Виды керамики, применяемые в РЭА.
В зависимости от частотного диапазона установочная керамика (рис.3.23) делится на низкочастотную (изоляторный фарфор с tg=10-2), занимающую промежуточное положение по частоте (радиофарфор) и высокочастотную (ультрафарфор, относящийся к группе материалов с высоким содержанием глинозема – оксида алюминия Al2O3 более 80%)), параметры которых приведены в табл.3.13.
В радиоэлектронике, особенно в технике СВЧ, большое распространение получила высокоглиноземистая керамика с содержанием Аl2O3 больше 94%. Выпускается много типов этой керамики, из них наибольшее применение в микроэлектронике и технике СВЧ нашли два: керамика ВК-94-1 (старое обозначение 22ХС) и поликор. Вакуумплотная корундовая керамика ВК-94-1 содержит более 94% Аl203 и отличается высокой механической прочностью, нагревостойкостью и химической стабильностью. Керамика ВК-94-1 – основной материал корпусов ИС и полупроводниковых приборов, а также подложек толстопленочных ГИС.
Таблица 3.13. Параметры некоторых керамических материалов.
| Материал | , Ом·м | er | tg | ЕПР, МВ/м |
| Радиофарфор | 1012-1013 | 7,0-7,5 | (3-5)·10-3 | 22-30 |
| Ультрафарфор | 1013-1014 | 8,0-8,3 | (5-9)·10-4 | 30-35 |
| Поликор | 1014-1015 | 9,6-9,8 | (1-3)·10-4 | 35-40 |
| Стеатит | 1014-1015 | 6,5-7,0 | (5-8)·10-4 | 35-40 |
Еще более высокими диэлектрическими параметрами, необходимыми в СВЧ-технике, обладает керамика, содержащая более 99,5% Аl2О3 – поликор (поликристаллический корунд), который в отличие от обычной корундовой керамики обладает прозрачностью. Поликор спекают при очень высокой температуре (1900°С), поэтому он сравнительно дорог и дефицитен. Благодаря крупнокристаллическому строению поликор по своим свойствам близок к сапфиру – монокристаллическому оксиду Al2O3. Сапфир является одним из лучших диэлектриков современной техники (tg=10-4 на частоте 1МГц), его применяют, в частности, в качестве подложек КНС (кремний на сапфире), для производства ИС СВЧ методами чип-технологии.
Стеатитовую керамику получают на основе природного материала – талька, который отличается высокой пластичностью. Ее достоинствами являются малая абразивность и небольшая усадка при обжиге, что позволяет изготавливать мелкие детали с повышенной точностью в размерах. Стеатит применяют, например, в качестве изолирующих колец, деталей корпусов полупроводниковых приборов.
Замечательными свойствами обладает керамика на основе оксида бериллия – брокерит. Наиболее яркая особенность брокерита – очень высокая теплопроводность, что делает его предпочтительным в качестве подложек мощных ВЧ и СВЧ ГИС, а также дискретных транзисторов илавинно-пролетных диодов. Брокерит – почти идеальный диэлектрик для изготовления корпусов ИС. Из него выпускают также подложки диаметром до 76мм, толщиной более 250мкм.
Конденсаторная керамика (рис.3.23) используется для производства НЧ и ВЧ конденсаторов низкого и высокого напряжения. Желательно, чтобы все конденсаторные материалы имели как можно меньшее значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости ТК.
Низкочастотная конденсаторная керамика изготавливается на основе титаната бария BaTiO и твердых растворов с сегнетоэлектрическими свойствами. Благодаря присущей сегнетоэлектрикам спонтанной поляризации конденсаторная сегнетокерамика обладает высокой диэлектрической проницаемостью (er=900–8000), которая, однако, температурно нестабильна и зависит также от частоты и напряженности электрического поля. Причины нестабильности сегнетоэлектриков – низкая точка Кюри и сильное изменение e вблизи нее. Для сегнетокерамики значение tg=0,002÷0,025 на частоте 1кГц.
Специальным материалом для ВЧ конденсаторов является высокочастотная керамика – "титановые" керамические диэлектрики (тиконды) на основе рутила TiO2, перовскита CaTiO3, титаната стронция SrTiO3. Для конденсаторной рутиловой керамики характерны следующие параметры: er=30÷240, tg=(5÷8)·10-4 на частоте 50МГц, ЕПР=8÷10МВ/м. Они имеют в отличие от других ионных диэлектриков отрицательный ТКe. И высокое значение er, и ее падение с ростом температуры объясняется тем, что в рутиле необычно сильно для ионных кристаллов проявляется электронная поляризация. Чем выше в керамике содержание TiO2, тем больше значения e и ТКe (по абсолютной величине).
Сегнетоэлектрики служат основой пьезокерамики (рис.3.23), которую используют для изготовления пьезоэлементов. При температуре ниже точки Кюри сегнетоэлектрик имеет области с различными направлениями спонтанной поляризации – домены. В постоянном электрическом поле некоторая часть доменов ориентируется в направлении приложенного поля. После снятия внешнего ноля большая часть доменов удерживается в новом положении из-за внутреннего поля. Благодаря этому керамика становится полярной и обладает пьезо-эффектом. Процесс ориентирования доменной структуры сегнетоэлектриков в одном преимущественном направлении называется процессом поляризации.
Промышленностью выпускаются многие нормализованные марки пьезокерамики, причем наибольшее распространение получили материалы на основе титаната бария (ТВ) и цирконаты-титанаты свинца (ЦТС), более устойчивые к старению. Используются и их смеси, а также керамика из оксидов ниобия – ниобат бария и свинца (НБС), отличающиеся высокой стабильностью в большом диапазоне температур.
КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО
Кварцевое стекло (плавленый кварц), практически чистая двуокись кремния SiO2, имеет наименьшую величину ТКЛР из всех известных материалов. Температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла l=5·10-71/град при температуре 1000С. Для сравнения: у конструкционных сталей l=110·10-71/град при температуре 20…1000С. Важнейшим свойством кварцевого стекла является высокая термостойкость, т.е. способность стекла выдерживать резкие многократные изменения температуры, разность значений которых может доходить до 800…10000С. Высокая термостойкость связана с малым ТКЛР кварцевого стекла.
Кварцевое стекло обладает значительной твердостью, она в 2–3 раза меньше, чем у алмаза, небольшой плотностью, которая составляет (2,2...2,21)·104Н/м3. Чистый и сухой плавленый кварц является одним из лучших изоляционных материалов. Удельное сопротивление его равно 1·1016Ом·м при температуре 200С.
По упругим характеристикам ни один материал не может конкурировать с кварцевым стеклом. Так, коэффициент термического гистерезиса плавленого кварца меньше, чем любого другого известного материала. Если кварцевый стержень длиной l нагреть с температуры Т1 до температуры Т2 и дать ему охладиться до первоначальной температуры, то 
где l – остаточная разница длины, которая является мерой термического гистерезиса и может составлять (-1…–5)·10-91/град, т.е. стержень сжимается при охлаждении больше, чем расширяется при нагревании. Для сравнения: тот же коэффициент у прецизионного сплава инвара - 1·10-71/град. Это свойство делает кварцевое стекло особенно ценным, когда необходимо сохранить размеры деталей приборов при изменении температуры окружающей среды.
Модули упругости первого и второго рода заметно возрастают с уменьшением сечения кварцевых нитей. Так, уменьшение диаметра кварцевой нити с 2·10-5 до 1·10-5м приводит к изменению модуля упругости второго рода с 7,6·1010 до 8,5·1010Н/м2. Относительное удлинение кварцевых нитей в 2–5 раз больше, чем для лучших никель-ванадиевых сталей [6].
Следует отметить еще одно важное свойство плавленого кварца, повышающее его ценность, – это малое значение внутреннего трения. Для сравнения: коэффициент внутреннего трения вольфрама приблизительно в 1·104 раза больше, чем кварца. Если изготовить крутильный маятник с использованием кварцевой нити с периодом в 2с, то за 24ч в вакууме он потеряет всего около 10% своей амплитуды.
Как показал анализ струнных преобразователей, эффективность их тем выше, чем меньше отношение плотности материала к модулю упругости Е материала струны. В сравнении с наилучшими материалами (МР50ВП) для кварцевого стекла это соотношение меньше почти на 20%.
Достоинства кварцевого стекла, далеко не полный перечень которых приведен выше, вызывают большой интерес конструкторов, делая его незаменимым конструкционным материалом в различных областях науки и техники. Этот материал широко используется в химической промышленности для изготовления трубопроводов, различных емкостей, химико-лабораторной посуды. Кварцевое стекло используется для изготовления оптических деталей в виде линз, призм и зеркал, применяемых в схемах, работающих при высоких температурах, когда незначительное изменение размеров за счет теплового расширения материала может привести к искажению оптической оси. Кварцевое стекло находит широкое применение в радиоэлектронной промышленности, в производстве волоконно-оптических устройств [5]. Огромный опыт использования кварцевого стекла накоплен в гравиметрии. Известны работы по изготовлению упругих ЧЭ из кварцевого стекла в приборостроении. Такие ЧЭ обладают высокой временной стабильностью и вибропрочностью [2, 4]. Кварцевое стекло все шире используется для изготовления ЧЭ приборов систем навигации и ориентации летательных аппаратов. Оно находит применение при изготовлении ЧЭ акселерометров. Исследования, выполненные рядом авторов, в том числе и наши исследования [2, 4], подтверждают возможность создания ЧЭ датчиков струнных преобразователей на основе кварцевого стекла с высокими метрологическими характеристиками. Определенный опыт работы с кварцевым стеклом накоплен в радиоэлектронной и микроэлектронной промышленности. Это, как правило, газопламенная размерная обработка для изготовления деталей различного назначения. Исходным материалом для получения изделий чаще всего являются стержни, трубы, штабики, изготавливаемые в соответствии с техническими условиями и стандартами. Газопламенной обработкой удается получать простые и сложные детали, которые затем свариваются в сложные изделия. Так, газопламенной обработкой удается вытягивать струны диаметром до 0,005мм. Для обеспечения их электропроводности используется технология напыления металла в вакууме. При этом толщина металлической пленки может составлять менее 1мкм. Наши исследования показали, что струны диаметром менее 0,01мм обладают большей температурной зависимостью из-за возрастающего влияния металлизирующего слоя, который призван обеспечить их электропроводность для возбуждения в них поперечных колебаний магнитоэлектрическим способом.
В подавляющем большинстве разрабатываемых струнных преобразователей используются традиционные материалы, а для струн применяются углеродистая сталь, вольфрам, элинвар, оловянно-цинковая и бериллиевая бронзы. Для традиционных материалов характерны существенные погрешности упругого последействия, гистерезиса, температурной нестабильности. Для струнных преобразователей, изготавливаемых из традиционных материалов, до сих пор не решена проблема крепления струн. Для обеспечения требований точности и стабильности струнных датчиков необходимо выполнить до 18 пунктов требований к узлам крепления струн в них. Использование плавленого кварца для изготовления струнных преобразователей снимает эти проблемы.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
3.18.1. Цилиндрический стержень из фенолформальдегидной пластмассы диаметром 5мм, длиной 15мм, удельным объемным сопротивлением 1012Ом×м и удельным поверхностным сопротивлением 1012Ом покрыт с торцов слоем металла. Эти слои металла служат электродами, через которые стержень включен под постоянное напряжение 1кВ. Определите сквозной ток утечки через стержень и потери мощности в нем.
Решение:
, 
, 
, 
, 
3.18.2. Стержень с параметрами, указанными в задаче 3.18.1, был подвергнут кратковременному увлажнению, в результате чего удельное поверхностное сопротивление снизилось до 1010Ом, но удельное объемное сопротивление не успело измениться. Каковы будут значения сквозного тока и потерь мощности в стержне?
3.18.3. Определите емкость пересечения проводников шириной 100мкм, разделенных пленкой SiO2 толщиной 0,7мкм (=4).
3.18.4. Определите рабочее напряжение двухслойного диэлектрика SiO2 (толщиной 0,3мкм) и Si3N4 (0,1мкм), если электрическая прочность SiO2 7×106В/см, а Si3N4 – 3×106В/см. Коэффициент запаса принять равным 3.
3.18.5. Любые диэлектрические пленки, кроме термической, имеют высокую пористость, в лучшем случае на уровне 25см-2. Объясните, почему они не могут использоваться в качестве межуровневой изоляции полупроводниковых интегральных схем?
3.18.6. Вследствие каких причин в пленках SiO2 могут образовываться трещины? Учтите, что ТКЛР аморфного SiO2 - 5×10-7К-1, а кристаллического - 2,5×10-5К-1.
3.18.7. Чем объясняются высокие маскирующие свойства пленки SiO2 при диффузии доноров и акцепторов в Si?
3.18.8. Почему стеклотекстолит нельзя использовать для изготовления пленочных резисторов? Какие диэлектрические материалы пригодны для этой цели?
3.18.9. Как определить чистоту отмывки печатной платы после травления с помощью электрических измерений? Почему при соблюдении отмывки S>>V?
3.18.10. В каком состоянии эксплуатируется полимер, если температура его стеклования ниже комнатной?
3.18.11. В чем состоят преимущества стеклотекстолита перед гетинаксом?
3.18.12. Оксид алюминия, полученный методом анодного окисления, имеет e=7, тогда как согласно справочным данным его значение для монолитного оксида алюминия e=9,5. О чем говорит это расхождение?
3.18.13. Лучшее пятикомпонентное стекло С-41-1 для тонкопленочных конденсаторов имеет плотность пор (каналов высокой проводимости) на уровне 1мм-2. Определите площадь конденсатора, при которой выход годных изделий превышает 80%. Какова будет его емкость, если сУД=10нФ/см2?
Решение:
Плотность дефектов d=1/м2 .
Коэффициент поражаемости В=1.
Вероятность выхода годных изделий Р=eхp(-В×dS).
3.18.14. Определите мощность теплового потока, а также количество теплоты, переносимой за 1ч через пластину гетинакса размером 10х10см и толщиной 5мм, если температура нагретой поверхности 300К, а холодной – 250К, коэффициент теплопроводности гетинакса равен 0,35Вт/(м×К).
Решение:
, где 
3.18.15. Определите температурный коэффициент теплопроводности при температуре 100ºC, а также средний температурный коэффициент в диапазоне от 50 до 150ºC для фторопласта-4. График изменения теплопроводности от температуры приведен на рис. 3.24.
3.18.16. Определите теплопроводность глиноземистой керамики при пористости 12, 30 и 49%, используя формулы Лихтенекера. Теплопроводность глиноземистой керамики 30Вт/(м×К).
3.18.17.Определите тепловое сопротивление пленки Al2O3 толщиной 1мкм и площадью 50см2. Теплопроводность Al2O3 30Вт/(м×К).
3.18.18. Определите перепад температуры по толщине, считая, что вся мощность отводится теплопроводностью, при удельной мощности 5Вт/см2 для пленки ситалла толщиной 0,5мм при теплопроводности ситалла 1,5Вт/(м.К).
3.18.19. Структуры КНС (кремний на сапфире) имеют обычно прогиб из-за разности ТКЛР. Нарисуйте прогнутую структуру, учитывая, что средний ТКЛР в диапазоне температур 0…600ºС для Si равен 3×10-61/град, а для сапфира (монокристаллический Al2O3) - 9×10-61/град.
3.18.20. Какое количество влаги пройдет за 10000 часов сквозь полистирольную мембрану площадью 100см2 и толщиной 0,1мм, если относительная влажность воздуха с одной стороны мембраны составляет 80%, а с другой – 20% (температура воздуха с обеих сторон +60ºС, давление нормальное), коэффициент удельной влагопроницаемости полистирола П=4,2×10-15ºС, давление насыщенных водяных паров при температуре +60ºС составляет 20кПа?
3.18.21. Диэлектриком плоского конденсатора является гетинакс. Параметры этого материала: удельное объемное сопротивление поперек слоев 1011Ом×м, диэлектрическая проницаемость – 8, тангенс угла диэлектрических потерь – 0,1. Толщина диэлектрика 1мм, площадь обкладок 25×104мм2. Определите полные и удельные потери мощности для случая, когда к конденсатору приложено постоянное напряжение 1кВ.
3.18.22. К конденсатору с гетинаксом в качестве диэлектрика приложено напряжение амплитудой 1кВ, частотой 1кГц. Определите полные и удельные потери. Параметры гетинакса и конденсатора такие же, как в задаче 3.18.21.
3.18.23. Определите полные диэлектрические потери на длине 100м коаксиального кабеля 1кВ, частота 1МГц. Диаметр токопроводящей жилы 2мм. Диэлектриком служит полиэтилен с e=2,3, tgd=0,0005.
3.18.24. Определите взаимные погонные емкости двух параллельных печатных проводников шириной по 5мм каждый, расположенных на плате с зазором 0,5мм, если материалом платы является стеклотекстолит (e=8), а в качестве покрытия используются: а) полиуретановый лак УР-231 (e=2,2); б) кремнийорганический лак КО-921 (e=3,5).
3.18.25. Оцените взаимную емкость двух параллельных пленочных проводников шириной 0,1мм, длиной 100мм каждый, расположенных на подложке из поликора (e=10,5). Защитным покрытием платы является полиамидный лак (e=3,5).
тов в виде мембран и сильфонов. Мембраны и мембранные коробки, изготовленные из бериллиевой бронзы, имеют более стабильные упругие характеристики, чем упругие элементы, изготовленные из других сплавов на основе меди. При повышенных температурах бериллиевые бронзы сохраняют достаточную прочность, а при пониженных их прочность и пластичность увеличиваются.
Сплавы системы бериллий-алюминий обладают рядом ценных свойств: высокой жесткостью, более высокой, чем у бериллия, технологической пластичностью, способностью к обработке давлением, прессованию и прокатыванию в тонкий лист, малым весом. Модуль нормальной упругости Е у них близок к чистому бериллию, но пластичность выше. Детали из таких сплавов могут работать в сложных напряженных условиях, они менее чувствительны к поверхностным дефектам, имеют лучшую свариваемость. Добавление в систему бериллий-алюминиймагния способствует повышению прочности сплава и модуля нормальной упругости.
Соединения бериллия с танталом, цирконием, гафнием и другими тугоплавкими элементами относят к группе соединений, называемых бериллидами. Эти соединения обладают высокой температурой плавления и относительно малой плотностью. Из бериллидов изготавливают детали гироскопов, детали инерциальных систем навигации, ракет, детали, работающие в условиях повышенных температур.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ
К прецизионным сплавам обычно относят материалы с особыми свойствами теплового расширения и упругости, немагнитные, коррозионностойкие и теплостойкие, термобиметаллы и другие.
В приборостроении часто требуются сплавы с минимальным коэффициентом теплового расширения в интервалах температур –60…+100ºС. Их используют для изготовления высокоточных приборов, устройств, требующих как можно меньшей зависимости от температуры окружающей среды. К таким материалам относятся: сплав 36Н (инвар), который состоит из 35…37% никеля, остальное – железо; сплав 32НКД – 31,5…33% никеля, 3,2…4,2% углерода, 0,6…0,8% меди, остальное – железо; сплав 29НК (Н29К18) (ковар) – 28,5…29,5% никеля, 17…18% углерода, остальное – железо. Существует и ряд других сплавов с заданными коэффициентами теплового расширения [12]. Физико-механические свойства перечисленных сплавов приведены в табл. 4.1 [13].
Таблица 4.1
| Сплав | , г/мм3 | В, МПа | Т,МПа | tПЛ, ºС | L10-6 1/ºC при +100ºC | Е, МПа |
| 36Н | 8,210-3 | 0,8 | ||||
| 32НКД | 8,110-3 | – | 3,6 | |||
| Окончание табл. 4.1 | ||||||
| 29НК | 8,310-3 | 4,4…5,5 при 300ºC | ||||
| 35НКТ | 8,110-3 | 0.4 | – | |||
| 30НКД | 8,010-3 | 3,3…4,0 при 300ºC | ||||
| 33НК | 8,210-3 | 6,8…8,3 при 300ºC | ||||
| 39Н | 8,210-3 | 0,8 | – | |||
| 36НХ | 8,210-3 | – |
Описанные сплавы применяются для деталей высокоточных измерительных и контрольных приборов, для деталей приборов, работающих при повышенных механических нагрузках и требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур. Сплавы 39Н и 36НХ используются для изготовления деталей приборов, работающих при низких температурах. Сплав 29НК рекомендуется для получения вакуумноплотных спаев элементов приборов со стеклами С49-1, С49-2, С48-1 (ЗС-8), С47-1. Этот сплав широко применяется для получения вакуумноплотных спаев в авиационных приборах, например, в датчиках угловых скоростей для получения гермовыводов в крышках. Сплав 42Н рекомендуется для спаев с керамикой, для деталей, подвергаемых серебрению, для изготовления термобиметалла.
Ряд сплавов: 42НХТЮ (Н41ХТ), 44НХТЮ (Н43ХТ), 97НЛ (ЭИ996), 36НХТЮМ8, 10КНХМВ, 36НХТЮ (Н36НХТЮ, ЭИ702, ЭИ702С), 36НХТЮМ – рекомендуются для изготовления упругих ЧЭ приборов и пружин, работающих при повышенных температурах и в агрессивных средах. Сплавы 42НХТЮ, 44НХТЮ отличаются малым температурным коэффициентом модуля упругости, а 36НХТЮ, 36НХТЮМ5 относятся к немагнитным коррозионностойким сплавам с высокими упругими свойствами. Сплавы 10КНХМВ, 97НЛ (ЭИ996) рекомендуются для изготовления токоведущих и силовых упругих элементов, растяжек и подвесов электроизмерительных приборов. Растяжки можно выполнять также из оловянно-цинковой бронзы БрОЦ4-3, бериллиевой бронзы БрБ2, платиново-серебряного сплава ПлСр-20 и кобальт-никель-хромового сплава К40НХМВ [12].
ВОПРОСЫ
4.3.1. Какой материал следует использовать для изготовления мембран, работающих в агрессивной среде при ее температуре от –50 до +60ºC?
4.3.2. Из какого материала или сплава необходимо изготовить сильфон для работы в условиях повышенной температуры (до 200ºC)?
4.3.3. Из какого сплава рекомендуется изготовить упругий элемент (пружину), работающий при температуре до 100ºC?
4.3.4. Какой сплав следует использовать для изготовления токоведущих и силовых упругих чувствительных элементов, работающих при температуре окружающей среды до 300ºC?
4.3.5. Необходимо изготовить упругий чувствительный элемент, работающий при температуре окружающей среды до 400ºC, а также в агрессивной среде. Какой прецизионный сплав используется для этого?
4.3.6. Для заводных пружин часовых механизмов, работающих при температуре до 400ºC и в резко агрессивной среде, необходимо выбрать прецизионный сплав, чтобы он отвечал условиям эксплуатации пружины. При этом пружина должна иметь минимальную температурную зависимость. Выберите соответствующий материал или сплав.
4.3.7. Измерительное устройство работает в климатических условиях, температура которых меняется от –60 до +60ºC. Какой сплав следует использовать для изготовления деталей измерительного устройства, чтобы обеспечить минимальную зависимость их размеров от температуры?
4.3.8. Необходимо иметь вакуумноплотный спай со стеклами С49-1 или С49-2. Из какого сплава следует изготовить деталь с вакуумноплотным спаем?
4.3.9. Для деталей высокоточного измерительного устройства, требующих постоянных размеров при низких температурах, нужно выбрать необходимый сплав. Какой сплав вы выберете?
4.3.10. Для деталей высокоточного измерительного устройства, требующих постоянных размеров при повышенных температурах, нужно выбрать необходимый сплав. Какой сплав вы выберете?
4.3.11. Для растяжек измерительных приборов необходимо применять материал, стабильный по упругим характеристикам и имеющий модуль упругости Е не менее 180000МПа. Какой сплав вы используете?
4.3.12. Для мембранной коробки, являющейся чувствительным элементом датчика давления, необходимо обеспечить минимальную зависимость модуля упругости от температуры. Датчик давления будет эксплуатироваться при повышенной температуре. Модуль нормальной упругости должен быть не менее 250ГПа. Какой материал или сплав вы выберете для изготовления такой мембранной коробки?
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ