2798

тали и масштаба производства. Для каждого конкретного случая процесс изготовления может несколько видоизменяться, но любая технологическая схема включает следующие основные операции: тонкое измельчение исходных компонентов и тщательное их смешивание; пластификация массы и образование формовочного полуфабриката; формообразование заготовок; сушка и спекание изделий (высокотемпературный обжиг). Обжиг керамических изделий является важным завершающим этапом технологического цикла. В процессе обжига, преимущественно в стадии нагрева, удаляется вода и происходит выгорание пластификатора, осуществляются химические реакции между частицами компонентов, вследствие чего образуются кристаллические и аморфные фазы. Механизм спекания сложен; как правило, он включает течение твердого вещества вследствие термически активируемых перемещений атомов компонентов. Температура, обеспечивающая спекание керамики, находится в пределах 1200-2000 оС и более в зависимости от видов исходных компонентов. В процессе обжига формируются заданные физические и электрические свойства материала. Поэтому процесс спекания происходит по строго заданному температурному и газовому режимам в окислительной, восстановительной или в нейтральной среде.

Неорганический характер керамических материалов придает им свойства, отличающие их от металлов и органических материалов. Керамические материалы стойки против высоких температур, воды и воздействия активных химических веществ, не горючи, не имеют остаточных деформаций и не стареют от длительной электрической и тепловой нагрузок, стойки к воздействию излучений высокой энергии. Они обладают хорошими диэлектрическими характеристиками при достаточной механической прочности - как и ситаллы, керамика относится к хрупким материалам.

Согласно ГОСТ 5458 «Материалы керамические радиотехнические» подразделяются на три типа А, Б, В и десять классов в зависимости от величины диэлектрической прони-

111

цаемости, температурного коэффициента диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и механической прочности. Керамические материалы типа А (классов I, II, III) – предназначенные для изготовления высокочастотных конденсаторов: материалы типа Б(IV, V) - низкочастотные для конденсаторов. Материалы типа В (VI-X классов) – высокочастотные для изготовления установочных деталей.

3.3.2. Конденсаторная керамика

Конденсаторная керамика отличается небольшим содержанием бесщелочной аморфной фазы. При этом кристаллические фазы формируются с условием получения наибольшего значения диэлектрической проницаемости ε, меньшего tgδ и определенной величины температурного коэффициента диэлектрической проницаемости ТКε.

Высокочастотная конденсаторная керамика (типа А)

подразделяется на классы в зависимости от величины температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Общие электрические свойства приведены в табл.3.3.

Таблица 3.3

Электрические характеристики высокочастотной конденсаторной керамики

Необходимо отметить, что высокочастотная керамика

112

с большой диэлектрической проницаемостью имеет и большее значение температурного коэффициента ε.

По величине ТКε высокочастотная керамика подразделяется на 3 класса.

Класс I имеет ТКε = (-3300÷-1500) 10-6К-1. Эта керамика синтезируется на основе соединений SrTiO3 и CaTiO3. Керамика этого класса имеет ε=130-250 и используется для изготовления конденсаторов, к которым не предъявляются высокие требования по температурной стабильности.

Класс II имеет ТКε=(-750÷-150) 10-6 К-1 и ε=30-65. Ке-

рамика этого класса предназначена для изготовления контурных термокомпенсирующих и разделительных конденсаторов. Керамика этого класса синтезируется на основе соединения титана кальция и цирконата кальция (CaTiO3 + CaZrO3). Кроме этой керамики широко используется соединение с высоким содержанием рутила TiO2 с небольшими добавками ZrO2 и MgO или ZrTiO3 (система ZrTiO3 - TiO2). На основе этих компонентов синтезируются керамики (тиконды) марок Т-40, Т-80, Т-150, Т-300 (цифра обозначает величину ε).

Для этих керамик высокое значение ε и снижение ее с ростом температуры (отрицательное значение ТКε) объясняется тем, что в рутиле на высоких частотах проявляется очень сильно электронная поляризация; в области низких частот (до 104 Гц) преобладающее влияние имеет ионно – релаксацион-

ная поляризация.

Класс 3 имеет ТКε = (-75 ÷ + 33) 10-6 К-1 и ε = 14 – 50 и используется для изготовления высокочастотных термостабильных конденсаторов. К этой группе материалов относятся станнатная керамика системы СаSnO3 - СaTiO3 и лантановая керамика системы LaAlO3 - СaTiO3.

Низкочастотная конденсаторная керамика (типа Б) характеризуется высокими и сверхвысокими значениями, большим значениям tgи пониженным значением электрической прочности (табл.3.4) по сравнению с высокочастотной кера-

113

микой. Кроме того, эта керамика обладает заметной температурной зависимость ТКε.

Керамика класса 1V обладает наименьшим значением tg и наибольшей электрической прочностью Епр среди низкочастотной керамики и предназначена для изготовления конденсаторов, работающих на частоте не более 104 Гц, импульсных конденсаторов и конденсаторов, работающих в цепях постоянного тока.

Керамика класса V применяется для изготовления низкочастотных разделительных и блокировочных конденсаторов, где необходима повышенная температурная стабильность.

Для получения этих керамик используют композиции на основе SrТiO3 + Bi2O3 + TiO2. Низкочастотные конденсаторы изготавливают на основе керамических сегнетоэлектриков Ba,Ca(Тi,Sn,Zr)O3 с различными примесями, диэлектрическая проницаемость ε которых доходит до 9000. Но эта керамика обладает нелинейной зависимостью ε от температуры и напряженности электрического поля.

3.2.3. Виды керамик, применяющихся при изготовлении установочных деталей РЭС

Эти материалы должны обладать высокими диэлектрическими параметрами (небольшой диэлектрической проницаемостью и малым значением tg ), высокой механиче-

114

ской прочностью, отсутствием пор в структуре, достаточной теплопроводностью и стойкостью к термоударам.

Алюминооксид представляет собой высокоглиноземистую керамику, получаемую по керамической технологии из оксида алюминия Al2O3 (глинозема) с добавлением определенного количества минерализаторов. Исходным сырьем является тонкодисперсный порошок глинозема, получаемый осаждением из щелочных растворов или разложением солей. Глинозем существует в виде низкотемпературной - модификации Al2O3 и высокотемпературной -модификации (корунда), которая образуется при предварительном обжиге при температуре 1300-1400 оС. Корунд обладает более высокими электрическими свойствами.

Для производства подложек толстопленочных гибридных интегральных микросхем и в технике СВЧ широко применяется алюмооксидная керамика марки ВК-94 (старое обозначение 22ХС). Керамика ВК-94 содержит 95 % глинозема

( -Al2O3), 2,5 % SiO2, 0,2 % BaO, 0,48 % CaO, 1,96 % MgO.

Этот материал обладает низкими диэлектрическими потерями в области радиочастот и при повышенных температурах, имеет высокую нагревостойкость и большую механическую прочность, хорошую теплопроводность, вакуумноплотен. В табл.3.2 приведены физико-механические и электрические показатели керамики ВК-4. Однако, эта керамика имеет неблагоприятные технологические характеристики: высокую температуру спекания (до 1750 оС), исходная керамическая масса непластична, обладает высокой абразивностью, что затрудняет механическую обработку сырых заготовок и шлифование обожженных деталей.

Таблица 3.5.

Физико-механические и электрические характеристики керамических материалов

115

116

Продолжение табл.3.5

117

Поликор (поликристаллический корунд) - это прозрачная корундовая керамика, обладающая плотной структурой (его плотность близка к теоретической плотности Al2O3. В отличие от алюминооксида поликор характеризуется высоким значением коэффициента пропускания света: 0,9 и более на 1 мм толщины изделия. Рост размеров кристаллических зерен и появление закрытых пор снижает прозрачность такой керамики. Для получения высокой прозрачности поликора применяют глинозем с высоким содержанием Al2O3 (99,7-99,9 %), а для торможения роста кристаллов в состав исходной массы вводят 0,1-0,3 % окиси магния. Поликор изготавливается по обычной керамической технологии из чистых оксидов, без применения глинистых компонентов; обжиг изделий производится в водородной среде или вакууме при температуре 1800-2060 оС. Благодаря высокой плотности и практическому отсутствию пор возможно обеспечить очень высокую чистоту поверхности при шлифовке и полировке. Стойкость к термоударам поликора выше, чем у алюмооксида и ситаллов.

Поликор применяется для изготовления подложек тонкопленочных гибридных интегральных микросхем, микроволновых подложек, для изготовления колб металлогалогенных ламп. Свойства поликора приведены в табл. 3.5.

Брокерит- керамический материал на основе окиси бериллия (95-99 % BeO). Основным достоинством этой керамики является высокая теплопроводность, равная примерно теплопроводности алюминия и более высокая, чем теплопроводность железа. Кроме того, брокерит выдерживает неоднородный по площади местный нагрев, когда поликор, а тем более ситалл и стекла разрушаются. Этот материал обладает достаточной механической прочностью и является хорошим диэлектриком. Эти достоинства позволяют применять его в качестве подложек особо мощных ВЧ и СВЧ гибридных интегральных микросхем. В табл. 3.5. приведены физикомеханические и электрические свойства брокерита. Недостатком брокерита является его высокая стоимость. Кроме того,

118

тонкодисперсная пыль окиси бериллия является токсичной, что требует соблюдения мер безопасности на всех операциях технологического процесса изготовления изделий, особенно при спекании и механической обработке.

Лейкосапфир - синтетический монокристаллический -корунд, получаемый из расплава Al2O3 при определенных условиях. Лейкосапфир или просто сапфир является одним из лучших диэлектриков современной техники. Он обладает

низкими диэлектрическими потерями - на частоте 106 Гц tg составляет 0,0001 и снижается в гигагерцовом диапазоне; удельное сопротивление составляет 1016 Ом м и снижается лишь до 106 Ом м при нагреве до 1000 оС. Лейкосапфир является лучшим материалом при получении гетероэпитаксиальных структур кремния, применяемых в производстве биполярных интегральных микросхем.

Цельзиановая керамика представляет собой синтезированное соединение BaO.Al2О3 2SiO2, называемое цельзианом. Исходными материалами являются углекислый барий (BaCO3) и каолин (Al2O3 2SiO2 2H2O). При обжиге керамических изделий при температуре 1380-1400 oС образуется кристаллическая фаза цельзиан и высокобариевое алюмосиликатное стекло. Характерными особенностями цельзиановой керамики являются низкий термический коэффициент линейного расширения и высокая электрическая прочность при высоких диэлектрических и механических параметрах. Некоторые показатели цельзиановой керамики марки ЦМ-6 приведены в табл. 3.5. Цельзиановую керамику применяют для изготовления каркасов высокостабильных катушек индуктивности и высокочастотных конденсаторов большой реактивной мощности.

Стеатитовая керамика синтезируется на основе талька (3MgO 4SiO2 H2O) и шихтовых компонентов (от 2% до 15 %); основной кристаллической фазой является клиноэнстатит (MgO SiO2). Эта керамика имеет следующие диэлектрические характеристики:

119

Стеатитовая керамика помимо электронной и ионной поляризации обладает и релаксационной поляризацией. В области температур от 20оС до 100оС в диапазоне радиочастот почти не изменяются, а при нагреве выше 100 оС эти показатели ухудшаются. Достоинством этой керамики является незначительная усадка при изготовлении деталей и малая абразивность исходных компонентов. Стеатит применяется при изготовлении небольших деталей с повышенной точностью размеров: высокоточные проходные изоляторы, опорные платы, детали корпусов полупроводниковых приборов и др.

3.4. Материалы для диэлектрических резонаторов

Диэлектрический резонатор (ДР) - электромагнитный резонатор, представляющий собой диэлектрическое тело определенной формы, накопление энергии в котором происходит за счет эффекта полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела сред. Основными параметрами материалов, применяемых для изготовления ДР, являются: относительная диэлектрическая проницаемость , тангенс угла диэлектрических потерь tg , температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТК , температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь ТК tg , температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР и добротность Q, зависящая не только от материала, но и от конструкции ДР и точности обработки.

Для ДР используют материалы с от нескольких еди-

ниц до нескольких сотен. Выбор материала с определенными

120