16. Керамические диэлектрические материалы. Конденсаторная, установочная керамика и керамика для подложек микросхем. Требования, предъявляемые к конденсаторной керамике.

В электронной технике, радиотехнике и; приборостроении применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляци­онные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управ­ляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 7.1).

Электроизоляционные материалы используют для создания элект­рической изоляции, которая окружает токоведущие части электричес­ких устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструк­ции, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения емкости, а в некоторых случаях обеспечивает оп­ределенный характер зависимости этой емкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (емкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т. д.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электричес­кой изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (напри­мер, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие пленки). Тем не менее, требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционно­го материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную ε и малое значение tgδ. Роль диэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электри­ческой схеме.

Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физи­ческих процессов и генерации колебаний. В классификационной схеме рис. 7.1 управляемые диэлектрики в свою очередь подразделены по принципу управления.

7.11. КЕРАМИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Керамикой называют неорганические материалы, полученные пу­тем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом боль­шинства видов керамики являются глинистые вещества. Отсюда произошло и название материала — «керамикос» (от греч. — глиня­ный).

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электри­ческими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низко­частотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т.п. Керамические материалы облада­ют свойствами не только диэлектриков, но и полупроводников (некоторые простые оксиды и сложные оксидные системы), ферро­магнетиков (ферриты), проводников (в разрывных сильноточных контактах). В сравнении с органическими диэлектриками керами­ка, как правило, имеет более высокую стойкость к электрическому и тепловому старению и при длительной механической нагрузке в ней не возникает пластической (остаточной) деформации.

Керамика представляет собой трехфазную систему. Основной Фазой являются хаотически разбросанные кристаллические зерна; вторая фаза — это стекловидная (амфорная) прослойка, которая связывает (цементирует) кристаллические зерна и содержит основное количество щелочных металлов, входящих в состав керамики; третья фаза - это поры, объем которых у плотной керамики составляет 2-6%, а у пористой (имеющей поры, сообщающиеся между собой и поверхностью изделия) — 15—25%. Объем, занимаемый поликристаллической фазой, и размер зерен зависят от сорта керамики, технологии ее изготовления, вводимых добавок и т.п. Обычно размер кристаллических зерен составляет несколько микрометров и меньше. По типу кристаллические структуры могут быть с плотной и не плотной упаковкой решетки ионами, чтo определяет виды поляризации виды диэлектрических потерь керамики.

Электрофизические свойства керамики формируются всеми тремя фазами При этом диэлектрическая проницаемость связана в основном процессами, протекающими в кристаллических зернах, электропроводность - в амфорной фазе, диэлектрические потери — как в кристаллических зернах, так и в амфорной фазе, электрическая и механическая прочность зависят от размера пор, химического состава и размера кристаллических зерен.