Материалы электронных средств

Глава 4. Диэлектрические материалы

бывают как сухого, так и мокрого измельчения. Более тонкое измельчение достигается в водной среде.

2.Пластификация массы и образование формовочного полуфабриката. Полученная в мельнице смесь пластифицируется органическим пластификатором. Пластификаторы подразделяют на водорастворимые и расплавляемые. Наиболее часто используют поливиниловый спирт и парафин.

3.Формование заготовок. Формование осуществляется методом прессования, протяжкой через мундштук или горячим литьем под давлением. Крупногабаритные изделия сложной формы формуют путем литья жидкой керамической массы в гипсовые формы.

4.Спекание. Спекание изделий производят в туннельных электрических печах при температуре 1300 С и выше. При спе-

кании происходит выжигание пластификатора, завершаются химические реакции между компонентами. За счет слияния частиц фиксируется форма изделия, материал приобретает необходимую механическую прочность и заданные физические и электрические свойства.

Впроцессе обжига вследствие испарения влаги, выгорания пластификатора и уплотнения материала происходит усадка из-

делий, т. е. уменьшение их размеров. В зависимости от состава измельченной смеси, количества пластификатора и режимов обжига усадка изменяется в широких пределах и может превышать 20%. Принимая во внимание это обстоятельство, необходимо при формовке заготовок давать им завышенные размеры. Заранее оценить усадку довольно трудно, поэтому допуски на размеры керамических изделий, особенно крупногабаритных, сравнительно велики (до 5% от линейного размера) [3].

Классификация керамики Керамику по техническому назначению можно подразделить на установочную керамику и конденсаторную керамику.

Установочная керамика. К установочной керамике относятся материалы, из которых изготовляются основания конденсаторов, разнообразные изоляторы, планки, панели, каркасы катушек, корпуса резисторов, подложки интегральных микросхем. Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность.

80

4.2. Пассивные полимеры

∙Изоляторный фарфор — низкочастотный установочный материал. Изготавливается из специальных сортов глины, кварцевого песка и полевого шпата. Обладает низкой пористостью и высокой плотностью, водонепроницаемостью, довольно высокой электрической и механической прочностью. На высоких частотах использование затруднено из-за высоких диэлектрических потерь.

∙Радиофарфор — занимает промежуточное положение между высокочастотными и низкочастотными диэлектриками. Улучшение свойств обусловлено вводом в состав исходной смеси окиси бария, резко снижающей диэлектрические потери.

∙Ультрафарфор — высокочастотная керамика, дальнейшее усовершенствование радиофарфора, отличается повышенным содержанием глинозема(> 80%). Сочетает в себе низкие диэлектрические потери с высокой механической прочностью и удовлетворительными технологическими параметрами. Предназначен для установочных деталей и конденсаторов, к которым предъявляются повышенные требования.

∙Алюминоксид — высокочастотная керамика, сочетающая

низкие диэлектрические потери на радиочастотах, высокую нагревостойкость (до 1600 С), большую механическую прочность и хорошую теплопроводность (в 10 . . . 20 раз больше, чем у изоляторного фарфора). Высокая абразивность алюминоксида затрудняет его механическую обработку. Алюминоксид на 90 . . . 95% состоит из глинозема (Al2O3). Используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и подложек интегральных микросхем.

∙Поликор — разновидность алюминоксида. Прозрачен, поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных источников света. Обладает высокой плотность, поэтому можно обеспечить высокую чистоту обработки поверхности. Вследствие этого поликор является ценным материалом для осаждения пассивных элементов гибридных интегральных схем.

∙Брокерит — высокочастотная керамика на основе окиси бериллия (BeO). Обладает самой высокой теплопроводностью

81

Глава 4. Диэлектрические материалы

среди неметаллических материалов. Применяется для изготовления подложек интегральных схем и в особо мощных приборах СВЧ. Недостатком данной кермаки является то, что порошок BeO токсичен, что требует соблюдения строгих мер техники безопасности.

∙Цельзиановая керамика — состоит из цельзиана (BaO·Al2O3·2 SiO2), BaCO3 и каолина (Al2O3·2 SiO2·2 H2O). Обладает низким температурным коэффициентом, повышенной электрической прочностью и низкими диэлектрическими потерями. Из недостатков можно выделить только сравнительно небольшую механическую прочность. Применяется при изготовлении каркасов высокостабильных индуктивных катушек.

∙Стеатитовая керамика — высокочастотная керамика на основе талька (3 MgO·4 SiO2·H2O). Обладает малой абразивностью и незначительной усадкой при обжиге (1–1,5%), поэтому из нее можно изготавливать мелкие детали с высокой точностью в размерах. Стеатитовую керамику применяют в качестве опорных плат, изолирующих колец, деталей корпусов полупроводниковых приборов.

∙Форстеритовая керамика — керамика на основе ортосиликата магния (2 MgO·SiO2). Имеет небольшие диэлектрические потери, высокое значение удельного объемного сопротивления и хорошую механическую прочность, характеризуется повышенным коэффициентом линейного расширения, благодаря которому форстеритовую керамику применяют в электровакуумной технике как изолятор для согласованного спая с металлами [3].

Конденсаторная керамика. Конденсаторную керамику используют для производства высокочастотных и низкочастотных конденсаторов высокого и низкого напряжения. Основные требования, предъявляемые к этой керамике, — возможно более высокое значение диэлектрической проницаемости. Это позволяет снизить габариты конденсаторов и уменьшить их массу.

∙Тиконды — специальная керамические материалы, используемая для высокочастотных конденсаторов, в состав которой входит титан. Среди тикондов можно выделить рутил (TiО2), перовскит (CaTiO3), титанат стронция (SrTiO3).

82

4.3. Активные диэлектрики

P

E

Рис. 4.4. Петля диэлектрического гистерезиса

∙Термоскомпенсированные тиконды — к ним относятся титано-цирконивая керамика (твердые растворы TiO2–ZrO2), лантановая керамика (LaAlO3–CaTiO3) и станнатная керамика (CaSnO3–CaTiO3–CaZrO3). Данная группа материалов отличается повышенной температурной стабильностью свойств, которой добиваются за счет снижения диэлектрической проницаемости. Соответственно из данной керамики изготавливают высокочастотные термостабильные конденсаторы.

∙Сегнетокерамика — низкочастотная конденсаторная керамика (BaTiO3, твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами). Обладает весьма высокой диэлектрической проницаемостью , но не отличается температурной стабильностью.

Также в качестве конденсаторных материалов используют установочную керамику (ультрафарфор, стеатитовую и цельзиановую керамики) [3].

4.3 Активные диэлектрики

4.3.1Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики — твердые диэлектрики (некоторые ионные кристаллы и пьезоэлектрики), обладающие в определенном интервале температур собственным электриче-

83

Глава 4. Диэлектрические материалы

ским дипольным моментом, который может быть переориентирован за счет приложения внешнего электрического поля. Наличие явления гистерезиса по отношению к электрическому дипольному моменту дало второе название данных веществ — ферроэлектрики, которым пользуются в иностранной литературе.

Типичный представитель сегнетоэлектриков — сегнетова соль, двойная соль винной кислоты KNaC4H4O6 · 4 Н2О; именно ее название лежит в основе термина «сегнетоэлектрик». Более простыми сегнетоэлектриками являются, например, титанат бария BaTiO3 и титанат свинца PbTiO3.

Температура, при которой исчезает спонтанная поляризация (то есть собственный дипольный момент) и происходит перестройка кристаллической структуры, носит название температуры (точки) Кюри (ещё одна аналогия с ферромагнетиками); переход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик) и неполярная (параэлектрик — нелинейный диэлектрик, не обладающий спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическая проницаемость которого уменьшается с ростом температуры).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках в точке Кюри меняется либо непрерывно (переход второго рода, сегнетова соль), либо скачком (переход первого рода, титанат бария). Другие характеристики сегнетоэлектриков, такие как диэлектрическая проницаемость, могут достигать в точке Кюри очень больших значений (104 и выше).

Отличительными чертами сегнетоэлектриков являются также высокие значения диэлектрической проницаемости, наличие пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов (но не все пьезо- и пироэлектрики являются сегнетоэлектриками), зависимость показателя преломления от величины приложенного электрического поля [3].

Применение сегнетоэлектриков. В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых следует считать:

1.изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2.использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

84

4.3. Активные диэлектрики

3.использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

4.использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

5.изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей [3].

4.3.2Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект — рис. 4.5, а). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля (рис. 4.5, б).

Пьезоэффект имеет линейный характер и в случае прямого пьезоэффекта описывается следующим выражением:

= · ,

где — поляризованность, — механическое напряжение, возникающее в диэлектрике при упругом деформировании, (Кл/Н) — пьезомодуль, являющийся коэффициентом пропорциональности, характеризующим способность диэлектрика к пьезоэффекту.

Для обратного пьезоэффекта между относительной упругой

Рис. 4.5. Пьезоэффект:

а — прямой, б — обратный

85

Глава 4. Диэлектрические материалы

Физической причиной пьезоэффекта является асимметричное, упругое смещение зарядов в ионных или сильнополярных диэлектриках, в результате которого в структуре диэлектрика возникают диполи.

В качестве пьезодиэлектриков применяют:

∙монокристаллический кварц ( 10−12 Кл/Н), который обладает пьезоэффектом в определенном кристаллографическом направлении, имеет высокую добротность (малые диэлектрические потери), поэтому применяется для создания резонаторов, обеспечивающих стабильность и точность частоты механических колебаний в электромеханических системах генераторов, фильтров, приборов времени;

∙сегнетоэлектрики в виде однодоменных сегнетоэлектрических кристаллов LiTaO3, LiNbO3 ( 10−10 Кл/Н), имеющих более высокую, чем у кварца добротность в области высоких и сверхвысоких частот (1010 Гц);

∙сегнетоэлектрическая керамика (пьезокерамика), например, твердые растворы PbZrO3–PbTiO3 (ЦТС) с большой остаточной поляризованностью, используется для ультразвуковых преобразователей электрических колебаний в механические (ультразвуковые излучатели для гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки, громкоговорители, телефоны) и наоборот, механических колебаний в электрические (микрофоны, датчики давления, датчики деформации);

∙полимерная пленка, в частности, поливинидиленфторид (CH2–CF2) ( 10−11 Кл/Н), используемая для различных датчиков давления и деформации, менее чувствительная, но

более дешевая и технологичная, чем сегнетокерамика, позволяющая получать элементы с большой рабочей поверхностью [3].

4.3.3 Пироэлектрики

Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, сильно изменяющие поляризованность при изменении температуры .

Количественно пироэффект характеризуется пироэлектрическим коэффициентом = − .

Пироэффект обратим, то есть изменение также вызывает изменение .

86

4.3. Активные диэлектрики

Физическая природа пироэлектричества связана с изменением спонтанной или остаточной поляризованности, поэтому имеет место, в первую очередь, у сегнетоэлектриков, которые в качестве пироэлектриков используют чаще всего. При этом, как и в случае сегнетоэлектрических пьезоэлектриков, для обеспечения пироэлектрических свойств производится поляризация кристаллов и керамики в сильном электрическом поле вблизи точки Кюри.

Среди сегнетоэлектрических кристаллов наибольшей стабильностью пироэлектрических свойств обладают кристаллы танталата и ниобата лития LiTaO3, и LiNbO3, а из керамик чаще всего используется керамика системы ЦТС.

Пленочные полимеры типа поливинидиленфторида имеют незначительную чувствительность, но используются благодаря дешевизне и простой технологии изготовления.

Пироэлектрики применяют как чувствительные элементы в приемниках оптического излучения в ИК-области и в датчиках температуры [3].

4.3.4Электреты

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т. е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита.

Классификация электретов по способу получения.

∙Термоэлектреты (рис. 4.6, а) получают из охлажденного в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков (канифоль, пальмовый воск). Способны сохранять поляризацию в течении многих месяцев и даже лет.

∙Фотоэлектреты (рис. 4.6, б) изготавливают из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью (сера, сульфид кадмия), при одновременном воздействии света и электрического поля. Длительно сохраняют заряды в темноте и разряжаются при освещении.

∙Электроэлектреты (короноэлектреты) получают за счет появления заряженных дефектов в результате бомбардировки поверхности диэлектрика ионами, образовавшимися при газовом разряде в сильном электрическом поле (рис. 4.6, в).

∙Радиоэлектреты (рис. 4.6, г) создают при помощи облучения

87

Глава 4. Диэлектрические материалы

Рис. 4.6. Виды электретов:

а — термоэлектрет с остаточной поляризацией; б — фотоэлектрет; в —

электроэлектрет; г — радиоэлектрет; д — трибоэлектрет

диэлектрика частицами высоких энергий.

∙Трибоэлектреты (рис. 4.6, д) получают воздействуя на диэлектрик трением. Разрушение молекул при этом приводит к несимметричному расположению зарядов.

Электреты могут быть использованы для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций, в качестве пылеуловителей, дозиметров радиации, измерителей атмосферного давления и влажности, электрометров, в клавишных вычислительных машинах, в электрофотографии и во многих других случаях [3].

4.3.5 Пористый кремний

Пористый кремний — кремний, испещренный порами, то есть имеющий пористую структуру.

Традиционным способом получения пористого кремния является электрохимическое травление пластин монокристаллического кремния (c-Si) в этаноловом растворе плавиковой кислоты HF. При положительном потенциале на кремниевом электроде (аноде) протекают многоступенчатые реакции растворения и восстановления кремния. Вторым электродом (катодом) обычно служит платиновая пластина. При подходящем выборе плотности элек-

88

4.3. Активные диэлектрики

трического тока на поверхности c-Si происходит формирование пористого слоя.

Важнейшей характеристикой пористого кремния, определяющей большинство его физических параметров, является степень пористости или пористость (П). Она определяется выражением:

где Si и пор-Si — плотности монокристаллического и пористого кремния соответственно.

В настоящее время (2005 год) значения пористости могут варьироваться от 5 до 95%.

Применение пористого кремния:

∙Создание толстых диэлектрических пленок. Для создания кремниевых приборов, работающих при высоких напряжениях, существует необходимость в толстых диэлектрических слоях толщиной более 10 мкм. Однако диэлектрические пленки SiO2, получаемые окислением обычного кремния не могут быть толще нескольких микрон. Оказалось, что пористый кремний хорошо подходит для решения этой задачи. Если этот материал подвергнуть термическому окислению, то за счет развитой системы пор молекулы кислорода способны проникнуть на всю толщину пористого кремния и привести к полному его окислению.

Оптимальными для этих целей являются слои с пористостью около 50%. Важно отметить, что процесс формирования диэлектрических пленок с использованием пористых слоев происходит при температурах более низких, чем при традиционном термическом окислении кремния.

∙Буферные слои. Низкопористый кремний (П < 30%) оказался эффективным буферным слоем при эпитаксии) монокристаллических пленок других полупроводников на кремнии. Основным условием выращивания качественных слоев является близость величин постоянных решеток кремния и наносимого материала. Однако можно выращивать слои с большим рассогласованием решеток, если использовать промежуточные (буферные) слои. Использование буферного слоя пористого кремния позволило решить задачу выращивания качественных пленок полупроводников GaAs, PbS,

89