Классификация диэлектриков по видам поляризации

По видам поляризации делятся на 4 группы:

• Диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией (например: неполярные и слабо полярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состоянии: парафин, сера, полистирол, а так же неполярные и слабо полярные газы и жидкости: бензол, водород)

• Обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационными поляризациями органические полужидкие и твердые вещества, например: эпоксидные смолы, маслено-конефольные компаунды, целлюлоза, некоторые хлорированные углеводороды)

• Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационными поляризациями. В этой группе выделяются еще две подгруппы: диэлектрики с электронной и ионной поляризацией и диэлектрики с ионной, электронной и релаксационной поляризацией. К первой подгруппе преимущественно относятся кристаллические вещества с крупной упаковкой иона: кварц, слюда, каменная соль, корунд, ко второй: неорганические стекла, фарфор, и кристаллические вещества с некрупной упаковкой.

• Сегнето-электрики, характеризующиеся спонтанной электронной и ионной поляризациями. Это сегнетова соль, титанат бария.

Диэлектрические потери

Диэлектрические потери - мощность рассеивания диэлектриков при воздействии на него электрического поля и вызывающая нагрев диэлектрика. Потери энергии в диэлектриках обусловлены протеканием в них двух видов активных токов: сквозного (объемного и поверхностного) и тока абсорбции, диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью отнесенной к единице объема или удельными потерями. Чаще для оценки способностей диэлектрика рассеивать мощность в диэлектрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90 градусов, угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90 градусов, при этом угол диэлектрических потерь будет равен 0. Не допустимы большие потери в электроизоляционном материале, так как они вызывают большой нагрев изготовленного изделия, и может привести к тепловому разрушению.

Вспомогательные материалы

Вспомогательными называются материалы, которые не входят в состав изделия, но используются при его изготовлении. Как правило, для различных приспособлений оснастки. В термических установках и нагревательных приборах используют асбест и асбестовые материалы, графит. Детали из поропласта применяют в качестве амортизаторов, звука и теплоизоляторов, фильтров. Кварц используется при проведении диффузии и выращивание монокристаллов полупроводниковых материалов из расплавов в виде ампул, лодочек, тиглей. Из органического стекла изготавливают технологическую тару для транспортировки и перевозки деталей полупроводниковых приборов, а так же кристаллов с pn переходами. Винипласт, фторопласт, полиэтилен используют для работы в агрессивных средах. В термических процессах, таких как диффузия, сплавление, эпитаксия применяются алундовые и корундовые материалы. Рассмотрим основные электрофизические свойства этих материалов.

Асбестовые материалы. Благодаря высокой прочности, эластичности, огнеупорности, низкой тепло и электропроводности используется в качестве прокладок и для изготовления деталей установок работающих при повышенных температурах. Различают текстильные, листовые и асбестоцементные асбестовые материалы. К текстильным материалам относят асбестовые нити и пряжу, теплоизоляционные ткани, состоящие из 80% асбеста и 20% хлопка. Асбестоцементные материалы состоят из смеси асбеста и цемента, взятых в определенных соотношениях. Графит – это кристаллическая решетка, аллотропическая форма углерода (углерод как простое вещество известен в виде трех аллотропических видоизменений: алмаза, графита и аморфного углерода). Известен ряд способов получения искусственного графита, термической перекристаллизации углей при температуре 2200-2500С^о. Искусственные графиты имеют очень чистый состав, поэтому во многих случаях им отдают предпочтение перед природными. Плотность 3.2гр/см³, температура плавления 3700С^о. С увеличением температуры прочность графита повышается, на воздухе он горит при температуре более 600 С^о, он не растворяется в органических растворителях. Серной, соляной и плавиковой кислотами и с царской водкой не взаимодействует ни при каких температурах. Сконцентрированной азотной кислотой вступает в реакцию, со щелочами не взаимодействует, графит хорошо поддается механической обработке. Графит применяют в производстве полупроводниковых приборов, в качестве технологичной оснастки. Изделия из графита можно использовать только в среде инертного газа или в вакууме при температурах 2200С^о, а в среде кислорода и двуокиси углерода при температуре до 500.

Полимерные материалы. Полимером называется органическое вещество длины, молекулы которого построены в одинаковых многократно повторяющихся звеньев мономеров. По происхождению полимеры делятся на три группы: природные образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержится в древесине, шерсти и кожи, это протеин, целлюлоза, крахмал, латекс. Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения, очистки, модификации при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки являются полимеры. Примеры: натуральный каучук, изготовленный из латекса. Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифицировать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи. Рассмотрим наиболее часто применяемые полимерные материалы. Поропласт - это легкий, газонаполненный, эластичный материал, получаемый взаимодействием сложного полиэфира П-2200, активатора, эмульгатора и стабилизирующих добавок. Материал сваривается с поливинилхлоридной пленкой, токами высокой частоты. Сохраняет свои свойства в интервале температур от 15-100С^о, не гигроскопичен, стоек к действию бензина и смазочных масел. Определенные сорта пролопласта тропикоустойчивы. В зависимости от плотности и пористости выпускается пролопласт в виде гладких или листов прямоугольной формы следующих марок ППУ-Э-25-18, ППУ-Э-25-32. Первые буквы обозначают состав: пролопласт полиулиталовый, Э означает эластичный, первая цифра соответствует средней плотности в кг/м³, а вторая цифра средней пористости в мм. Полистирол - это гранулы размером 4-5 мм - это продукт сополимиризации стирола с каучуком. Благодаря введению различных добавок приобретает специальные свойства: ударопрочность, повышенную теплостойкость, антистатические свойства, атмосферостойкость, пенистость. Недостатки: хрупкость, низкая устойчивость к органическим растворителям, даже в парах спирта он набухает. В полупроводниковом производстве полистирол используют для изготовления литьевых деталей в виде дисков, которые запрессовывают исследуемые полупроводниковые структуры с pn переходами. Что позволяет выполнять поперечные шлифы активных и пассивных элементов и проводить анализ структур, а так же выявлять дефекты и микротрещины. В электронике он находит применение для герметизации изделий, когда надо обеспечить минимальные механические напряжения, создать временную изоляцию от воздействия тепла, излучаемого другими элементами, например в бортовой СВЧ аппаратуре.

Полиэтилен – это полимер с чрезвычайно высоким набором свойств, называемый «король пластмасс». Обладает высокой стойкостью против химической деструкции, даже за 10-12 лет эксплуатации прочность его снижается лишь на 1/4 благодаря химической частоте и неполярному строению полиэтилен обладает высокими диэлектрическими свойствами. Его удельное сопротивление 10¹⁴-10¹⁶ Ом/см. В сочетании с высокими механическими и химическими свойствами нашел место в электротехнике, особенно для изоляции проводов и кабелей. Один из основных методов изготовления изделий из полиэтилена это литье под давлением при температуре 150-180С^о. Сварка полиэтилена основана на его свойстве переходить в вязкое состояние и свариваться при небольшом давлении при температуре ~250С^о. В производстве полупроводниковых приборов его применяют как соединительные шланги в установках для очистки воды и газов, полиэтиленовые трубы, кроме того из полиэтилена изготавливают посуду для хранения и транспортировки жидких неорганических химикатов.

Фторопласт (политетрафторэтилен) - один из самых термостойких и холодостойких полимеров. Температура разложения не менее 673К. Высокая химическая стойкость, в том числе к воздействию морского тумана и солнечной радиации. По отношению к большинству неорганических и органических реактивов он пассивен на столько, что методы испытаний на стойкость в этих средах отсутствует. Фторопласт обладает также высокой радиационной стойкостью и применяется для изоляции проводов на атомных электростанциях. Так же провода можно использовать в качестве нагревателей, погруженных непосредственно в растворы щелочей и кислот. Они не боятся попадания масел, керосина, гидравлических жидкостей при повышенных температурах и широко применяются для изоляции бортовых и авиационных кабелей. У фторопласта не значительная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, поэтому он фазостабилен, то есть не изменяет электрическую длину в широком диапазоне температур и частот. При нагреве в вакууме фторопласт не выделяет газообразных продуктов и его можно использовать как подложки тонкопленочных ГИС. Эти качества свидетельствуют о том, насколько незаурядным материалом является фторопласт, однако у него есть недостатки, которые продолжают его достоинство.

1. Вследствие химической пассивности он так же адгезионно инертен, то есть трудно поддается склеиванию.

2. В отличие от типичных материалов фторопласт при повышении температуры не переходит в вязко-текучее состояние и поэтому его нельзя перерабатывать.

3. Фторопласт обладает ползучестью и поэтому плохо работает под большой нагрузкой. В полупроводниковом производстве из фторопласта изготавливают посуду, используют для химической обработки, например травление pn-переходов в очень агрессивных средах, например в смеси азотной и плавиковой кислот, а так же различные изготовления, так называемые колодки, для температурных испытаний полупроводниковых приборов, так как он хорошо переносит резвую смену температур в больших пределах. Кроме того его используют в вакуумных вентилях и заглушках.

Винипласт. Это пластмасса, получаемая горячей прессовкой пленок поливинилхлорида толщиной от 0.3 до 1 мм уложенных в стопки. Предельная рабочая температура 80С^о. Винипласт обладает большой механической прочностью и малой гигроскопичностью. Он устойчив к действию многих растворителей и химически активных веществ, не горюч. Винипластовые листы, плиты, трубы, и стержни легко поддаются резанию, сварке, склеиванию, горячему формированию и штамповке. Для сварки винипласта применяется сжатый воздух, нагретый до 120-140С^о. Присадочным материалом служат специальные сварочные прутки диаметром 2.8-3.6 мм, изготовленные из поливинилхлоридных смол с добавлением пластификатора. Применяют винипласт в качестве изоляции для электрической аппаратуры, работающей в условиях повышенной влажности и воздействия кислот. Изделия из винипласта используют при химической обработке полупроводниковых материалов, емкостей для хранения кислот, различные воронки для слива обработанных щелочей и кислот, гальванические ванны для агрессивных электролитов.

Полимит. Новый класс термостойких полимеров, ароматическая природа молекул которых определяет их высокую прочность вплоть до температуры разложения, химическую стойкость и тугоплавкость. Полимитная пленка работоспособна при 200С с течением нескольких лет. Она не разрушается даже в струе плазменных горелок, при некоторых специфических условиях полимит превосходит по термической стойкости даже алюминий. Он в отличие от фторопласта легко подвергается плавлению в концентрированных щелочах, что позволяет готовить сквозные отверстия в пленках. Таким методом получают электрические переходы при формировании и многослойных коммутационных плат на полимитной пленке. Он вполне стабилен в вакууме, поэтому его используют как подложки гибких тонкопленочных плат. Полимит выпускается в различных видах:

1. Пленка толщиной от 8-100мкм, в том числе фольгированная, предназначенная для гибких печатных плат.

2. Лакпак, стойкий после высыхания при 470-510К.

3. Прессматериал для получения изделий горячим прессованием при температуре 590К.

4. Пенопласт с плотностью 0.8-2 гр./см³ применяются в качестве теплоизоляционного материала в плоть до температур 520К.

5. Стеклопластик на основе полиимида, стоек до 670К.

6. Изоляционная лента, стойкая при температуре до 500К.

Недостаток полимита – повышенное влагопоглощение, от 1 до 3% за 30 суток, поэтому он нуждается в технологической сушке и защите от влаги.

Кварц. Двуокись кремния получаемым плавлением промытого, чистого кварцевого песка содержащего не более 0.2% посторонних примесей. Кварц имеет низкий коэффициент теплового расширения, высокую температуру размягчения. Изделия из кварца можно нагревать без заметной деформации до 1300С. Пропускает лучи видимого спектра, ультрафиолетовые, инфракрасные. Он один из лучших диэлектриков устойчив к кислотам кроме HF. В полупроводниковом производстве из него изготавливают ампулы для проведения процесса диффузии, трубы для вакуумных трубчатых печей, термостойкую технологичную тару, из кварца высокой чистоты изготавливают тигли для вытягивания монокристаллов германия кремния.

Органическое стекло. Устойчиво против действия спирта, масла, бензина, щелочей, но растворяется в хлорированных углеводородах, например дихлорэтане. Органическое стекло хорошо обрабатывается обычными механическими методами и горячей штамповкой, применяется для изготовления различных кассет, технологичных тар, приспособлений, скафандров и химических шкафов.

Слоистые пластики. Материалы диэлектрических оснований печатных плат. Печатные платы представляют слоистую структуру, в состав которой входит диэлектрическое основание и печатные проводники. Основания печатных плат изготавливают из слоистых пластиков, композиций, состоящих из волокнистого листового наполнителя бумаги, стеклоткани, пропитанных и склеенных между собой различными полимерными связующими. Такая структура обеспечивает высокие механические характеристики, а использование полимерных связующих достаточно высокое удельное сопротивление. В зависимости от материала связующего и наполнителя различают несколько типов: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит. Качество печатных плат характеризуется следующими свойствами: прочность, теплостойкость, стабильность размеров, электрическая прочность – это наименьшее расстояние между двумя соседними проводниками, 0.3мм, при этом допустимое напряжение 0.5 В. При большем напряжении расстояние надо увеличивать, иначе печатный монтаж плат невозможен.