§ 7.2. Технология важнейших керамических материалов

Установочная керамика

Особенности технологии установочной керамики рассмотрим на примере важнейших материалов, предназначенных для изго­товления подложек микросхем. К ним в первую очередь отно­сятся керамики на основе оксида алюминия и оксида бериллия. Среди неоксидных материалов перспективной является керамика на основе карбида кремния.

Большинство мощных микросхем изготовляются на керамиче­ских подложках из оксида алюминия: высокоглиноземистая кера­мика 22ХС (96 % Аl₂О₃ ) и поликор (99,7 % Аl₂О₃ ).

Различают несколько полиморфных модификаций оксида алю­миния: α-, β- и -γ-А1 ₂О₃ . α-А1₂О₃ , корунд, главная кристаллическая фаза изделий из керамики на основе оксида алюминия, относится к тригональной сингонии, плавится при температуре 2050 °С

В керамических материалах, содержащих до 96—98 % А1₂О₃ , в качестве добавок, интенсифицирующих спекание, используются минерализаторы—стекла на основе SiO₂, обеспечивающие жидко-фазное спекание.

В алюмоксидной керамике, содержащей более 99 % А12О3, например поликоре, обычно используют минерализаторы без стеклообразователей. Они интенсифицируют спекание керамики в твердой фазе. Наиболее распространенной добавкой такого рода является MgO (до 0,3 % маc.), не оказывающая влияния на ди­электрические и вакуумные свойства спеченной керамики.

Керамика брокерит

Бериллий

Карбид кремния

Формование заготовок осуществляют всеми методами керами­ческой технологии. Спекание керамики производят в диапазоне температур 1700—2300 °С. В качестве спекающих добавок исполь­зуются Сг, В, Be, Ti, A1, С, Si и их соединения, а также порошки метастабильной модификации p-SiC. Подложки для интегральных микросхем с наилучшими электрофизическими параметрами из­готовляют горячим прессованием (давление >5-10⁷ Па, температу­ра 2100 °С) субмикронных порошков β-SiC с добавками до 2 % ВеО.

Конденсаторная керамика

Требования, предъявляемые к конденсаторной керамике, в об­щем виде формулируются следующим образом:

наибольшая диэлектрическая проницаемость при заданном зна­чении ее стабильности при изменении температуры, частоты, на­пряженности электрического поля и т. д.

минимальные диэлектрические потери;

максимальные электрическая прочность и удельное объемное сопротивление;

высокая устойчивость к электрохимическому старению;

однородность материала и воспроизводимость свойств;

малая стоимость и доступность исходного сырья.

Рассмотрим особенности технологии получения керамических материалов диэлектрика конденсаторов на примере сегнетокера-мики.

Сегнетокерамические материалы для конденсаторов могут быть разделены на три группы:

1.материалы с максимальной диэлектриче­ской проницаемостью (группа Н-90),

2.материалы с повышенной тем­пературой стабильностью диэлектрической

проницаемости (группы H-50, Н-30 и др.) и

3.материалы с пониженными диэлектрическими потерями (материал Т-900).

Рис. 7.16. Температурная зависимость диэлектрической проницае­мости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ керамики на основе ВаТiO₃ :

1 — ромбоэдрическая фаза

2 — ромбическая; 3 — тетрагональная; 4 — кубическая

Повышение рабочего значения ε и увеличение ее стабильности при изменении температуры осуществ­ляют на основе следующих принципов: в керамику на основе тита­ната бария вводят добавки, понижающие температуру Кюри и вы­зывающие размытие максимума диэлектрической проницаемости при фазовом переходе (этот принцип используется при получении керамики на основе однофазных твердых растворов); в керамике создают две (или более) отличающиеся по свойствам фазы, приводя­щие к сглаживанию температурной зависимости ε.

Низкочастотная установочная керамика применяется для изготов­ления разнообразных низковольтных и высоковольтных (с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока) изоляторов: штыревых и подвесных, опорных и проходных, а также для изготовления различных установочных деталей, исполь­зуемых в цепях низкой частоты: плавкие предохранители, ламповые патроны, детали штепсельных розеток, вилок и т.п. В отличие от других видов керамики обладает более низкими электрическими и механическими свойствами, но имеет преимущество: из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации, используя простые технологические процессы и малодефицитное сырье.

Основным представителем низкочастотной установочной кера­мики является электротехнический фарфор. В состав обычного электрофарфора входят: глины ~50% (каолин — очень чистая высо­кокачественная светлая глина и огнеупорная глина, которые явля­ются водными алюмосиликатами с химическими формулами Al₂O₃ -2SiO₂ -2H₂O, Al₂ O₃-2SiO₂ -4H₂O и др.), кварц SiO₂ (~25%) и по­левой шпат (-25%), представляющий собой безводные алюмосили­каты, содержащие катионы щелочных (Na⁺,K⁺ ) и щелочноземель ых -(Са²⁺⁾ металлов, например Na₂O-Al ₂O₃ -6SiO₂ , CaO-Al₂ O₃ -2SiO₂ . Полевой шпат является главным поставщиком окислов Na, К, Р Mg, Ca и др. Na₂O снижает температуру обжига и вязкость стёклофазы фарфора, но существенно ухудшает его электрические свойства.

Кристаллическая структура электрофарфора состоит из муллита ЗА1₂0₃ -2SiO₂ с неплотной упаковкой решетки ионами и кварца SiOa — с плотной упаковкой решетки ионами. В промежутке между кристаллитами находится стекловидная масса, образованная глав­ным образом в результате плавления полевого шпата. Электротехни­ческий фарфор содержит примерно 70% SiO₂, 25% А1₂О₃ и 5% других окислов (К₂ О, Na₂ O, CaO, Fe₂O₃ и пр.).

Электрофарфор имеет плотность 2300—2500 кг/м3, ТКЛР = (3— 6)-10^-6К^-1, σс = 400-500 МПа, σр = 35-55 МПа, σи = 80-100 МПа, σуд= 1,8—2,2 кДж/м². Электрические свойства при нормальной тем­пературе и низких частотах удовлетворительны — ε = 5—7; р=10¹¹—10¹² Ом*м (при 20°С) Ир= 10⁷-10⁸ Ом*м (при 100°С); tgδ =(25-35)*10^-3 (при 20°С) и tgδ = 0,12-0,15 (при 100°С); Епр = 25-30 кВ/мм. Изменяя состав фарфора, можно улучшать его основные параметры. В настоящее время широко распространен электрофар­фор с повышенным содержанием кварца и глинозема (А1₂О₃ ).

С повышением температуры электрические свойства электро­фарфора существенно ухудшаются главным образом за счет стеклофазы. Электрические и механические свойства также значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения при температуре 100°С и выше. У подвесных изоляторов ЛЭП пере­менного тока, проработавших 20—30 .лет, наблюдаются потускнение глазури и краев шапки, т.е. в местах, наиболее подверженных дейст­вию короны, и появление на глазури микротрещин.

Низкочастотная конденсаторная керамика характеризуется высо­кими и сверхвысокими значениями диэлектрической проницаемости (ε = 900—9800), относительно большими диэлектрическими потеря­ми (tgδ = 2*10^-3—5*10^-2 ) и небольшими значениями электрической прочности (Епр = 4—15 кВ/мм). Она применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов (ƒ < 10 кГц) и конденсаторов, ис­пользуемых в цепях постоянного тока, а также конденсаторов разде­лительных и блокировочных.

Эту керамику получают путем синтеза чистых окислов стронция, висмута, титана, олова и небольших добавок окислов цинка и мар­ганца. Основу СВТ (Sr-Bi—Ti) керамики марок Т-900, М-900 и Т-1000 составляют титанаты стронция SrTiO₃ и висмута Bi₄ Ti ₃O ₁₂ .

Высокочастотная установочная керамика представляет наиболее обширную группу керамических материалов, применяемых в ра­диоэлектронике, и охватывает ряд керамических материалов с по­вышенными электрическими и механическими свойствами. Ис­пользуют ее для изготовления различных установочных деталей, работающих в поле высокой частоты и одновременно несущих ме­ханическую нагрузку, например каркасов катушек индуктивности, элементов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных схем, проходных изоляторов, опорных плит, подложек, изолирую­щих колец, для вакуумно-плотных спаев с металлами и т.п. Некото­рые виды этой керамики применяют при изготовлении конденса­торов.

Высокочастотная установочная керамика имеет высокое элек­трическое сопротивление, низкие диэлектрические потери в области высоких частот, малую зависимость потерь от температуры и часто­ты, высокую механическую прочность. Ее электрические свойст­ва в зависимости от химического состава имеют следующие зна­чения: ε = 5-9,8, р= 10¹⁴-10¹⁷Ом*м, tgδ = (1-20)*10^-4 при 1 МГц; Eпр = 20-45 кВ/мм.