Керамические материалы для корпусов ИМС и полупроводниковых приборов

• 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.

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	-	-	-	-	-	-	-

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: 

где I — сквозной ток утечки через изоляцию,А; 

U — постоянное напряжение, приложенное к участку изоляции, В; 

R_ИЗ — 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 = ω_k характеристика имеет максимум tgδ_max.

• 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.

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.

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).

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.