Керамика, свойства, типы, применение

Слово керамика произошло от греческого слова «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамикой. В настоящее время под керамикой понимают изделия и материалы, полученные спеканием глин с минеральными добавками, а так же окислов и других неорганических соединений. В общем случае керамический материал состоит из нескольких фаз (кристаллической, стекловидной газообразной фаз). Основной фазой является, кристаллическая фаза; от нее зависят такие свойства керамики как диэлектрические потери, ТКЛР, механическая прочность. Это обычно различные химические соединения или твердые растворы этих соединений.

Стекловидная фаза – это прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Она определяет такие свойства керамики как температура спекания, степень пластичности, плотность, гигроскопичность. Газовая фаза – это газы в закрытых порах, приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, так как при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации этих газовых включений наблюдаются диэлектрические потери, и электроизоляционная прочность керамики уменьшается.

Для современной радиоэлектроники керамика имеет важное значение, благодаря своим положительным свойствам:

- высокая нагревостойкость;

- отсутствие гигроскопичности;

- хорошие электроизоляционные характеристики при достаточной механической прочности;

- стабильность характеристик и надежность;

- стойкость к развитию плесени и поражению насекомыми;

- стойкость к воздействию радиации;

- сырье доступное и дешевое;

- процесс получения керамических изделий технологичен, может быть полностью автоматизированным;

- путем изменения состава массы и технологии можно получать керамику с заранее заданными характеристиками.

Технология изготовления керамических изделий в общем случае включает в себе следующие операции:

тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных компонентов. Это проводят в шаровых и вибрационных мельницах. Помол осуществляется в стальном барабане, покрытом изнутри износостойкой резиной, стальными или керамическими шарами разного диаметра. Для более тонкого измельчения используют помол в водной среде.

пластификация массы. Это в полученную шихту добавляют пластификаторы: чаще всего поливиниловый спирт и парафин.

формование изделий осуществляется методом прессования, методом выдавливания или горячим литьем под давлением. Крупногабаритные изделия сложной конфигурации формируют путем литья жидкой керамической массы в гипсовые формы, которые затем разбирают при извлечении заготовок.

спекание изделий (высокотемпературный отжиг) при t = 1300 C и более в электрических печах. При спекании происходит выжигание пластификатора, завершаются химические реакции между компонентами, фиксируется форма изделия, материал приобретает необходимую механическую прочность, заданные физические и электрические свойства. При спекании происходит усадка материалов вплоть до 20%. Поэтому надо предусматривать допуски на керамические изделия , примерно 5% от линейного размера.

В РЭА используется наиболее высококачественная керамика – радиокерамика. Она делится в зависимости от назначения:

- А – ВЧ - для конденсаторов

- В – НЧ - для конденсаторов

- Б – ВЧ - для установочных изделий

- Г – НЧ - установочная керамика

Конденсаторная керамика используется для изготовления НЧ и ВЧ конденсаторов низковольтных и высоковольтных. Желательно чтобы конденсаторная керамика имела, возможно, меньшее значение ТКr.

Установочная керамика применяется для изготовления разного рода изоляторов (опорных, подвесных, антенных проходных изоляторов РЭА, подложек ИМС, ламповых панелей, внутри лампового изолятора, корпус резистора, каркас катушек индуктивности, основание электрических печей).

К установочной керамике относятся:

- изоляторный фарфор (tg d 10^-2) – НЧ, обладает низкой пористостью, высокой плотностью, водопроницаемостью, высокой электромеханической прочностью;

- радиофарфор (до 40% глины), что придает большую пластичность и позволяет изготавливать из него как мелкие, так и крупногабаритные изделия. По f занимает промежуточное место между ВЧ и НЧ диэлектриками;

- ультрафарфор (> 80% глинозема) – ВЧ, обладает высокой пластичностью массы и высокими электрическими и механическими свойствами;

- корундовая керамика с содержанием глинозема - 95-99% называется алюминоксидной. Этот материал отличается низкими диэлектрическими свойствами в диапазоне радиочастот и при повышенных температурах, теплопроводность в 10-20>, чем у изоляторного фарфора, но есть и отрицательные качества: высокая абразивность, то есть неблагоприятные технологические характеристики, что затрудняет обработку сырых заготовок и шлифования обожженных деталей. Разновидностью алюминоксида является поликор – имеет особо плотную структуру, прозрачен, поэтому можно использовать для изготовления специальных источников света. Благодаря высокой плотности обеспечивается высокая чистота обработки поверхности. Используется в качестве подложек ГИМС. Керамические подложки для ГИМС имеют преимущества по сравнению со стеклом и ситаллом прежде всего благодаря высокой теплопроводности, что важно для отвода тепла от тонкопленочных проводников, которые лежат на керамических подложках ГИС. Например, керамика на основе (95-99% окиси бериллия) бериллиевая керамика (брокерит) в 200-250 раз лучше отводит тепло, чем стекло или ситалл. Это качество и используется при применении бериллиевой керамики в качестве подложек ИМС и мощных СВЧ приборов (транзисторов, диодов). Но надо помнить, порошкообразная окись Be токсична и нужно, соблюдать строгие меры техники безопасности при изготовлении изделий из этой керамики;

- цельзиановая керамика (BaO  Al2O3  2SiO₂) обладает повышенной электрической прочностью до 45 мВ/м, но сравнительно небольшая механическая прочность, ВЧ.

- Стеатитовая керамика ВЧ на основе природного минерала – талька (3MgO  4SiO₂  H₂O). Преимущество – малая абразивность, незначительная усадка при отжиге (1-1,5%), поэтому можно изготовить мелкие детали с повышенной точностью в размерах. Недостаток – невысокая стойкость к резким изменениям температуры и изделия деформируются.

- форстеритовая керамика (2MgO  SiO₂) широко применяется для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых приборов. Дает хороший согласованный вакумноплотный спай с медью.     

Конденсаторная керамика разделяется на НЧ и ВЧ.

НЧ - x = 0,002 0,025 при f = 1 МГц.

ВЧ - x = 10-230, tgd  0,0006 при f = 1 МГц.

- ВЧ – тиконды (титаниевая керамика) характеризуется повышенной электрической прочностью(8-12МВ/м), высокими отрицательными значенями ТКxот 1500 до - 3000  К , поэтому эти материалы можно использовать в конденсаторах, к которым не предъявляются требования температурной стабильности емкости;

- ВЧ – станнатная керамика (на основе твердых растворов станната кальция CaSnO₃) x =12-30, tgd (14-80) + глина + оксид цинка;

- ВЧ – лантановая керамика на основе твердых растворов LaAl₂O₃ и CaTiO₃ x =40-150, tgd  5  применяется для ВЧ – термостабильных конденсаторов;

- НЧ – сегнетокерамика x = 900-8000, не отличается температурной стабильностью, зависит от f и напряженности электрического поля. Эта керамика на основе титана бария BaTiO₃.

В микроэлектронике наибольшее применение применение в технике СВЧ нашли 2 типа корундовой керамики:

- ВК-94-1 (старое 22ХС)

- Поликор(поликристаллический корунд)

Вакуум-плотная корундовая керамика содержит 94% Al₂O₃ и добавки (минерализаторы – SiO₂, Cr₂O₃ и MnO₂). Эта керамика отличается высокой механической прочностью, нагревастойкостью и химической стабильностью. Такая керамика получается путём спекания при t>1800K. Эта керамика – основной материал корпусов ИС и п/п приборов, а так же является подложкой толстопленочной ГИС.