19.04.2011

Керамические материалы для корпусов ИМС и полупроводниковых приборов


Металлокерамические корпусаОсновным материалом металлокерамических, стеклокерамических и других корпусов является керамика (рис. 1). Для проведения сравнительного анализа изделий рассмотрим основные свойства иностранных и отечественных керамических материалов. 
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 керамикиХимический состав, %
 Al2O3  SiO CaO  ZrO2  MgO TiO2 Cr2O3  MnO 
ВК8786,74,861,621,260,750,963,85-
ВК91-290,55,91,71,30,60---
М-7/ВК94-294,23,72,1-----
22ХС/ВК94-194,42,76----0,492,35
Алунд/А-99599,5-------

Таблица 2. Химический состав алюмооксидной керамики, используемой фирмой Kyocera (Япония)

Марка керамикиХимический состав, %
 Al2O SiO MgO  Fe2O
 Остальные 
примеси
А-44090610,042,96
А-47392610,040,96

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 = U/ RИЗ =  U x I = Ix 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: 

P = Ux ω x Cx tgδ

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:
Металлокерамические корпуса
  • 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.
  • Металлокерамические корпуса
  • 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 Гц3 х 3 1010 Гц106 Гц3 х 10Гц
ВК8710,5-6 х 10-3-
ВК91-210,5-6 х 10-4-
М-7/ВК94-29,58,64 х 10-49 х 10-4
22ХС/ВК94-1 9,58,66 х 10-415 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 Гц3 х 3 1010 Гц106 Гц3 х 10Гц
ВК879,18,55 х 10-410 х 10-4
ВК91-29,8-24 х 10-4-
М-7/ВК94-29,6-5 х 10-4-
22ХС/ВК94-1 98,810 х 10-421 х 10-4
Алунд/А-9959,49,210 х 10-46 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.
Металлокерамические корпуса для полупроводниковых приборовДля 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).
Металлокерамические корпусаВ 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.