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

tgδ при 106 Гц	ε при 106 Гц	ТКε 106К-1	Удельное сопротивление ρv, Ом м	Электрическая прочность Е при постоянном напряжении, МВ/м
(3-5) 10-4	14-250	(+33÷-3300)	109-1010	8-25

Необходимо отметить, что высокочастотная керамика 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. Керамика 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 – релаксационная 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 - СaTiO_3.

Низкочастотная конденсаторная керамика (типа Б) характеризуется высокими и сверхвысокими значениями, большим значениям tg и пониженным значением электрической прочности (табл.3.4) по сравнению с высокочастотной керамикой. Кроме того, эта керамика обладает заметной температурной зависимость ТКε.

Таблица 3.4

Диэлектри-ческая про-ницаемость ε	Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ	Удельное сопротивление v, Ом м	Электрическая прочность, МВ/м
900-9800	(20 – 300)10-4	109	5-9

Керамика класса 1V обладает наименьшим значением tg и наибольшей электрической прочностью Е_пр 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 механической прочностью, отсутствием пор в структуре, достаточной теплопроводностью и стойкостью к термоударам.

Алюминооксид представляет собой высокоглинозе-мистую 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

Показатель	ВК-94	Поли-кор	Брокерит	Цельзиановая керамика	Лейко-сапфир
Плотность кг/м3	3800	3900	2800	3100	3980
Прочность при изгибе σи, МПа	300	300	150	90-100	800-1300
Ударная прочность, КДж/м3	4,0	4,0	-	-	-
Модуль упругости, ГПа	280	300	300	-	-
ТКЛР 10-6 К-1
при 20-100 оС,	4,5-6	4,5-6	5-7	2,1-2,2	6,4
200-600 оС	5,5-8	6,5-8	5,5-7	-	8
Средняя удельная теплоемкость при 20-100 оС, Дж/(К. кг)	850-1050	850-1050	1000-1250	-	1800
Удельная теплопроводность, Вт/(мС)	16-28	19-30	150-220	-	11
Стойкость к термоударам, оС, не менее	423	453	453	-	-
Диэлектрическая проницаемость ε	9-10	9,5-10	7	6,5-7,0	11
tgδ .104	1	0,2	4	1-2	0,4
Электрическая прочность Епр, МВ/м	17	17	13	35-40	-
Омм, при
20 оС	1012	1012	1012	1012-1013	1016
200 оС,	1010	1011	1010	-	1012
600 оС	1010	106	107	-	108
ρs, Ом	1010	1010	-	-	-

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 физико-механические и электрические свойства брокерита. Недостатком брокерита является его высокая стоимость. Кроме того, 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:

диэлектрическая проницаемость ε - 6-7;

тангенс угла диэлектрических потерь tgδ на

частоте 1 МГц (3-8) 10^-4;

температурный коэффициент диэлектри-

ческой проницаемости ТКε +110 10^-6К^-1;

электрическая прочность Е_пр, МВ/м 20-30.

Стеатитовая керамика помимо электронной и ионной поляризации обладает и релаксационной поляризацией. В области температур от 20^оС до 100^оС 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.