керамическую подложку композиций со средней толщиной пленки 25 мкм.

Свойства подложки существенно влияют на свойства нанесенных на нее пленок и на надежность всей ГИС.

К материалу подложки предъявляются следующие требования:

1. Высокие электроизоляционные свойства - высокое удельное сопротивление ρ_v > 10¹⁰ Ом_*м, малая диэлектрическая проницаемость ε < 10, обеспечивающие надежную изоляцию, и отсутствие паразитных емкостных связей между элементами ИС.

2. Высокая чистота обработки поверхности подложки (12 - 14 класс), которая необходима для обеспечения однородности и воспроизводимости электрических параметров элементов ИС. Несовершенства поверхности подложки передаются в нанесенные на них пленки. На более грубых поверхностях получаются пленки с большим сопротивлением и низкой стабильностью. Особенно чувствительны к дефектам подложки диэлектрические пленки. Уменьшение толщины диэлектрической пленки конденсатора на микронеровностях подложки может вызвать пробой. Исходя из этого высота микронеровностей подложки не должна превышать 0,025 мкм для тонкопленочных ИС, тогда как для толстопленочных ИС она может достигать 0,5 мкм.

Кроме того, важно, чтобы на поверхности подложки не было загрязнений: пыли, жировой пленки, влаги и т. п. Поэтому перед напылением поверхность подложки тщательно очищают (но без ухудшения чистоты обработки поверхности).

3. Высокая плоскостность - для обеспечения плотного прилегания маски к подложке в тонкопленочных ГИС ±1мкм/мм и равномерности зазора между трафаретом и подложкой в толстопленочных ГИС ±0,04 мм/мм.

4. Низкая пористость - для исключения интенсивного газовыделения, изменяющего параметры элементов ИС.

5. Высокая теплопроводность материала подложки - уменьшает разогрев элементов схемы, позволяет достигнуть более высокой плотности компонентов и повышает допустимую рассеиваемую мощность ГИС.

6. Высокая термостойкость (600...1000°С), стойкость к термоударам - обеспечивает возможность нагревания подложки при изготовлении ГИС (в процессе вакуумного напыления или высокотемпературного отжига).

7. Невысокая стоимость.

Материалов, которые идеально удовлетворяли бы всем требованиям, очевидно, не существует, поэтому выбор материала подложки производится с учетом области применения. Для подложек используют неорганические диэлектрические материалы, аморфные и поликристаллические - стекло, ситалл, керамику.

Отличительной особенностью подложек микрополосковых СВЧ-схем (3... 30 ГГц) является то, что диэлектрическая подложка в данном случае служит не только пассивным основанием, но и имеет функциональное назначение. Полосковая линия передачи образуется в толще между нижней металлизированной поверхностью и проводником, нанесенным на верхнюю поверхность, поэтому основным критерием при выборе подложек для схем СВЧ является сочетание высокой диэлектрической проницаемости с малыми диэлектрическими потерями (tgδ ~ 10^-4).

В качестве подложек для тонкопленочных ГИС используют стекло и ситалл, а для толстопленочных – керамику.

Сравнительные характеристики материалов, применяемых для изготовления подложек ГИС