131

линзовыми. Они отличаются компактностью и надежностью. С их помощью можно осуществить поэлементную передачу изображения с достаточно высокой разрешающей способностью, причем передача изображения возможна по

искривленному пути. Существенным моментом является скрытность передачи информации и высокая помехозащищенность оптического канала связи.

Для передачи изображения используют волокна диаметром5—15 мкм. Чтобы предотвратить просачивание света из одного волокна в другое, их снабжают светоизолирующей оболочкой, которую изготавливают из стекла с меньшим показателем преломления, чем у сердцевины. Тогда, согласно известным законам оптики, если световой луч падает на границу раздела из оптически более плотной среды под , боугломьшим предельного (относительно нормали к границе), он будет испытывать полное внутреннее отражение и, многократно отражаясь, пойдет вдоль волокна(рисунок 4.8). Световой кабель диаметром5—6 мм содержит несколько сотен тысяч

светоизолированных			волокон.		Световые	кабели	из
волокон	с	коническим		сечением		могут
освещенность объектов за счет концентрации светового
потока,	уменьшать		или	увеличивать		изображение.
Специальные		технологические			приемы(осаждение			Рисунок 4.8
пленок	на	подложку, ионное			легирование, ионный			обмен) позволяют

изготовить плоские световоды, которые являются основой оптических интегральных схем.

4.7 Ситаллы
Ситаллы	— это	материалы, получаемые		методом стимулированной
кристаллизации стекол. По размерам областей кристаллического порядка они
занимают	промежуточное		положение	между	обычными	стеклами
керамикой. Если в		состав	стекол, склонных	к кристаллизации, ввести в

качестве добавки вещества, дающие зародыши кристаллизации то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристаллической структурой. Содержание кристаллических фаз при этом достигает порядка95%, размеры оптимально развитых кристаллов составляют 0,05—1 мкм.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристаллизации служат мельчайшие частицы металлов(серебра, золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответствующих окислов, входящих в состав стекла, под влиянием облучения(обычно, ультрафиолетового) с последующей

термообработкой. При термообработке происходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц.

132

Технология изготовления ситаллов упрощается, если вместо облучения
использовать катализаторы кристаллизации, ограниченно растворимые в
стекломассе или легко кристаллизующиеся из расплава. К числу таких
соединений относятся TiO2,			FeS, В2О3, Cr2О3, V2O3,	фториды		и	фосфаты
щелочных и щелочноземельных металлов. По внешнему виду ситаллы
представляют собой плотные материалы белого цвета, или цвета от светло-
бежевого до коричневого. Они отличаются повышенной механической
прочностью, могут иметь широкий диапазон ТКl, высокую теплопроводность
и удовлетворительные электрические характеристики. Зависимости e и tgd от
частоты в радиодиапазоне, как правило, являются монотонно спадающими
вплоть до частоты решеточных возбуждений. Диэлектрические							потери
ситаллов во	многом	определяются свойствами		остаточной			стекловидной
фазы. Некоторые обобщенные свойства ситаллов				следующие: r~108—1012
Ом×м; Епр~ 25—75 МВ/м ; tgd (f=106Гц) ~ (10—800)×10-4; ТКl~ (12—120)×10-7
К-1 ; удельная теплопроводность ~0,8—2,5 Вт/(м×К);
Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию
сильных кислот (кроме HF) и щелочей. По техническому назначению ситаллы
можно подразделить на установочные и конденсаторные. Установочные
ситаллы широко используют в качестве подложек гибридных интегральных
микросхем и пассивных дискретных элементов(например, тонкопленочных
резисторов), деталей СВЧ-приборов и некоторых типов электронных ламп.
Достоинством	ситалловых		конденсаторов являются		повышенная - элект
рическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.
4.8 Керамика
Общие сведения. Под керамикой понимают неорганические материалы,
получаемые методом высокотемпературного обжига.
Для	современной		радиоэлектроники	важное			значение	име
керамические диэлектрики, которым присущи многие						положительные
свойства: высокая нагревостойкость, отсутствие у большинства материалов
гигроскопичности, хорошие электрические характеристики при достаточной
механической прочности, стабильность характеристик, надежность, стойкость
к воздействию излучения высокой энергии. Сырье					для	производства
основных радиокерамических изделий доступно и дешево. Преимуществом
керамики является возможность получения заранее заданных характеристик
путем изменения состава и технологии производства. Существенным
достоинством керамического производства является отсутствие ограничений
на изготовление изделий необходимой формы и габаритов и возможность
полной автоматизации.
В общем случае керамический материал может состоять из нескольких
фаз. Основными фазами		являются кристаллическая (одна			или	несколько) и

133

стекловидная,

связывающая

кристаллическую

фазу. От

количества

стекловидной

фазы

зависят

степень

пористости

и

гигроскопичность

материала.

Некоторые

виды радиокерамики

вообще

не

содержат

стекловидной фазы. Наличие газовой фазы в закрытых порах приводит к

снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а

также вызывает диэлектрические потери при повышенной

напряженности

поля

вследствие

ионизации

газовых

включений. При

изготовлении

радиокерамики

в

качестве основных

кристаллообразующих компонентов

наряду

с

природными

минералами, такими,

как

кварц, глинозем,

тальк,

широко используют окислы и карбонаты различных металлов.

Классификация и свойства керамических материалов. Керамические

материалы,

относящиеся

к диэлектрикам, по техническому

назначению

можно подразделить на установочные и конденсаторные.

Установочную

керамику

применяют

для

изготовления

опорных,

проходных,

подвесных,

антенных

изоляторов,

подложек

интегральных

микросхем,

корпусов

резисторов,

каркасов

индуктивных

катушек. Из

конденсаторной керамики изготавливают свыше 50% всех конденсаторов.

По электрическим

свойствам установочную

и

конденсаторную кера-

мику

подразделяют

нанизкочастотную

и высокочастотную.

Из

низко-

частотных установочных материалов наиболее распространенизоляторный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шпат. При обжиге глина теряет кристаллизационную воду и, взаимодействуя с кварцем, образует основную

кристаллическую	фазу —	муллит (3А12О3×2SiO2). Промежутки между
кристаллическими	зернами	заполняются стекловидной фазой, возникающей

за счет расплавления полевого шпата. Наличие стеклофазы обусловливает низкую пористость и высокую плотность фарфора, его водонепроницаемость, достаточно высокую электрическую и механическую прочность. Однако из-за большого содержания щелочных окислов в стеклофазе материал обладает значительными диэлектрическими потерями(tgd ~10-2), что затрудняет его использование на высоких частотах.

Промежуточное положение между высокочастотными и низкочастотными диэлектриками занимает радиофарфор. Улучшение его электрических свойств по сравнению с изоляторным фарфором достигается путем введения в состав исходной шихты окиси бария, резко снижающей (на два порядка)

диэлектрические потери и проводимость стекловидной фазы.

Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора являетсяультрафарфор, относящийся к группе материалов с высоким содержанием глинозема Al2O3 (более 80%). Глинозем существует в виде низкотемпературнойg- или высокотемпературной a-модификации. Лучшими электрическими свойствами обладает a-Al2O3 (корунд). Глинозем, как исходное сырье, содержит обе модификации, поэтому производят предварительную его обработку¾ обжиг

134

при

температуре 1380—1420°С, когда

g-модификация переходит вa-

модификацию. Применение при обжиге глинозема специальных добавок,

например,

борной кислоты, заметно

повышает

содержаниеa-глинозема.

Ультрафарфор

является

высокочастотным

диэлектриком, в

котором

сочетаются

низкие

диэлектрические

потери

с

высокой

механической

прочностью, что во многом объясняется наличием в нем бариевого стекла,

улучшающего электрические свойства.

Корундовая керамика с содержанием глинозема95—99% получила

название

алюминоксида.

Этот

материал

отличается

низкими

диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот и при повышенных

температурах,

обладает

весьма

высокой

нагревостойкостью(до 1600°С), а

также большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью.

Удельная

теплопроводность

алюминоксида

10в —20

раз

выше,

чем

у

изоляторного фарфора. Однако он имеет неблагоприятные технологические

характеристики: обладает большой

абразивностью, хрупкостью, высокой

температурой спекания (< 1750°С). Керамика из алюминоксида используется

в

качестве

вакуум-плотных

изоляторов

в

корпусах

полупроводниковых

приборов и подложек интегральных микросхем. Из нее изготавливают также внутриламповые изоляторы с пористой структурой для предотвращения возникновения сплошной токопроводящей пленки при распылении геттера. Кроме того, пористая керамика легко выдерживает значительные перепады

температур, которые	неизбежны	при	изготовлении	электровакуумных
приборов.

Разновидностью алюминоксида является поликор (поликристаллический корунд), обладающий особо плотной структурой. В отличие от обычной корундовой керамики поликор прозрачен, поэтому его применяют для

изготовления колб	некоторых специальных источников .светаПоликор
является ценным	материалом	для подложек	гибридных интегральных
микросхем.
Существенным преимуществом керамических подложек по сравнению
со стеклянными и	ситалловыми	является их	высокая теплопроводность,

которая во многом определяет допустимые значения рассеиваемой в них электрической мощности. Однако, наиболее высокой теплопроводностью (200—250 Вт/(м×К)) обладает окись бериллия и керамика на ее основе¾ брокерит (95—99% ВеО). Ее теплопроводность в сотни раз превышает теплопроводность стекол и стеклокристаллических материалов. К тому же

она имеет высокие электрические параметры: r~1016 Ом×м, tgd ~ 3×10-4 (на частоте 1 МГц). Металлизация изделий из брокерита обеспечивает получение вакуумных спаев керамики с медью и коваром. Помимо подложек для интегральных микросхем брокеритовую керамику применяют в особо мощных приборах СВЧ.

135

Низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот обладает также цельзиановая, стеатитовая и форстеритовая керамика. В состав цельзиановой керамики входят предварительно синтезированное соединение ВаО×Аl2О3×2SiO2, называемое цельзианом, углекислый барий ВаСО3 и каолин (Al2O3×SiO2×H2O), которые при обжиге изделий образуют дополнительно кристаллическую фазу цельзиана и высокобариевое алюмосиликатное стекло. Характерными особенностями цельзиановой керамики являются очень низкие

ТКl (2×10-6 К-1), ТКe (6×10-5 К-1) и повышенная Епр. (до 45 МВ/м). В нормальных условиях преобладает электронная электропроводность; ионная составляющая электропроводности становится значительной лишь при

температурах свыше 600°С. Цельзиановую			керамику	используют	для
изготовления каркасов высокостабильных индуктивных катушек, изоляторов
и	высокочастотных	конденсаторов	большой	реактивной	. мощности

Недостатком цельзиановой керамики является сравнительно небольшая механическая прочность.

Стеатитовую керамику получают на основе природного минерала— талька (3MgO×4SiO2×H2O). Основной кристаллической фазой, образующейся при обжиге заготовок, является клиноэнстатит (MgO×SiO2). Преимуществами

стеатитовой керамики являются ее малая абразивность и незначительная усадка при обжиге (1,0—1,5%). Поэтому из нее можно изготавливать мелкие детали с повышенной точностью в размерах. Стеатит применяют в качестве высокочастотных проходных изоляторов, опорных плат, изолирующих колец, деталей корпусов полупроводниковых приборов, а также в виде пористой вакуумной керамики для внутриламповых изоляторов. Недостатком стеатита является невысокая стойкость к термоударам.

Форстеритовую керамику (2MgO×SiО2) применяют для изготовления изоляторов вакуумных и полупроводниковых приборов, когда требуется вакуум-плотный согласованный спай с металлом, обладающим повышенным ТКl, например, с медью.

Конденсаторная керамика может быть с повышенным(e =10 —230) и

высоким (e > 900) значениями диэлектрической проницаемости. В первом случае при частоте 1 МГц значение tgd < 10-3, то есть керамика принадлежит к высокочастотным диэлектрикам, во втором при частоте 1 кГц значение tgd > 10-2 и такую керамику относят к низкочастотным диэлектрикам.

Специальными		материалами для		высокочастотных	конденсаторов
являются "титанатовые" керамические диэлектрики ¾ тиконды. Среди них
можно выделить керамику на основе рутила(TiO2), перовскита (СаТiО3),
титаната	стронция (SrТiO3).		Тиконды	характеризуется	пониженной
электрической прочностью (8—12 МВ/м), интенсивным электрохимическим
старением	при	длительной	выдержке	под постоянным	напряжением и

высоким отрицательным ТКe (см. пункт 4.9.3). Эти материалы используются