21.

7. МАРКИРОВКА КЕРАМИКИ И СТЕКОЛ

7.1. КЕРАМИКА

Керамика – материал, получаемый спеканием неорганических солей с различными минералами или окси-

дами металлов. Исходные компоненты могут быть не пластичными (кристаллообразующими) и пластичными.

Кристаллообразующими компонентами являются неорганические соли (хлористые алюминий, железо, магний

и др.), минералы (кварц, глинозем, тальк), оксиды металлов (циркония, бария, кальция, магния, титана и др.) и

карбонаты. Пластичными – различные глинистые материалы, облегчающие оформление заготовок и деталей.

Керамика широко применяется для изготовления элементов корпусов, изоляторов, деталей полупроводниковых

приборов. В производстве корпусов используют алюмооксидную, минолундовую, стеатитовую, кордиеритовую

и бериллиевую керамику.

Алюмооксидная керамика содержит от 90 до 97 % Al2O3. Температура плавления ее 2050 °С. Удельное со-

противление – от 1012 до 1016 Ом⋅см. Диэлектрическая проницаемость при 20 °С и частоте 106 Гц равна 8…12.

Тангенс угла диэлектрических потерь составляет от 0,001 до 0,0003. Электрическая прочность от 45 до 60

кВ/мм. Состав и марки алюмооксидной керамики приведены в табл. 7.1.

Стеатитовая керамика получила свое название по основному компоненту – тальку (стеатиту), имеющему

состав от 3MgO⋅4SiO2⋅H2O до 4MgO⋅ 5SiO2⋅H2O.

Стеатитовую керамику используют при изготовлении корпусов интегральных микросхем, а также в каче-

стве изоляционного высокочастотного материала (проходные изоляторы, подложки, изолирующие кольца). Ха-

рактерной особенностью стеатитовой керамики является ее высокая механическая прочность и малые диэлек-

трические потери.

В производстве используют стеатитовую керамику СПК-2, СПК-5, ТК-21, ТКП, СК-1 и СНЦ, электрофи-

зические свойства которой зависят от состава исходной шихты и режима отжига (табл. 7.2, 7.3).

Форстеритовая керамика имеет высокие диэлектрические характеристики, что позволяет использовать ее

для получения вакуумно-плотных спаев с металлами, обладающих повышенным КТР (например с медью). В

полупроводниковой технологии применяют форстеритовую керамику ЛФ-11, КВФ-4 и форстерит-17 (табл. 7.4,

7.5).

Кордиеритовая керамика представляет собой материал, получаемый на основе минерала кордиерита

(2MgO⋅2Al2O3⋅5SiO2). Основное назначение кордиеритовой керамики – изготовление изоляторов, способных

выдерживать большие перепады температур. Состав и основные свойства кордиеритовой керамики приведены

в табл. 7.6 и 7.7. Бериллиевая керамика обладает самой высокой среди всех керамических материалов теплопроводностью.

Поэтому она применяется в микроэлектронике для изготовления корпусов, которые позволяют изолировать

полупроводниковый кристалл от металлического основания и отводить от него тепло. Теплопроводность бе-

риллиевой керамики 150 Вт/(м⋅К), электрическая прочность – около 100 кВ/мм, удельное сопротивление – 1014

Ом⋅см, относительная диэлектрическая проницаемость – 6,5, тангенс угла диэлектрических потерь – 10–4.

7.2. Стекла

Стекла широко используют при изготовлении различных корпусов полупроводниковых приборов и инте-

гральных микросхем, а также металлостеклянных спаев, проходных изоляторов и оптических линз для опто-

электронных приборов. Все стекла можно условно разделить на две группы: тугоплавкие, КТР которых не пре-

вышает 5⋅10–6 1/°С, и легкоплавкие с более высоким КТР.

Тугоплавкие стекла имеют боросиликатную или алюмосиликатную основу и обладают высокими диэлек-

трическими свойствами, большими термостойкостью и механической прочностью.

Легкоплавкие стекла имеют свинцовый, баритовый или магнезиальный состав.

Боросиликатные стекла С37-1, С38-1 и С39-1 служат для получения согласованных по КТР спаев с

вольфрамом, а С47-1, С48-1, С48-2, С48-3, С49-1 – с молибденом. Особенность боросиликатных стекол С48-1,

С48-2 и С49-1 – в получении герметичных спаев с одним из основных материалов, применяемых в производст-

ве корпусов – коваром.

Алюмосиликатные стекла имеют более низкие диэлектрические потери и в некоторых случаях являются

конкурентами керамике.

Состав и свойства стекол приведены в табл. 7.8 и 7.9

7.3. СИТАЛЛЫ

Промежуточное положение между керамикой и стеклами занимают ситаллы – материалы, широко приме-

няемые в радиоэлектронике для изготовления элементов интегральных микросхем, лазерных гироскопов и др. Ситаллы – это стеклокристаллические материалы, которые получают из стекол при помощи контролируе-

мой кристаллизации. Мелкокристаллическая структура получается в результате многоступенчатой технологи-

ческой операции. Центрами кристаллизации служат мелкие частицы металлов – Ag, Au, Cu, Al и др. В табл.

7.10 приведены основные свойства некоторых ситаллов.

22.

4.1.5. Сверхпроводники

Явление сверхпроводимости было обнаружено голландским ученым Г. Камерлинг–Онессом в 1911 г. Он

установил, что при температуре жидкого гелия (4,2 К) сопротивление ртути скачкообразно падает до нуля. В

настоящее время в сверхпроводниковое состояние переведены 39 химических элементов, в том числе 33 метал-

ла (табл. 4.3) и больше тысячи различных сплавов и химических соединений. Еще 13 элементов проявляют

сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий,

селен, теллур, сурьма и др.

Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы

(табл. 4.4).

В конце 1980-х гг. были получены принципиально новые сверхпроводящие материалы на основе керами-

ки. В настоящее время известно несколько высокотемпературных сверхпроводящих керамик с общими форму-

лами: лантановая керамика (La1–x ⋅ Ba)2CuO1–y c Ткр = 56 К, иттриевая (Y-Ba-Cu-О) с Ткр = 91 К, висмутовая (Bi-

Sr-Ca-O) c Ткр = 115 К, таллиевая (Tl-Ba-Ca-Cu-O) c Ткр = 119 К. Максимальной Ткр = 135 К обладает ртутная

керамика. В настоящее время разрабатываются новые материалы, обладающие большей плотностью тока и более

высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Большие возможности здесь открывает нано-

технология. Работы в этом направлении уже ведутся: получены сверхпроводники с температурой перехода в

сверхпроводящее состояние до 160 К.

23.

Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения АЗВ5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Тm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом,- различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют материалы специального назначения.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства.

Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

24.

6. МАРКИРОВКА МАГНИТНЫХ СПЛАВОВ

Применяемые в радиотехнике магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвердые.

6.1. МАГНИТОМЯГКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Магнитомягкие материалы используются в качестве сердечников катушек индуктивности и трансформа-

торов, через которые текут переменные токи. Для увеличения эффективности устройства потери в сердечниках

должны быть сведены к минимуму. Поэтому петля гистерезиса магнитомягких материалов должна быть как

можно более узкой.

Потери в сердечнике трансформатора складываются не только из потерь на перемагничивание (гистере-

зисных потерь), но и потерь на токи Фуко (вихревые токи), индуцируемые переменными магнитными полями в

проводящих материалах. Поэтому, такие сплавы должны иметь как можно меньшую проводимость.

Магнитомягкие материалы (с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью) можно

разделить на четыре группы:

− сталь электротехническая тонколистовая и сортовая нелегированная ГОСТ 3836–83 и техническое же-

лезо 11036–75;

− сталь электротехническая кремнистая ГОСТ 21427–75 и ГОСТ 21427.4–78;

− сплавы прецизионные магнитомягкие ГОСТ 10160–75 и ГОСТ 10994–74;

− магнитомягкие ферриты (на основе оксида железа).