19.04.2011
Основным материалом металлокерамических, стеклокерамических и других корпусов является керамика (рис. 1). Для проведения сравнительного анализа изделий рассмотрим основные свойства иностранных и отечественных керамических материалов.
P = U2 x ω x Cx tgδ
Для полупроводниковых приборов разработаны и освоены производством серии SMD-3/2/1/0,5/0,2 (рис. 4). Корпуса изготавливаются по технологии высокотемпературных керамических модулей с использованием алюмооксидной (высокоглиноземистой корундовой) керамики с содержанием оксида алюминия 90–92%. При изготовлении теплоотвода и токопроводящих частей корпуса используется сплав меди и вольфрама, все металлические и металлизированные части основания имеют финишное золотое покрытие. Благодаря этому выполняются повышенные требования по герметичности и температурным характеристикам корпусов (табл. 5).
В сентябре 2010 г. начались опытные поставки корпусов серии ТО: ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, НТО-259А, ТО-267 (рис. 5). Корпуса этой серии металлические с изолированными стеклом или керамикой выводами. Они предназначены для монтажа в отверстия печатной платы. Для увеличения отвода выделяемого прибором тепла конструкцией корпуса предусмотрена возможность его крепления к радиатору. В качестве материала для теплоотводов используется сплав меди и вольфрама, что обеспечивает лучшую по сравнению с аналогами герметичность и более высокие температуры эксплуатации (табл. 6).
Керамические материалы для корпусов ИМС и полупроводниковых приборов

В производстве корпусов используют алюмооксидную, минолундовую, стеатитовую, кордиеритовую и бериллиевую керамику, но для корпусов полупроводниковых приборов и ИМС наиболее часто применяют алюмооксидную керамику, отличительные особенности которой:
- высокая устойчивость к воздействию теплового удара, влаге, химическим реагентам;
- широкий диапазон рабочих температур;
- хорошие (но не лучшие) диэлектрические и тепловые свойства;
- повышенная стабильность размеров;
- твердость;
- коэффициент теплового расширения (КТР) достаточно близкий к КТР кремния;
- технологичность при применении групповых методов обработки.
Алюмооксидная керамика (высокоглиноземистая корундовая керамика) содержит до 99,5% оксида алюминия (Al2O3). Химический состав некоторых марок отчественных керамических материалов приведен в таблице 1, иностранных — в таблице 2.
Таблица 1. Химический состав различных марок алюмооксидной керамики, используемой отечественной промышленностью
Марка керамики | Химический состав, % | |||||||
Al2O3 | SiO2 | CaO | ZrO2 | MgO | TiO2 | Cr2O3 | MnO | |
ВК87 | 86,7 | 4,86 | 1,62 | 1,26 | 0,75 | 0,96 | 3,85 | - |
ВК91-2 | 90,5 | 5,9 | 1,7 | 1,3 | 0,60 | - | - | - |
М-7/ВК94-2 | 94,2 | 3,7 | 2,1 | - | - | - | - | - |
22ХС/ВК94-1 | 94,4 | 2,76 | - | - | - | - | 0,49 | 2,35 |
Алунд/А-995 | 99,5 | - | - | - | - | - | - | - |
Таблица 2. Химический состав алюмооксидной керамики, используемой фирмой Kyocera (Япония)
Марка керамики | Химический состав, % | ||||
Al2O3 | SiO2 | MgO | Fe2O3 |
Остальные
примеси
| |
А-440 | 90 | 6 | 1 | 0,04 | 2,96 |
А-473 | 92 | 6 | 1 | 0,04 | 0,96 |
Важнейшими свойствами керамики являются диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость. Они имеют очень важное значение при использовании токов высокой частоты и высокого напряжения, поскольку величина диэлектрических потерь пропорциональна квадрату напряжения и частоте тока. Именно поэтому зачастую к параметрам керамических материалов предъявляют очень высокие требования, так как значительные диэлектрические потери не только затрудняют работу прибора, но и часто делают ее невозможной. В связи с этим тщательно изучают причины, которые определяют те или иные диэлектрические свойства керамических материалов. За последние годы в этом направлении проделана большая работа, позволившая на основе применения различных окислов (например, окисла титана) получить новые виды керамических материалов с малыми потерями, а также керамические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. Рассмотрим подробнее зависимость диэлектрических потерь в керамике от частоты и температуры.
Диэлектрическими потерями называют ту часть энергии переменного электрического поля, которая при прохождении тока через диэлектрик теряется в нем, превращаясь в тепло. Вследствие этих потерь керамические материалы в сильных высокочастотных электрических полях могут разогреваться и нарушать нормальную работу прибора.
Если участок изоляции находится под постоянным напряжением, то значение диэлектрических потерь P:
P = U2 / RИЗ = U x I = I2 x RИЗ
где I — сквозной ток утечки через изоляцию,А;
U — постоянное напряжение, приложенное к участку изоляции, В;
RИЗ — сопротивление участка изоляции, Ом.
Однако чаще всего рассматриваются керамические материалы не под постоянным, а под переменным напряжением. В этом случае значение потерь P (Вт), на участке с емкостью С (Ф), при действующем значении приложенного к этому участку синусоидального напряжения U (В) и частоте f (Гц) (угловая частота w = 2πf, (рад/с)), равно:
где δ — угол диэлектрических потерь.
Тангенс угла диэлектрических потерь является важнейшим параметром, и в инженерной практике наиболее часто используется для характеристики способности диэлектрических материалов рассеивать энергию в электрическом поле. Рассмотрим влияние и зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты и температуры:
- Графически теоретическая зависимость tgδ от частоты приведена на рис. 2, из которого видно, что при ω → 0 значение tgδ → ∞. На самом деле при ω = 0 потери конечны и определяются в соответствии с выражением (1). При ω → ∞ gδ → 0. На частоте ω = ωk характеристика имеет максимум tgδmax.
- Как общее правило, tgδ диэлектрических материалов увеличивается при повышении температуры Т (по крайней мере, в достаточно широком диапазоне Т). Пример зависимости tgδ от температуры приведен на рис. 3.
Для сравнительного анализа в таблицах 3 и 4 приведены значения диэлектрической проницаемости (ε) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) различных марок отечественной и иностранной керамики при разных значениях частоты.
Таблица 3. Значения ε и tgδ для некоторых марок отечественной алюмооксидной керамики
Марка керамики |
Диэлектрическая проницаемость
ε при 200С на частоте
| Тангенс угла диэлектрических
потерь tgδ при 200С на частоте | ||
106 Гц | 3 х 3 1010 Гц | 106 Гц | 3 х 109 Гц | |
ВК87 | 10,5 | - | 6 х 10-3 | - |
ВК91-2 | 10,5 | - | 6 х 10-4 | - |
М-7/ВК94-2 | 9,5 | 8,6 | 4 х 10-4 | 9 х 10-4 |
22ХС/ВК94-1 | 9,5 | 8,6 | 6 х 10-4 | 15 х 10-4 |
Алунд/А-995 | - | 10 | - | 5 х 10 -4 |
Таблица 4. Значения e и tgδ для некоторых марок иностранной алюмооксидной керамики
Марка керамики |
Диэлектрическая проницаемость
ε при 200С на частоте
| Тангенс угла диэлектрических
потерь tgδ при 200С на частоте | ||
106 Гц | 3 х 3 1010 Гц | 106 Гц | 3 х 109 Гц | |
ВК87 | 9,1 | 8,5 | 5 х 10-4 | 10 х 10-4 |
ВК91-2 | 9,8 | - | 24 х 10-4 | - |
М-7/ВК94-2 | 9,6 | - | 5 х 10-4 | - |
22ХС/ВК94-1 | 9 | 8,8 | 10 х 10-4 | 21 х 10-4 |
Алунд/А-995 | 9,4 | 9,2 | 10 х 10-4 | 6 х 10 -4 |
С 2010 г. ЗАО «ТЕСТПРИБОР» разрабатывает и изготавливает корпуса для приборов специального назначения. Компанией уже созданы и серийно освоены в производстве 23 типа металлокерамических корпусов для микросхем и 14 типов металлокерамических и металлостеклянных корпусов для полупроводниковых приборов - как для поверхностного монтажа (SMD), так и штыревого типа. Наибольший интерес представляют металлокерамические SMD-корпуса и серия металлостеклянных корпусов ТО.


Сейчас компания «ТЕСТПРИБОР» может разработать и изготовить корпуса практически любого уровня сложности с качеством, соответствующим мировым стандартам. При этом большое внимание уделяется обеспечению полного соответствия создаваемых корпусов требованиям разработчиков ИМС в части конструкции, эксплуатационных характеристик и сроков изготовления.