7. МАРКИРОВКА КЕРАМИКИ И СТЕКОЛ
7.1. КЕРАМИКА
Керамика – материал, получаемый спеканием неорганических солей с различными минералами или оксидами 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 сопротивление – 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 качестве изоляционного высокочастотного материала (проходные изоляторы, подложки, изолирующие кольца). Характерной особенностью стеатитовой керамики является ее высокая механическая прочность и малые диэлектрические потери.
В производстве используют стеатитовую керамику СПК-2, СПК-5, ТК-21, ТКП, СК-1 и СНЦ, электрофизические 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 бериллиевой 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 интегральных микросхем, а также металлостеклянных спаев, проходных изоляторов и оптических линз для оптоэлектронных приборов. Все стекла можно условно разделить на две группы: тугоплавкие, КТР которых не превышает 5⋅10–6 1/°С, и легкоплавкие с более высоким КТР.
Тугоплавкие стекла имеют боросиликатную или алюмосиликатную основу и обладают высокими диэлектрическими 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 производстве корпусов – коваром.
Алюмосиликатные стекла имеют более низкие диэлектрические потери и в некоторых случаях являются конкурентами керамике.
7.3. СИТАЛЛЫ
Промежуточное положение между керамикой и стеклами занимают ситаллы – материалы, широко применяемые в радиоэлектронике для изготовления элементов интегральных микросхем, лазерных гироскопов и др.
Ситаллы – это стеклокристаллические материалы, которые получают из стекол при помощи контролируемой кристаллизации. Мелкокристаллическая структура получается в результате многоступенчатой технологической операции. Центрами кристаллизации служат мелкие частицы металлов – Ag, Au, Cu, Al и др. В табл. 7.10 приведены основные свойства некоторых ситаллов.