Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

ляция полупроводниковых кристаллов, герметизация соединений, защита схемы от воздействия окружающей среды и механических повреждений. Кроме того, корпус должен быть устойчив к технологическим режимам сборки транзистора. Как правило, корпус мощного СВЧтранзистора содержит металлический теплоотводящий фланец, на котором размещены изолятор из многослойной алюмооксидной керамики с присоединенными к нему плоскими внешними выводами и теплоотвод из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью (рис. 4.1).

Для обеспечения выполнения этих функций, керамические электроизолирующие материалы должны иметь большое удельное сопротивление, высокую электрическую прочность, малый тангенс диэлектрических потерь и низкую диэлектрическую проницаемость.

Для корпусов ИС применяют: сапфир, керамику на основе оксида алюминия, керамику на основе силикатов – стеатитовую, форстеритовую и цельзиановую. Для рассеивания большой тепловой мощности применяют бериллиевую керамику (брокелит-9, бромелит).

Традиционный материал теплоотвода – ВеО-керамика, характеризуемая малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне частот и высокой теплопроводностью. Вместе с тем производство ВеО-кера- мики чрезвычайно токсично. Сейчас в качестве альтернативы ВеО-ке- рамике наиболее перспективной представляется высокотеплопроводная керамика на основе нитрида алюминия (АlN). По коэффициенту теплового расширения этот материал хорошо согласуется с кремнием, что особенно важно для приборов, выполненных на кристаллах больших размеров. К тому же, в отличие от ВеО-керамики, теплопроводность АlN-керамики не уменьшается при нагреве транзистора.

Керамика с высоким содержанием Al2O3 (свыше 90 %) имеет большое значение в электронной технике как установочный материал, отличающийся высокими электроизолирующими свойствами, механи-

чески прочный и устойчивый к внешним воздействиям. Свойства чис-

того α-Al2O3: ε =11, tgδ = 1·10–4 при 1 МГц.

71

лообразующих оксидов. Минерализатор представляет собой низкоплавкую эвтектику, которая обеспечивает жидкофазное спекание керамики. По свойствам эти материалы близки к свойствам чистого α-Al2O3. Они применяются для изготовления подложек, оснований, корпусов электровакуумных приборов и интегральных схем (рис. 4.2).

Материалы с содержанием α-Al2O3 свыше 99 % содержат добавки минерализаторов без стеклообразователей. Керамика с добавкой MgO (до 0,3 мас.%) называется Поликор (ВК 100-1) и представляет собой почти чистый и беспористый оксид алюминия. Температура спекания 1800–1900 °С. Снижения температуры спекания керамики с высоким содержанием Al2O3 свыше 99 % до 1570–1630 °С удалось добиться введением добавки ZrO2 или HfO2. Для такой керамики предпочтителен вакуумный или водородный обжиг. Материалы применяются в качестве диэлектрика подстроечных конденсаторов СВЧ-диапазона и специальных высокотемпературных монолитных конденсаторов.

Материалы на основе силикатов магния и оксида магния находят широкое применение в электронной технике. Наиболее известны среди них стеатитовые материалы, основой которых является метасиликат магния MgO · SiO2. Благодаря малой абразивности и высоким электрическим свойствам эти материалы нашли широкое применение при изготовлении разнообразных установочных деталей радиоэлектронной аппаратуры (табл. 4.1).

72

Керамические материалы, обладающие повышенным, высоким и сверхвысоким значениями диэлектрической проницаемости ε, используют для изготовления конденсаторной, сегнето- и пьезоэлектрической керамики. Каждая из этих групп имеет свои технологические особенности и различается свойствами.

4.1.2. Конденсаторная керамика

Керамические конденсаторы – наиболее массовый вид электрических конденсаторов, применяемых в разнообразной электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре. Доля их выпуска в общем количестве конденсаторов, изготавливаемых в промышленно развитых странах, превышает 60 %, их производство составляет свыше 400 млрд штук в год, а темпы роста объемов выпуска велики.

Конденсаторная керамика весьма разнообразна. Массы для ее изготовления находятся в области составов систем: BaTiO3-BaSnO3, BaTiO3- BaSrO3, BaTiO3-CaZrO3, BaTiO3-La2O3-3TiO2 и др. Указанные соедине-

ния синтезируют из соответствующих оксидов высокой степени чистоты, что в производстве конденсаторной керамики играет исключительно важную роль, так как колебания содержания основного вещества и примесей даже в доли процента изменяют значения свойств более чем на 10–15 %.

Главный оксид, входящий в перечисленные выше составы, – это TiO2. Обладая повышенным значением диэлектрической проницаемости, является основным сырьем для изготовления конденсаторной керамики. Диоксид титана является синтетическим материалом, который получают химической переработкой содержащих титан руд – ильменита (FeTiO3), сфена (СaTiSiO5), перовскита (CaTiO3). Он существует в трех модификациях: анатаз, брукит и рутил. Устойчивой высокотемпературной формой является рутил, в который необратимо переходят анатаз и брукит. Для производства конденсаторной керамики используют специальную марку диоксида титана под названием конденсаторный, представляющего собой порошок с размером частиц 1–6 мкм, содержащего не менее 99 % TiO2.

Радиотехнике и электротехнике требуются керамические конденсаторы с широким номиналом емкости. Поэтому для их изготовления используют разнообразные материалы, отличающиеся диэлектрической проницаемостью и температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТKε (табл. 4.2).

73

Таблица 4.2

Некоторые электрофизические свойства кристаллических фаз конденсаторной керамики

Как видно, материалы имеют как положительное, так и отрицательное значение ТKε. Комбинируя различные кристаллические фазы, можно получить керамику, свойства которой при комнатной температуре изменяются в широких пределах: диэлектрическая проницаемость – от десятков единиц до 20 000, величина ТKε – от значений –3300±300 до 100±30, tgδ – от 0,0006 до 0,035, удельное объемное сопротивление при

этом должно составлять не менее 1 ГОм · м, электрическая прочность не менее 6–8 МВ/м, ТКЛР не более 12 · 10–6 К–1.

Наиболее ценными являются конденсаторы, которые имеют минимальные значения ТKε. Благодаря высокому значению свойств некоторых материалов появилась возможность резко снизить габариты и массу конденсаторов. Таковы, например, слоистые конденсаторы для микросхем с толщиной слоя диэлектрика ~20 мкм (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Структура многослойного керамического конденсатора (а) и изображение внутреннего среза конденсатора производства фирмы Murata (б)

74

Производство конденсаторов, как правило, двустадийное. На первой стадии осуществляют синтез необходимой фазы. Для этого исходные оксиды в виде тонкодисперсных порошков тщательно смешивают и обжигают в виде порошка и брикетов. Как правило, синтез идет в твердой фазе и полностью заканчивается при температурах 1100–1300 °С. В последнее время для получения исходных материалов стали применять химические методы, преимущество которых заключается в получении порошков высокой чистоты с заданным размером зерен. Последнее особенно важно для изготовления тонкопленочных конденсаторов для микросхем.

На второй стадии из синтезированных порошков приемлемым для данного изделия методом проводят формование. Обжиг производят при температуре от 1200 до 1350 °С в слабоокислительной среде. Восстановительная среда приводит к восстановлению содержащих титан соединений, что ведет к потере электроизоляционных свойств. Конденсаторы металлизируют серебром, платиной, палладием, их сплавами и другими металлами. Затем припаивают к ним выводы, после чего покрывают цветной эмалью.

4.1.3. Пьезоэлектрическая и сегнетоэлектрическая керамика

Сегнетоэлектрическая керамика получила свое название по подобию ее свойств с сегнетовой солью KNaC4H4O6·4H2O, у которой впервые была обнаружена резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости ε от напряженности электрического поля. Как правило, значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков велико и имеет максимум температурной зависимости в некоторой области температур.

Другой особенностью сегнетоэлектриков является наличие у них так называемого сегнетоэлектрического гистерезиса – явления отставания изменения поляризации от изменения напряженности электрического поля. Сегнетоэлектрики характеризуются тем, что в некоторой определенной для каждого вещества области температур у них существует спонтанная поляризация, т.е. самопроизвольная ориентация диполей, образующих электрический момент. Существование электрического момента связано с изменением структуры сегнетоэлектрика в точках фазового перехода. Температура фазового перехода является критической для появления или исчезновения спонтанной поляризации сегне-

75