1.2 Ситалл ст50

Для маломощных ГИС можно применять бесщелочные боросиликатные стекла, а также ситаллы. По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопроводность, что не позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности. Ситалл имеет ряд преимуществ перед стеклами. Он хорошо обрабатывается, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким электрическим сопротивлением и по механическим свойствам в 2 – 3 раза прочнее стекла. Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот (кроме HF) и щелочей. Кроме того доступность сырья и простая технология обеспечивают невысокую стоимость изделий.

В отличие от большинства высокопрочных кристал­лических материалов ситалл хорошо обрабатывается. Его мож­но прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центро­бежным способом. Температура деформации ситалла выше, чем температура начала размягчения исходного стекла. Ситалл выдерживает резкие перепады температур в воздушной среде: от — 60° С до + 700° С. Он обладает высоким элект­рическим сопротивлением, которое несколько уменьшается с повышением температуры. По электрической прочности ситалл не уступает лучшим образцам вакуумной керамики. Ситалл имеет высокую сопротивляемость исти­ранию, обладает высокой химической стойкостью к кисло­там.

Для мощных ГИС применяют керамику поликор, а для особо мощных ГИС – бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность. Недостатком керамики является значительная шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. По этой причине керамику используют только для толстопленочных ГИС. Увеличение класса чистоты обработки поверхности путем глазурования керамики слоем бесщелочного стекла приводит к значительному уменьшению теплопроводности.

Ситал­лы марок СТ32, СТ38, СТ50 (цифра обозначает значение ТКЛР) в виде полированных пластин толщиной 0,5... 1 мм являются основным материалом подложек тонкопленочных ГИС.

2 Разработка технологического маршрута

2.1 Получение сырья

Ситаллы изготовляют на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации.

В процессе кристаллизации стекла наиболее существенно изменяются следующие его свойства:

1) Растет механическая прочность, особенно это заметно при испы­тании на изгиб. Причина состоит в том, что поверхностные трещи­ны, наталкиваясь на кристаллиты, не могут развиваться так ин­тенсивно, как в стекле.

2) Повышается нагревостойкость и температура начала дефор­мации, так как диапазон температур размягчение-плавление зна­чительно сужается по сравнению со стеклами.

Термин «ситалл» образован из слов: стекло и кристалл. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и техно­логии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и' керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов — более мелкозернистой и однородной микрокристал­лической структурой.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят окислы Li₂O, Аl₂О₃, SiO₂, MgO, CaO и др.; кроме того, добавляются катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К ним относятся соли светочувствительных металлов Au, Ag, Си или фтористые и фосфатные соединения и др. Нуклеаторы добавляют при плавлении стекольной шихты, далее расплав охлаждают до пластичного состояния, а затем формируют из него изделия методами стекольной технологии, после чего производится кристаллизация.

В зависи­мости от способа получения ситаллы делятся на фотоситаллы и термоситаллы.

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами — коллоидными красителями. В расплавленном стекле (Т_пл = 1250 — 1600° С), нуклеаторы находятся в виде ионов, выделяющихся из соответствующих окислов. Центрами кристаллизации являются мельчальшие частицы металлов. При фото­химический реакции стекло облучают ультрафиоле­товыми или рентгеновскими лучами. При термообработке происходит рост и образование кристаллов вокруг металлических частиц. Необлученные участки остаются аморфными после отжига.

Процесс кристаллизации происходит в следующем порядке: вначале при температурах, близ­ких к Т_c, происходит образование центров кристаллов, которые растут до опреде­ленных размеров и вызывают кристаллизацию других фаз в стекле. В результате образуется жесткий кристаллический каркас, пре­пятствующий деформированию изделия и позволяющий вести даль­нейший процесс при более высокой температуре (900—1100° С). На этой стадии изделия полностью и равномерно закристаллизо­вываются.

Термоситаллы получаются из стекол, используя оксиды или фториды NiO₂, P₂O₅, NaF. Стекломассу подвергают двух ступенчатой термообработке. На первой ступени обработки образуются и растут центры кристаллизации, создающие упрочняющий изделие каркас, при температуре равной 500 – 700 градусов Цельсия. На второй ступени при более высокой температуре (900 – 1100 градусов Цельсия) происходит окончательная кристаллизация стекла. Когда процесс кристаллизации закончен, детали охлаждают до комнатной температуры.

Структура ситаллов многофазная, состоит из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекло­видной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95%. Размер оптимально развитых кристаллов обычно не превышает 1—2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40%).

Структура и состав ситаллов определяют их свойства: они не пористы, малочувствительны к поверхностным дефектам, обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температу­рах. Ситаллы относят к хрупким материалам, по твердости они приближаются к стали.