4. Стеклообразные диэлектрики, их свойства и применение.

Стекло представляет собой твердое аморфное вещество, образующейся при сплавлении стеклообразующихся оксидов и безоксидных соединений. Стеклообразующими являются оксиды SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂ и некоторые безкислородные соединения селена, теллура, мышьяка. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. По виду стеклообразующих оксилов стекла называют соответственно силикатными, боратными, фосфатными, германатными. Основную часть стекол, применяемых в радиоэлектронных средствах, составляют силикатные стекла.

Структурной основой силикатных стекол являются тетраэдр SiO₄ в центре которых расположены ионы Si⁺⁴, а в вершинах ионы кислорода О^-2 (Рис.3.1). Эти тетраэдры, соединясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошную трехмерную сетки. При этом угол Si-O-Si в силикатных стеклах колеблется в пределах 120-180^о, что нарушает строгую периодичность в расположении тетраэдров. Поэтому в стеклах, как в аморфных телах, существует ближний порядок, но отсутствует дальний порядок. Введение в силикатные стекла щелочных окислов (модифицирующих окислов) Li₂O Na₂O и K₂O нарушает кремний-кислородный каркас. Щелочные катионы разрывают цепочки Si-O-Si (рис.3.1 б), что приводит к ослаблению каркаса и его разрыхлению.

В результате этого уменьшается прочность стекла, и ухудшаются диэлектрические свойства – снижается удельное сопротивление, увеличиваются диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. Но в то же время улучшаются технологические свойства – снижается температура плавления и вязкость. Для получения определенных свойств в силикатные стекла вводят промежуточные окислы типа MeO, Me₂O₃ (CaO, BaO, PbO, Al₂O₃ и др).

Встраиваясь в структурную сетку стекла эти окислы повышают диэлектрические свойства, не снижая технологических свойств.

Детали из стекла изготавливают путем выдувания (ламповые баллоны, химическая посуда), вытяжки (стекловолокна), прессования, отливки и т.п. Стекла свариваются друг с другом, металлами, керамикой и полупроводниками, т.е. с материалами обладающими достаточной теплопроводностью. Силикатные стекла практически устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты HF. Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу для сниятия механических напряжений, возникающих при быстром и неравномерном охлаждении. Механическая обработка стекла в холодном состоянии сводится к резке его алмазным инструментом, шлифовке и полировке. Силикатные стекла могут металлизироваться методами вжигания металлосодержащих паст или вакуумным напылением. Стеклам присущи следующие недостатки – низкая теплопроводность, низкая механическая прочность и хрупкость.

Силикатные стекла по составу и по электрическим свойствам можно подразделить на три основные группы:

1. Бесщелочные стекла, к которым относятся чистое кварцевое стекло и алюмоборосиликатные стекла. Эти стекла обладают высокими диэлектрическими свойствами и высокой нагревостойкостью, но они нетехнологичны при изготовлении из них изделий.

2. Щелочные стекла, содержащие двухвалентные окислы без тяжелых окислов (PbО, BaO). Эти стекла технологичных при обработке, но обладают пониженными диэлектрическими свойствами и пониженной нагревостойкостью.

3. Щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых окислов (например силикатно-свинцовые, бариевые), Эти стекла обладают высокими диэлектрическими свойствами, технологичны в изготовлении. В табл 3.1 приведены основные свойства силикатных стекол без указания точного химического состава.

В конструкциях радиоэлектронных средств следующие виды технических стекол.

Кварцевое стекло, или плавленый кварц состоит из практически чистого SiO₂ в аморфном состоянии. Его получают из горного хрусталя или из мелкого кварцевого песка при температуре выше 1700^оС. Кварцевое стекло обладает рядом уникальных свойств:

температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) имеет наименьшее значение из всех материалов и составляет 5 10^-7 1/К, а при температуре ниже 200 К имеет отрицательное значение ТКЛ;

модуль упругости растет с повышением температуры;

удельное сопротивление составляет 10¹⁵-10¹⁶ Ом м;

высокие диэлектрические свойства – тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10⁶ Гц составляет (1-2) 10^-4, а диэлектрическая проницаемость ε = 3,8;

высокая нагревостойкость (длительная до 1200^оС и в течение нескольких часов – 1400^оС).

Благодаря выше перечисленным свойствам кварцевое стекло является материалом для изготовления линз, баллонов ламп ультрафиолетового излучения; применяются в полупроводниковой технологии в виде труб, тиглей, термостойкой и химической посуды. Высокие диэлектрические свойства наряду с высокой механической добротностью и малым КТЛР являются определяющими и параметрами кварцевого стекла при изготовлении на его основе диэлектрических резонаторов. Тонкие аморфные пленки SiO₂, полученные осаждением из газовой фазы широко применяются в технологии интегральных схем и полупроводниковых приборов.

Электровакуумные стекла используются при изготовлении баллонов электронных ламп и изоляционных бус для электровакуумных, полупроводниковых приборов и гибридных интегральных схем. По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе слабощелочных алюмоборосиликатных стекол (содержание щелочных окислов составляет 2-8 %). Определяющим параметры этих стекол наряду с высокими электрическими свойствами, является значение ТКЛР. Электровакуумные стекла по признаку спаиваемости с определенным металлом или сплавом подразделяются на вольфрамовые, молибденовые и платиновые, хотя в своем составе не содержат указанных металлов. Так стекла молибденовой группы имеют ТКЛР, равный молибдену и при спаивании с ним образуют прочные вакуумно-плотные спаи. К стеклам вольфрамой группы относятся стекла марок С37-1…С41-1, молибденовой группы С47-1…С52-1 и платиновой группы – С48-1…С95-3. Цифра в маркировке после буквы указывает значение ТКЛР, а цифра после дефиса порядковый номер разработки. Так стекло марки С52-1 имеет ТКЛР равный 52 10^-7 , К^-1.

Молибденовые электровакуумные стекла С48-1, С49-1, С49-2, С52-1 широко применяются для спаивания с коваром при изготовлении вакуумноплотных выводов гибридных интегральных схем.

Конденсаторные стекла применяются в качестве диэлектриков тонкопленочных конденсаторов. Такие стекла помимо высокой диэлектрической проницаемости и малого значения tgδ должны иметь высокие удельное сопротивление и электрическую прочность и отсутствие пор. Для пленочных конденсаторов применяют двухкомпонетные боросиликатное (С_уд = 150 пф/мм²) и иттрий-боросиликатное (С_уд = 500 пф/мм²) стекла.

Стекла для герметизации полупроводниковых приборов и ИС. Эти стекла используются в виде тонких пленок, наносимых на поверхность кремниевых кристаллов для защиты от внешних воздействий. Кристаллы покрываются стеклом независимо от того, заливаются ли они пластмассой, заключаются в герметичный корпус или изготавливаются в бескорпусном исполнении. Пленки должны хорошо покрывать ступеньки топологического рельефа и поэтому иметь ТКЛР, близкий к ТКЛР кремния; должны быть сплошными, без разрывов и пор. Всем этим требованиям ни одно стекло, как правило, не удовлетворяет. Поэтому применяются двух или трехслойные пленки. Для первого слоя применяются стекла с малым значением ТКЛР, а для внешнего – легкоплавкие свинцово-боросиликатные стекла.

Стекловолокна представляют из себя тонкие волокна диаметром 4-7 мкм, получаемые из расплавленной массы методом вытяжки через фильеру. Тонкие стеклянные волокна обладают хорошей гибкостью и более высокой механической прочностью по сравнению с прочностью массивных образцов. Крученые стеклянные нити из волокон на основе малощелочных алюмосиликатных или алюмоборосиликатных стекол используют для изоляции монтажных проводов с высокой нагревостойкостью ( до 250^оС). Стеклянные ткани из волокон на основе бесщелочных алюмоборосиликатных или магнийсиликатных стекол применяют для изготовления стеклотекстолитов, используемых в качестве оснований печатных плат.

Особую группу стекловолокнистых материалов представляют волоконные световоды, которые обладают свойством направленно передавать световую энергию. Светопроводящие волокна как правило двухслойные. Наружный слой (оболочка) отличаются от внутреннего слоя (сердцевины) более низким коэффициентом преломления света. Световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцевины) на поверхность раздела со средой (оболочкой), оптически менее плотной, испытывает полное внутреннее отражение. Такое двухслойное волокно обеспечивает прохождение света по сердцевине с минимальными потерями, не попадая в окружающее пространство. Волокна, соединенные в жгуты, служат элементами волоконной оптики для передачи информации и являются составной частью раздела электроники-оптоэлектроники. Пленочные плоские световоды, полученные осаждением стекла на подложку, являются основой оптических интегральных схем.