Материалы для производства керамических кристаллодержателей

Керамические материалы. Существует много видов керамических материалов, среди них форстеритовая, стеатитовая, корундовая, окисно-бериллиевая, циркониевая, магниевая и др. В табл. 5 приведены основные преимущества некоторых видов керамических материалов.

 

Таблица 5.

Сведения о керамических материалах.

Вид керамики	Основные преимущества
Корундовая	Высокая механическая прочность. Высокое сопротивление износу. Высокая химическая стойкость и сопротивление к термоудару.
Форстеритовая	Высокая механическая прочность. Высокая электроизоляция при повышенной температуре. Самые малые диэлектрические потери в микроволновом диапазоне.
Стеатитовая	Прекрасные изоляционные свойства при повышенной температуре. Сопротивление термоудару выше, чем у форстеритовой. Тонкая однородная структура.
Циркониевая	Малый коэффициент теплового расширения. Прекрасное сопротивление термоудару. Лучшая термопроводимость после бериллиевой и корундовой керамики.
Окисло-бериллиевая	Самая высокая термопроводимость и малые диэлектрические потери на высоких частотах. Хорошее электросопротивление при высоких температурах.
Окисло-титановая	Высокое сопротивление к износу. Высокая электропроводимость.

 

Корундовая керамика также как рубин и сапфир, является окисной керамикой с однородной, тонкозернистой и плотной композицией из высокочистого корунда (α-Аl₂О₃) как основной кристаллографической фазы. В отличие от большинства других видов керамики, данная керамика содержит немного стеклофазы, располагающейся между кристаллами окиси алюминия.

Наиболее выдающейся характеристикой корундовой керамики является ее высокая механическая прочность (на растяжение, сжатие и изгиб) по сравнению со всеми другими видами керамики. Это также лучший материал по своим электрическим и тепловым свойствам, а также химической инертности (не окисляется и не восстанавливается даже при высокой температуре, близкой к температуре размягчения). Диэлектрические потери при высоких частотах незначительны.

Данная керамика очень твердый материал и хорошо работает на истирание.

Основным сырьевым материалом корундовой керамики является глинозем (Аl₂О₃), образующий прочный каркас.

В табл. 6 приведены основные типы корундовой керамики, применяемой в отечественных производствах, ее химический состав и физико-механические свойства.

 

Таблица 6.

Основные сведения об отечественной корундовой керамике.

Основные	Химический состав, %		Физико-механические свойства
Типы корундовой керамики	Основной компонент Аl203	Добавки	Объемная масса, не менее г/см2	Предел прочности при изгибе, Мн/м2	ТКР при 20-900°С сх-10-7 1/°С
ВК 100-1	99.8	МgО-0.2	3.96	275	80±5
ВК 100-2	99.8	МgО-0.2	3.88	314	79±5
ВК 98-1	98.0	В20-1.5 МgО-0.5	3.88	294	82±5
ВК95-1	95.3	Si02-3.3 МgО-1.2 СаО-0.2	3.67	304	79±5
ВК 94-1	94.4	SiO2-2.8 МnО2-2.3 Сг2О3-0.5	3.65	314	79+5
ВК 94-2	94.2	SiO2-3.7 СаО-2.1	3.60	294	74+5

 

Для керамических кристаллодержателей на основе многослойной керамики широко используют ленты из корундовой керамики марки ВК94-1. Керамика ВК94-1 обладает рядом преимуществ по сравнению с другими видами керамики. Кроме того, она не токсична.

Корундовая керамика по своим свойствам несколько уступает бериллиевой керамике. Эта керамика обладает уникальным комплексом тепловых, электрических, химических и механических свойств.

В производстве полупроводниковых приборов бериллиевая керамика нашла применение благодаря чрезвычайно высокой теплопроводности и хорошим электроизоляционным свойствам. Положительным свойством этой керамики следует считать также ее легкость. Широкое использование бериллиевой керамики в технике ограничивается ее токсичностью и дефицитностью. В табл. 7 приведены основные свойства корундовой (ВК94-1) и бериллиевой (ВБ100-1) керамик.

 

 

Таблица 7

Сравнительные характеристики корундовой и бериллиевой керамик

Тип керамики	ВК94-1	ВБ100-1
Плотность, г/см3, не менее	3.8	2.8
Водопоглащение,%, не более	0.02	0.03
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(кг×°С)	12.6	167-252
Удельная теплоемкость при 20°С Дж/(кг×°С)	0.8×103	1.1×103
Диэлектр. проницаемость при частоте 106 Гц при 20°С, не более	10.3	7.25
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106Гц при 20°С, не более	4×1014	2×1014
Удельное сопротивление при 20°С, Ом×м, не менее	1016	1016
Электр. прочность При 20°С кВ/мм	50	56.39

Металлизация по сырой керамике. Задача металлизации заключается в получении токопроводящего рисунка на керамике. Вопрос металлизации по сырой керамике слабо освещен в литературе. Практическое применение этого метода следует отнести к концу 70-х годов. Процесс обжига оптимизируется по керамике, а не по металлизационной пасте, как это в случае с металлизацией по обожженной керамике. Основные критерии, которыми руководствуются при нанесении металлизации, следующие.

      Напряжения на границе металла с керамикой должны быть сведены до минимума за счет правильного подбора коэффициентов усадки керамики и металла.

      Усадка металлизации зависит от размера частиц металла.

        Разница термического расширения композиции "металл-керамика " должна быть сведена до минимума.

      В процессе спекания многослойного блока частицы металла и окисла уплотняются, происходит усадка с образованием монолита металла и окисла.

Несогласованная усадка керамики и металлизационного слоя приводит к появлению трещин, прогибу спеченного материала, к образованию остаточных напряжений и к нарушению сцепления металла с керамикой. При производстве подложек для микроэлектроники самой серьезной проблемой является появление в процессе обжига трещин вокруг сквозных отверстий. Трещины чаще всего являются результатом неправильного подбора коэффициентов теплового расширения (КТР, его чаще называют температурным коэффициентом линейного расширения, т.е. ТКЛР).

Коэффициент теплового расширения является неотъемлемой характеристикой металла, которая меняется лишь при изменении металлической системы.

Тепловые характеристики обычных материалов, применяемых в многослойных структурах, приведены в табл. 8 и 9. При изготовлении подложек растрескивание обычно наблюдается вокруг сквозных отверстий.

Если ТКЛР металла > ТКЛР керамики, то в керамике не появляются радиальные трещины у сквозных отверстий. При охлаждении спеченной структуры металл сжимается больше, чем керамика. При слишком большом рассогласовании ТКЛР происходит образование трещин между металлом и керамикой вдоль боковых стенок сквозных переходов.

Случай, когда ТКЛР металла < ТКЛР керамики, характерен для тугоплавких молибдена и вольфрама, используемых с большинством керамик.

Предсказать согласованную усадку металла и керамики в металлокерамической структуре очень трудно из-за отличающихся технологических процессов. Поскольку молибден и вольфрам имеют ТКЛР меньший, чем у большинства видов керамики, то необходимо учитывать проблему напряжения металлов. Согласованность усадки достигают изменением распределения частиц металла и керамики по размерам.

Таблица 8

Свойства металлов

Металл	Точка плавления, °С	Точка кипения, °С	Плотность, г/см2	Удельное сопротивление, Ом-см	ТКЛР , 1016 1/°С
Медь	1083	2595	8.92	1.67	17.0
Молибден	2620	4507	10.2	5.7	5.1
Вольфрам	3410	5900	19.35	5.5	4.5
Никель	1453	2730	8.9	6.84	13.3
Платина	1774	4300	21.45	10.6	9.0

 

Таблица 9.

Свойства керамических материалов

Материал	Удельное сопротивление при 25°С, Ом×см	Диэлектрическая проницаемость	Точка плавления, °С	ТКЛР при 25 °С, 1/°С
Аl203	1014	9.6	2072	7.3
ВеО	1014	6.5	2565	8.0
ZrSiO4	1011	8.7	1775	4.0
MgAI2O4	1012	8.5	2135	8.8
3AI2O3SiO2	1013	6.0	1840	5.3

Приготовление металлизированной пасты - одна из важнейших операций. Отбор оптимального состава металлизационной пасты представляет довольно трудную задачу. Это объясняется тем, что для сцепления разнородных металлов необходимо наличие химических связей между ними, т.е. взаимодействие активных компонентов, в данном случае оксидов металлов. Но в корундовой керамике почти нет таких активных компонентов, так как оксид алюминия (Аl₂О₃) нейтрален и плохо вступает во взаимодействие с другими оксидами.

Основными материалами в составе паст являются тугоплавкие металлы молибден и вольфрам. Молибден имеет низкое значение ТКЛР (5,1х10⁶ 1/°С), что обусловливает его применение для внутренних соединений, но он обладает низкой стойкостью к окислению. Из паст на основе вольфрама получают металлизационные покрытия с более плоской структурой. Используемый вольфрам представляет собой серовато-черный порошок. Вольфрам характеризуется трудностью изготовления и низкой стойкостью к окислению. При наличии влаги он начинает окисляться при 300°С.

Для приготовления металлизационной пасты используют органические составляющие: этилцеллюлоза, терпинеол - связка; дибутилфталат - пластификатор; толуол, ацетон и N-бутилацетат - растворитель. В качестве связки можно взять веретенное масло или твердый полимер, например, полиметакрилат, который растворяют в бутилкарбитоле.

Прочность сцепления металлизационного слоя с керамикой зависит от различных факторов: вида и состава керамической массы, ее получения, от величины частиц порошка металла, а также активности их спекания.

Для получения металлизационной пасты требуемого состава необходимо сначала приготовить соответствующий состав биндера. Биндер обычно состоит из коллоксилина (нитроклетчатки) и изоамилацетата. Коллоксилин относится к взрывчатым веществам. Особенно опасен он в сухом состоянии, так как при ударе или от трения он может взорваться. Изоамилацетат токсичен, обладает резким запахом, действующим на органы дыхания. Кроме колоксилинового биндера известны и другие. Так за рубежом применяют биндер из бутилметакрилата, растворенного в амилацетате. В отечественной промышленности разработаны составы биндеров, представляющие собой раствор поливинилбутираля в растворителе, в качестве которого используют циклогексанол, изибутиловый или этиловый спирты.

В области выбора порошков для паст рекомендуется.

Использовать металлические порошки с минимально возможными размерами зерна, чтобы обеспечить максимально возможную поверхность соприкосновения. Признано, что размер частиц порядка 1 мкм, способствует образованию прочного сцепления;

Так как порошок, состоящий из одинаковых по размеру частиц, спекается с меньшей скоростью, чем порошок из частиц разных размеров, то следует использовать порошок с различным гранулометрическим составом. Это способствует более прочному сцеплению металлизационного слоя с керамической поверхностью;

Металлические зерна должны иметь максимальную нарушенную решетку. Дефекты решетки могут быть получены разными способами, лучший из них - с помощью процессов восстановления;

Поверхность зерен должна быть очищена от веществ, которые представляют собой нежелательные примеси, способные диффундировать при термообработках и дестабилизировать характеристики металлизации.

Состав металлизационной пасты зависит также от способа ее нанесения на керамическое изделие. Металлизацию наносят на керамику в виде пасты (кисточкой, пульверизацией, контактным переносом, окунанием, сеткографией, запрессовкой, напылением и др.) или пленки (наклейкой, вырубкой, прокаткой). В последние годы широкое распространение в электронной промышленности нашел метод трафаретной печати (сеткографии).

⇐ Предыдущая46474849505152535455Следующая ⇒

Поделиться: