Оксидні електроізоляційні плівки

Як неорганічний електроізоляційний матеріал в електролітичних конденсаторах і елементах інтегральних схем, а також для ізоляції алюмінієвих проводів і стрічок знайшли широке застосування плівки оксидів алюмінію (А1₂О₃), танталу (Ta₂O₅), титану (ТiО₂), ніобію (Nb₂O₃) та інш.

Тонка неорганічна плівка може бути утворена двома основними способами:

1) в результаті|унаслідок| хімічної або електрохі­мічної| реакції поверхневого|поверхового| шару провідникового матеріалу,

2) шляхом осадження діелектрика на поверхню матеріалу.

Найширше застосовують оксидну ізоляцію в електролітичних конденсаторах. Як діелектрик в цих конденсаторах використовують наступні оксиди: А1₂О₃ ( 10, Enp = 400— 800 Мв/м); Ta₂O₅ ( 25, Enp = 400—500 Мв/м); Nb₂O₅ (  40, Enp400 Мв/м); TiO₂ ( l80, Enp  400 Мв/м). Оксидні конденсатори при малих розмірах і масі мають високу ємкість, завдяки малій товщині (до 1 мкм) діелектрика і значної діелектричної проникності. Оксиди кремнію, танталу, ніобію застосовують також для виготовлення тонкоплівкових конденсаторів, діелектриком в яких є плівка з цих оксидів, що наноситься методами вакуумної технології на провідну підкладку.

Алюмінієві дроти і стрічки, покриті пористою оксидною плівкою, отриманою анодуванням, застосовують як замінники обмотувальних мідних проводів із звичайними видами ізоляції. Вони мають високу нагрівостійкість (робоча температура досягає 600 °С), малу товщину оксидної ізоляції, високі теплопровідність і хімічну стійкість; процес ізолювання дешевий і простий. Недоліком такої оксидної ізоляції є її мала гнучкість і помітна гігроскопічність.

У напівпровідниковій технології для захисту р-n-переходів від дії навколишнього середовища (перш за все вологи і кисню) окрім лаків, емалей, компаундів, нітридних плівок застосовують плівки на основі оксидів алюмінію, титану і ін. Плівки для захисту р-п-переходів напівпровідникових кристалів окрім високих електроізоляційних властивостей повинні володіти малою хімічною активністю; мати хороше зчеплення з полірованою поверхнею напівпровідникового матеріалу: не викликати значної механічної напруги при різких змінах температури; зберігати захисні властивості в діапазоні температур від—60 °С до +400 °С.

Керамічні матеріали – неорганічні матеріали, які одержують спіканням сумішей з мінералів, неорганічних солей та оксидів металів. Будь-яка кераміка, включаючи й електротехнічну, – матеріал багатофазний, що містить кристалічну, аморфну та газову фази. Її властивості визначаються хімічним та фазовим складом, макро - і мікроструктурою, технологічними прийомами виготовлення.

Кристалічна фаза – основна; скловидна являє собою прошарки скла, котрі зв’язують кристалічну фазу; газова присутня в кераміці у вигляді пор, мікротріщин, котрі призводять до зниження механічних та електричних властивостей матеріалу. Керамічні матеріали характеризуються термостійкістю, вологостійкістю, механічною міцністю, високими діелектричними властивостями, стабільністю параметрів в експлуатації, можливістю отримання заздалегідь заданих електрофізичних параметрів матеріалу. Вони мають широке застосування в електротехніці та радіоелектроніці: як напівпровідникові, магнітні (ферити), сегнето- та п’єзоелектричні матеріали. Керамічні електроізоляційні матеріали стійкіші проти електричного та теплового старіння; металізація кераміки дозволяє здійснювати паяння з металом і герметизувати конструкції.

Перевагою кераміки перед іншими матеріалами є можливість отримання заздалегідь заданих еоектрофізичних параметрів матеріалу зміною початкового складу маси і технології виробництва виробів.

Високочастотна конденсаторна кераміка відрізняється високим вмістом кристалічної фази і невеликим змістом безлужної аморфної фази. Кристалічну фазу формують відповідно до температурного коефіцієнта діелектричної проникності, прагнучи набути найбільшого значення діелектричної проникності і низьке значення тангенса діелектричних втрат. У виробництві конденсаторів (рис.8) застосовують керамічні матеріали з високою ε (до 10000 і більше). Вибір матеріалу залежить від типу і призначення конденсатора. Для високочастотних конденсаторів, ємність яких звичайно невелика (менше 1000пФ), використовують матеріали з ε=10–100.

Н изькочастотна конденсаторна кераміка відрізняється високою діелектричною проникністю  (900—9800), відносно великими діелектричними втратами tg = 2х10^-3—5х10^-2, невеликим значенням електричної міцності (Eпр = 4—15 Мв/м). Ця кераміка виготовляється на основі твердих розчинів титанату і цирконату барії, ниобатів свинцю і стронцію.

Високочастотна настановна кераміка використовується як матеріал для виготовлення різних настановних деталей радіоелектронної апаратури, що працюють в полі високої частоти і разом з тим несуть механічне навантаження. діелектричних втрат і висока механічна міцність.

Виробляється також високотермостійка кераміка з інших чистих оксидів: оксид берилію ВеО, магнію МgО, цирконію ZrO₂, торію ThO₂ і деяких інших. Ряд оксидів має також незвично високу теплопровідність ( оксид берилію проводить тепло краще, ніж металічний берилій). Кераміка з чистих оксидів відрізняється високими електрофізичними, теплофізичними і механічними властивостями; зокрема прозора кераміка на основі оксидів ітрію, магнію, цирконію.

Крім кераміки оксидної, використовуються безоксидні керамічні матеріали – нітриди, карбіди, силіциди, бориди та їх композиції. Високими електроізоляційними властивостями при високих температурах визначаються нітриди кремнію Si₃N₄, бору BN, алюмінію AlN та композиційні матеріали на їх основі.

Завдяки найкращим серед нітридів електроізоляційним та теплофізичним властивостям широке застосування в мікроелектроніці знайшов нітрид бору BN.

Ф арфор з початку розвитку електротехніки і до теперішнього часу є одним з основних матеріалів для виробництва настановних деталей загального призначення (розеток, патронів електричних ламп тощо). Складається в основному з силікатів алюмінію. До числа найцінніших його властивостей ставиться висока стійкість до атмосферних впливів, позитивним і негативним температурам, до впливу хімічних реагентів, високі механічна й електрична міцність, дешевина вихідних компонентів. Це визначило широке застосування фарфору для виробництва ізоляторів (Рис.10).

Радіофарфор має в своєму складі важкий оксид ВаО. Застосовується для виготовлення каркасів, лампових панелей, антенних ізоляторів.

Слюда належить до найстаріших електроізоляційних матеріалів і тепер широко застосовується в електротехніці та радіоелектроніці. Являє собою природний кристалічний матеріал, що має шарувату структуру,за хімічним складом належить до класу силікатів; (рис.11). Слюда легко розщеплюється на тонкі пластини по паралельних площинах (рис.12). Структура слюди показана на рис.13.

С люда відзначається високими електроізоляційними властивостями, термічною стійкістю, механічною міцністю, гнучкістю,прозорістю(в тонких шарах),різко виявленою анізотропією (властивості впоперек і вздовж площин розщеплення істотно відрізняються). Відомо близько 30 видів слюди, які відрізняються хімічним складом, однак як діелектрик застосовують лише мусковіт К₂О∙3Al₂O₃∙6SiO₂∙2H₂O і флогопіт К₂О∙6Mg O∙Al₂O₃∙6SiO₂∙2H₂O. Мусковіт має кращі електроізоляційні властивості, механічно міцніший за флогопіт. З кращих сортів мусковіту виробляють конденсаторну слюду та телевізійну – прямокутні пластинки та деталі електронних приладів. Слюдяні конденсатори складаються з пакету діелектричних пластин (слюда) I завтовшки близько 0,04мм, на які напилені металізовані обкладенки 2, що сполучаються в загальний контакт смужками фольги 3 (рис. 14). Зібраний пакет спресовується обтиском 4, до яких приєднуються гнучкі виводи 5, і покривається вологозахисною емаллю. Кількість пластинів в пакеті досягає 100.Зовнішній вигляд таких конденсаторів наведений на рис.15.

.

Найбільшу кількість слюди у вигляді клеяних з слюди листових та стрічкових матеріалів (міканіту, мікастрічки та ін.) застосовують як ізоляцію електричних машин високої напруги та великої потужності (слюда практично не старіє).

Флогопіт термічно стійкіший; допустима робоча температура, яка обмежується виділенням кристалізаційної води, для флогопіту складає 800-900°С, для мусковіту 500-600°С. Крім мінеральної застосовується також синтетична слюда фторфлогопіт, у якої вода заміщена фтором. Фторфлогопіт має кращі електричні параметри, термічно та хімічно стійкішій, ніж звичайний флогопіт; витримує зміну температури від –70 до +1000°С. Через відносно високу вартість застосовується обмежено, наприклад, для виготовлення вікон хвилеводів, лічильників частот високої енергії, конденсаторів з високою робочою температурою.

Активними діелектриками називають такі діелектрики, властивостями яких можна управляти за допомогою зовнішніх чинників|факторів| і використовувати ці чинники|фактори| для створення|створіння| функціональних елементів електроніки. Найчастіше активні діелектрики класифікують згідно|згідно з| фізичним ефектам, використовуваним для управління властивостями матеріалів. Тобто|цебто| можна виділити сегнето-|, пьєзо-|, піроелектрики|, електрети.| Але|та|, хоча така класифікація є|з'являється| логічною, дуже нелегко відокремити|відділити| одну групу матеріалів від інших. Це пов'язано з тим, що велику кількість активних діелектриків мають високу чутливість по відношенню до декількох видів енергетичних дій. Найбільшу універсальність властивостей мають сегнетоэлектрики|. Вони можуть мати властивості пьезо-|, піроелектриків|, електретів|, нелінійно-оптичних матеріалів.

Основними напрямами використання сегнетоелектриків є наступні:

• Низькочастотні конденсатори з|із| великою питомою ємкістю|місткістю|.

• Варіконди (Рис.15).

• Пьєзоелектріки. Сегнетоелектрики використовують згідно прямому і зворотньому пьєзоэфекту. Нарис.16 приведена схема структури кварцу: проекції іонів Si⁺ і О^- на площину, перпендикулярну осі третього порядку. Червоні кулі відповідають іонам Si⁺, світлі, — парі іонів О^-; а, — недеформований стан; б — стиснення кристалу; у — розтягування.

Рис.16. Варіконд ВК2-3Ш Рис.17. Структура кварцу

• Піроелектрики використовують як перетворювачі теплової енергії в електричну.

П'єзоелектричні властивості мають багато речовин, але практично використовуються тільки деякі. Перш за все, це кварц (SiО₂).

Якщо узяти плоскопаралельну пластину кварцу, нанести на її бічні поверхні металеві електроди і помістити в утримувач, то матимемо п'єзоелектричний резонатор з певною резонансною частотою. Остання залежить від товщини пластини і напряму кристалографічного розрізу. Перевагою кварцевих резонаторів є дуже велика добротність (до 10⁶-10⁷), що забезпечує високу частотну вибірковість кварцевих резонаторів. Такі резонатори використовують для стабілізації частоти генераторів, як фільтри.

Значну конкуренцію кварцу, перевершуючи його по добротності на великих частотах, представляють ніобат і танталат літію (LiNbО3 і LiTaО3). Дуже широко поширена, як пьезоелектрик, сегнетокерамика (пьезокерамика). Її виготовляють на основі твердих розчинів PbZrО₃ - PbTiО₃ і обов'язково поляризують в сильному електричному полі.

Такі матеріали використовують для побудови|шикування| потужних ультразвукових випромінювачів для дефектоскопії, механічної обробки матеріалів, гідроакустики. З|із| пьєзокераміки| виготовляють мікрофони, телефони, гучномовці, датчики тиску|тиснення|, деформації, прискорень. Подвійне перетворення енергії використовують для фільтрів, ліній затримки і

п’єзотрансформаторів (рис.18)|.

Останні дозволяють отримувати|одержувати| велику напругу|напруження| і використовуються для живлення|харчування| електронно-променевих трубок|люльок|, лічильників Гейгера і ін.

Активні елементи оптичних квантових генераторів

Рубін коштовний камінь червоного або рожевого|трояндового| кольору|цвіту|, дуже твердий, тугоплавкий, хімічно інертний, з|із| високими оптичними| властивостями (показником заломлення). Природні рубіни | невеликі і можуть бути різної форми і розмірів (рис. 19).

Рис.18. П’єзотрансформатор

В оптичних квантових генераторах випромінювання лазерах, як активне тіло застосовують штучні рубіни, достатньо великі монокристали А1₂О₃ в яких частина іонів алюмінію Аl³⁺ заміщена іонами хрому Сг³⁺. Кількістю хрому визначається колір рубіна. Рожевий рубін містить близько 0,05 мас.%, червоний—0,5 мас.% хрому. Для активних елементів оптичних квантових генераторів застосовують рожевий рубін (рис. 19. Кристал рубіна володіє оптичною анізотропією і має майже кубічну симетрію, декілька спотворену уздовж однієї з просторових діагоналей, внаслідок чого дійсна симетрія кристала — ромбоедрична.

Штучні кристали рубіна зазвичай вирощують в печах по методу Вернейля. По цьому методу ретельно размельченный порошок окислу алюмінію з добавкою Сг₂О₃ поволі падає в полум'я воднево-кисневого пальника. Окремі частинки порошку, проходячи через полум'я, розплавляються і потім кристалізуються на кристалі приманки. Отриману заготівку відпалюють, а потім обробляють, надаючи їй необхідну форму і розміри. Високоякісні кристали рубіна можуть бути отримані і методом витягування з розплаву.

Рубін є найбільш освоєним в лазерній техніці (рис.20) монокристалом, придатним для збудження когерентного випромінювання (рс.21). Окрім|крім| рубіна як матеріали робочих елементів лазера використовують ітрийалюміньовий| гранат (ІАГ), легований неодимом. У нього низька порогова енергія збудження при кімнатній температурі, висока механічна міцність і хороша|добра| теплопровідність, що забезпечує його надійність в лазерах, що працюють в безперервному і високочастотному режимах.

Слід зазначити, що|слід відзначити , що| створення|створіння| оптичних кристалів з|із| однорідним розподілом домішок|нечистот| як по перетину, так і по довжині кристала представляє|уявляє| значну технологічну трудність і вартість їх досить висока.

Електрети. Электретом називають діелектрик, що тривало зберігає поляризацию і електричне поле, що створює в просторі, що оточує його, тобто электрет є формальним аналогом постійного магніта

Як електретні матеріали можуть бути використані як органічні, так і неорганічні діелектрики. До неорганічних электретів насамперед відносять електрети з кераміки, які по ряду своїх властивостей ( = 10¹⁰ - 10¹² Ом/м ) представляють інтерес для промислового використання. Електрети з кераміки виготовляють з керамічного матеріалу на основі TiO₂; на основі CaTiO₃; на основі SrO –на основі BaTiO₃, MgTiO₃, ZnTiO₃, SrTiO₃ і деяких інших. Найбільшим і найбільш стійким зарядом є електреты з CaTiO₃.

У групу неорганічних електретів| входять також електрети|, що виготовляються з|із| ситалів| і різних стекол, наприклад кварцевого, малолужних|лужних| боросилікатних| і ін.

Електрети можуть бути використані для виготовлення мікро­фонів (рис.22)|, вимірювання|виміру| механічних вібрацій, дозиметрів радіації, вимірників атмосферного тиску|тиснення| і вологості|вогкості|, електрометрії, в електростатичних вольтметрах, в електрофотографії і в багатьох інших випадках.

Рис.22. Будова електретного

мікрофона