2798

электриков проявляют лишь оксидные стекла. По виду стеклообразующих оксилов стекла называют соответственно силикатными, боратными, фосфатными, германатными. Основную часть стекол, применяемых в радиоэлектронных средствах, составляют силикатные стекла.

Структурной основой силикатных стекол являются тетраэдр SiO4 в центре которых расположены ионы Si+4, а в вершинах ионы кислорода О-2 (Рис.3.1). Эти тетраэдры, соединясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошную трехмерную сетки. При этом угол Si-O-Si в силикатных стеклах колеблется в пределах 120-180о, что нарушает строгую периодичность в расположении тетраэдров. Поэтому в стеклах, как в аморфных телах, существует ближний порядок, но отсутствует дальний порядок. Введение в силикатные стекла щелочных окислов (модифицирующих окислов) Li2O Na2O и K2O нарушает кремний-кислородный каркас. Щелочные катионы разрывают цепочки Si-O-Si (рис.3.1 б), что приводит к ослаблению каркаса и его разрыхлению.

В результате этого уменьшается прочность стекла, и ухудшаются диэлектрические свойства – снижается удельное сопротивление, увеличиваются диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. Но в то же время улучшаются технологические свойства – снижается температура плавления и вязкость. Для получения определенных свойств в силикатные стекла вводят промежуточные окислы типа MeO, Me2O3 (CaO, BaO, PbO, Al2O3 и др).

Встраиваясь в структурную сетку стекла эти окислы повышают диэлектрические свойства, не снижая технологических свойств.

Детали из стекла изготавливают путем выдувания (ламповые баллоны, химическая посуда), вытяжки (стекловолокна), прессования, отливки и т.п. Стекла свариваются друг

101

ных при обработке, но обладают пониженными диэлектрическими свойствами и пониженной нагревостойкостью.

3. Щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых окислов (например силикатно-свинцовые, бариевые), Эти стекла обладают высокими диэлектрическими свойствами, технологичны в изготовлении. В табл 3.1 приведены основные свойства силикатных стекол без указания точного химического состава.

Таблица 3.1

Основные свойства силикатных стекол

В конструкциях радиоэлектронных средств следующие виды технических стекол.

103

Кварцевое стекло, или плавленый кварц состоит из практически чистого SiO2 в аморфном состоянии. Его получают из горного хрусталя или из мелкого кварцевого песка при температуре выше 1700оС. Кварцевое стекло обладает рядом уникальных свойств:

температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) имеет наименьшее значение из всех материалов и составляет 5 10-7 1/К, а при температуре ниже 200 К имеет отрицательное значение ТКЛ;

модуль упругости растет с повышением температуры; удельное сопротивление составляет 1015-1016 Ом м; высокие диэлектрические свойства – тангенс угла ди-

электрических потерь на частоте 106 Гц составляет (1-2) 10-4, а диэлектрическая проницаемость ε = 3,8;

высокая нагревостойкость (длительная до 1200оС и в течение нескольких часов – 1400оС).

Благодаря выше перечисленным свойствам кварцевое стекло является материалом для изготовления линз, баллонов ламп ультрафиолетового излучения; применяются в полупроводниковой технологии в виде труб, тиглей, термостойкой и химической посуды. Высокие диэлектрические свойства наряду с высокой механической добротностью и малым КТЛР являются определяющими и параметрами кварцевого стекла при изготовлении на его основе диэлектрических резонаторов. Тонкие аморфные пленки SiO2, полученные осаждением из газовой фазы широко применяются в технологии интегральных схем и полупроводниковых приборов.

Электровакуумные стекла используются при изго-

товлении баллонов электронных ламп и изоляционных бус для электровакуумных, полупроводниковых приборов и гибридных интегральных схем. По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе слабощелочных алюмоборосиликатных стекол (содержание щелочных окислов составляет 2-8 %). Определяющим параметры этих стекол наряду с высокими электрическими свойствами, является

104

значение ТКЛР. Электровакуумные стекла по признаку спаиваемости с определенным металлом или сплавом подразделяются на вольфрамовые, молибденовые и платиновые, хотя в своем составе не содержат указанных металлов. Так стекла молибденовой группы имеют ТКЛР, равный молибдену и при спаивании с ним образуют прочные вакуумно-плотные спаи. К стеклам вольфрамой группы относятся стекла марок С37- 1…С41-1, молибденовой группы С47-1…С52-1 и платиновой группы – С48-1…С95-3. Цифра в маркировке после буквы указывает значение ТКЛР, а цифра после дефиса порядковый

номер разработки. Так стекло марки С52-1 имеет ТКЛР равный 52 10-7 , К-1.

Молибденовые электровакуумные стекла С48-1, С49-1, С49-2, С52-1 широко применяются для спаивания с коваром при изготовлении вакуумноплотных выводов гибридных интегральных схем.

Конденсаторные стекла применяются в качестве диэлектриков тонкопленочных конденсаторов. Такие стекла помимо высокой диэлектрической проницаемости и малого значения tgδ должны иметь высокие удельное сопротивление и электрическую прочность и отсутствие пор. Для пленочных конденсаторов применяют двухкомпонетные боросиликатное (Суд = 150 пф/мм2) и иттрий-боросиликатное (Суд = 500 пф/мм2) стекла.

Стекла для герметизации полупроводниковых при-

боров и ИС. Эти стекла используются в виде тонких пленок, наносимых на поверхность кремниевых кристаллов для защиты от внешних воздействий. Кристаллы покрываются стеклом независимо от того, заливаются ли они пластмассой, заключаются в герметичный корпус или изготавливаются в бескорпусном исполнении. Пленки должны хорошо покрывать ступеньки топологического рельефа и поэтому иметь ТКЛР, близкий к ТКЛР кремния; должны быть сплошными, без разрывов и пор. Всем этим требованиям ни одно стекло, как правило, не удовлетворяет. Поэтому применяются двух или трех-

105

слойные пленки. Для первого слоя применяются стекла с малым значением ТКЛР, а для внешнего – легкоплавкие свинцо- во-боросиликатные стекла.

Стекловолокна представляют из себя тонкие волокна диаметром 4-7 мкм, получаемые из расплавленной массы методом вытяжки через фильеру. Тонкие стеклянные волокна обладают хорошей гибкостью и более высокой механической прочностью по сравнению с прочностью массивных образцов. Крученые стеклянные нити из волокон на основе малощелочных алюмосиликатных или алюмоборосиликатных стекол используют для изоляции монтажных проводов с высокой нагревостойкостью ( до 250оС). Стеклянные ткани из волокон на основе бесщелочных алюмоборосиликатных или магнийсиликатных стекол применяют для изготовления стеклотекстолитов, используемых в качестве оснований печатных плат.

Особую группу стекловолокнистых материалов представляют волоконные световоды, которые обладают свойством направленно передавать световую энергию. Светопроводящие волокна как правило двухслойные. Наружный слой (оболочка) отличаются от внутреннего слоя (сердцевины) более низким коэффициентом преломления света. Световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцевины) на поверхность раздела со средой (оболочкой), оптически менее плотной, испытывает полное внутреннее отражение. Такое двухслойное волокно обеспечивает прохождение света по сердцевине с минимальными потерями, не попадая в окружающее пространство. Волокна, соединенные в жгуты, служат элементами волоконной оптики для передачи информации и являются составной частью раздела электроникиоптоэлектроники. Пленочные плоские световоды, полученные осаждением стекла на подложку, являются основой оптических интегральных схем.

3.2. Ситаллы

106

Ситаллы представляют собой класс поликристаллических материалов, получаемых с помощью направленной кристаллизации неорганических стекол специального состава.

По структуре ситаллы являются многофазными материалами, состоящими из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. Фазовый состав, вид и содержание кристаллических фаз и стеклофазы зависят от химического состава исходного стекла и режима термической обработки. В настоящее время синтезированы ситаллы на основе стекол различного химического состава: литий-, кальций-, магний-, стронций-, натрий-алюомосиликатных, калиево-титаносиликатных и др. Основными кристаллическими фазами являются -эвкриптит

и-сподумен (в системе Li2O-Al2O3-SiO2), a-кордиерит, кварц, шпинель, форстерит, муллит (в системе MgO-Al2O3- SiO2), цельзиан и силикаты бария (в системе BaO-Al2O3-SiO2)

ит.д. Содержание кристаллической фазы в ситаллах в зависимости от способа получения может колебаться в пределах 30-95 % и более, а размер кристаллических зерен равен 1-2 мкм. По структуре ситаллы занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. От стекол они отличаются тем, что имеют в основном кристаллическое строение, а от керамики - значительно меньшим размером кристаллических зерен и отсутствием пористости. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными (от светлобелого до коричневого цвета) и прозрачными.

Технология производства ситаллов включает в себя три стадии: варка исходного стекла, содержащего специальные "каталитические" добавки (нуклеаторы); формование изделия из стекла; термообработка изделий, приводящая к полной или частичной кристаллизации исходного стекла.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае в исходные стекла входят соли серебра, золота или меди. Под действием ультрафиолетового или рентгеновского облу-

107

чения и последующей низкотемпературной обработки происходит выделение металлов в виде мельчайших коллоидных частиц, которые являются центрами кристаллизации. При повторной высокотемпературной обработке осуществляется образование и рост кристаллов вокруг металлических частиц. Стеклокристаллические материалы, полученные таким способом, называют фотоситаллами. Фотоситаллы в основном получают из стекол литиевой системы.

Технология изготовления ситаллов упрощается, если в качестве катализаторов кристаллизации в исходные стекла входят соединения, легко кристаллизующиеся из расплава: TiO2, B2O3, Cr2O3, V2O5, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов. Исходные стекла подвергаются двухступенчатой теромообработке - при 500 - 700 оС и 900-1100 оС. Такие ситаллы называют термоситаллами. Термоситаллы получают из стекол систем MgO-Al2O3-SiO2 и

CaO-Al2O3-SiO2.

Ситаллы по сравнению со стеклами обладают более высокой механической прочностью, нагревостойкостью, теплопроводностью. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКР) лежит в пределах (7-30) 10-70 С-1 и может регулироваться изменением только температуры ситаллизации, т.е. доли кристаллической фазы. Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической стойкостью к действию кислот (кроме HF) и щелочей. Они являются хорошими диэлектриками; диэлектрические потери в ситаллах во многом определяются свойствами остаточной стекловидной фазы. Доступность исходного сырья и простая технология обеспечивает невысокую стоимость изделий.

Термоситаллы марок СТ38-1, СТ50-1, СТ50-2 в виде полированных пластин толщиной 0,5-1 мм широко используются в качестве подложек тонкопленочных гибридных интегральных микросхем. В табл.3.1 приведены некоторые показатели указанных марок ситаллов (цифры после букв обозначают средний ТКР).

108