Техническая керамика

1.11.1. Общая характеристика

Керамика - материал, полученный спеканием зернистых или порошкообразных неорганических веществ.

Движущая сила спекания - уменьшение внутренней энергии дис­персной системы при увеличении размеров частиц. Механизм спекания сложен; он включает течение твердого вещества из-за термически активируемых перемещений атомов. Поэтому необходим нагрев до высокой температуры, иначе частица не сможет перейти в новое, даже энерге­тически выгодное состояние из-за низкой скорости процессов. Темпе­ратура, обеспечивающая достаточную спекаемость, зависит от природы вещества: лучше спекается металлы, для них часто T_сп = (0,6-0,7)Т_пл, хуже - порошки ковалентных веществ - Si, Ge, С, SiC. В последнем случае помимо нагрева необходимо воздействие высокого давления, то есть спечь их можно только методом горячего прессования.

Так как керамическая технология используется в основном дляобработки тугоплавких веществ, при спекании применяются температу­ры 1400 - 1900° С. Особенности керамической технологии предопреде­ляют одно из главных замечательных свойств этого материала - высокую нагревостойкость. Керамика и керамические покрытия, например из диоксида циркония Z_rO₂, обладает стойкостью вплоть до 2400° С, Такая нагревостойкость кажется чрезмерной для РЭА. Однако в связи со многими применениями РЭА в авиации и космонавтике она оказыва­ется и недостаточной. Особо напряжениями является, например, усло­вия работы остронаправленных антенн летательных аппаратов.

В нижних слоях атмосферы они подвергаются воздействию не только высоких температур, но и значительных их градиентов.

Другое достоинство керамических материалов - широкий, почти неограниченный выбор исходного сырья, ибо из любого тугоплавкого вещества при соответствующем давлении и температуре можно спекани­ем получить изделие. Изделия из керамики высоко технологичны, так как не требуют сложной механической обработки: они формируются в виде массы ещё до превращения в твердый монолит. Как правило, пос­ле спекания керамическая деталь, например подложка, подвергается лишь шлифовке и полировке. Состав исходного сырья и технология из­готовления определяют вид керамики и сферу применения (рис.1.18).

Виды керамики

Изоляторы, конструкционные детали (корпуса, резисторов, каркасы катушек индуктивности)

Пьезокерамика (на основе титаната бария, титаната свинца)

Конденсаторная (сегнетокерамика, тиконды)

Установочная

плотная

огнеупорная

пористая

строительная

Грубая

Тонкая

Рис. 1.18. Классификация керамических материалов.

Наряду с достоинствами керамические материалы обладают и целым рядом недостатков.

1. Керамика - многофазный материал и помимо кристаллической и стеклообразной фазы может содержать и газообразную (поры). Поры удаётся исключить, спекая исходные компоненты при температуре, близкой к плавлению, т.е. за счёт удорожания материалов.

Влияние пор на свойства керамики зависит от их вида. Откры­тые, но не сквозные поры не повышают газонепроницаемости керамики, однако способны адсорбировать влагу, что приводит кувеличению по­терь и ухудшению адгезии металлических пленок. Закрытые поры изо­лированы от окружающей среды, но заполнены газами, поэтому снижают электрическую прочность и диэлектрическую проницаемость. Каналообразующие поры лишают материал вакуумной плотности и ухудшают его диэлектрические свойства.

2. Сложность изготовления керамических деталей резко растет с увеличением их размеров и так же быстро падает их качество из-за механических напряжений, возникающих при термообработке. Проявля­ется размерный эффект прочности: чем больше размеры детали, тем меньше удельная (отнесенная к единице площади) прочность. По этой причине предельный размер керамических подложек ГИС 60·48 мм², что не всегда удовлетворяет современным требованиям.

3. Керамика - неоднородный по объемным свойствам материал. Например, изменения состава и пористости керамики по площади под­ложек могут приводить к разбросу значения диэлектрической проница­емости в пределах 5-10%, что существенно снижает добротность СВЧ микрополосковых линий передачи.

1.11.2. Виды керамики, применяемые в РЭА

В зависимости от частотного диапазона установочная керамика (рис.1.18) делится на низкочастотную (изоляторный фарфор с tgδ = 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.1.13.

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 1.13.

Параметры некоторых керамических материалов.

Материал	ρ, Ом·м	er	tg δ	Епр, МВ/м
Радиофарфор Ультрафарфор Поликор Стеатит	10^12-10^13 10^13-10^14 10^14-10^15 10^14-10^15	7,0-7,5 8,0-8,3 9,6-9,8 6,5-7,0	(3-5)·10^-3 (5-9)·10^-4 (1-3)·10^-4 (5-8)·10^-4	22-30 30-35 35-40 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 (tgδ = 10^-4 на частоте 1 МГц), 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 76 мм, толщиной более 250 мкм.

Конденсаторная керамика (рис.1.18) ис­пользуется для производства НЧ и ВЧ конденсаторов низкого и высо­кого напряжения. Желательно, чтобы всеконденсаторные 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 (e_r = 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 tgδ = 0,002-0,025 на частоте 1кГц.

Специальным материалом для ВЧ конденсаторов является высо­кочастотная керамика - "титановые" керамические диэлектрики (тиконды) на основе рутила TiO₂, перовскита CaTiO_3, титаната стронция SrTiO₃. Для конденсаторной рутиловой керамики харак­терны следующие параметры: e_r = 30-240, tgδ = (5-8)·10^-4 на частоте 50 МГц, Е_пр = 8-10 МВ/м. Они имеют в отличие от других ионных ди­электриков отрицательный ТК_e. И высокое значение e_r, 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 ТК_e (по абсолютной величине).

Сегнетоэлектрики служат основой пьезокерамики (рис.1.18), 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.

---

Дата добавления: 2015-10-21