CC BY
583
УДК 621.396.6
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
П.В. Заенчковский, О.Ю. Макаров
В статье рассматриваются свойства и возможные области применения керамических материалов АШ, ВеО, А12О3 и БЮ/81 в конструкциях радиоэлектронных устройств
Ключевые слова: керамика, нитрид алюминия, карбид кремния, теплопроводность, применение
Развитие радиоэлектроники на современном этапе, повышение надежности, уменьшение габаритов и массы устройств тесно связано с разработкой, изучением свойств и применением новых материалов. К ним можно отнести новые керамические и композиционные материалы, способные выдерживать высокие температуры и успешно работать в условиях агрессивных сред. Они являются перспективными для развития и совершенствования конструкций радиоэлектронных устройств. В данной статье рассмотрены и проанализированы свойства современных керамических материалов [1-3, 8-13] (http://keram-inform.narod.ru) и обозначены области их возможного применения в радиоэлектронике.
Карбид кремния и нитриды третьей группы в настоящее время являются наиболее перспективными материалами для современной микроэлектроники [1].
Для защиты различных элементов электронной техники в условиях воздействия ударных механических нагрузок наиболее перспективны тонкопленочные покрытия на основе А1К Выбор АШ обусловлен его высокой твердостью (7-8 по шкале Мо-оса) и теплопроводностью (140...280 Вт/(м-К)), а также химической инертностью и, в частности, стойкостью к воздействию щелочей и кислот [2].
Пленочные покрытия АШ могут быть сформированы эпитаксией из паровой фазы, реактивной молекулярно-лучевой эпитаксией, магнетронными ВЧ- и на постоянном токе распылением, диодным реактивным ВЧ-распылением, распылением ионным пучком, а также ионной имплантацией азота в алюминиевое пленочное покрытие [2-5].
Для формирования защитного покрытия, стойкого к воздействию ударных нагрузок, пригодны методы магнетронного или диодного распыления, а также распыления ионным пучком. Данные методы характеризуются направленностью потока пленкообразующих частиц и равновесными условиями формирования пленочного покрытия. При определенных параметрах данного процесса это приводит к образованию аксиальных текстур пленочных покрытий, проявляющихся у веществ с алмазоподобной решеткой в виде волокнистого строения [6-8].
Заенчковский Петр Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 89042147961
Макаров Олег Юрьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 43-77-06
Устойчивость текстурированных пленочных покрытий AlN к истирающим нагрузкам выше, чем у защитного покрытия на основе SiO2+Al2O3.
Высокая теплопроводность данных материалов (сопоставимая с теплопроводностью алюминия и меди) также дает возможность эффективного отвода тепла от нагретых поверхностей. Значения коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры приведены на рис. 1 (http://www.ivtec. ru). Коэффициент теплового расширения (КТР) подложек на основе AlN равен 4.1 10-6/0С, что соответствует КТР кремния (4.0 10-6/0С). Зависимость линейного теплового расширения от температуры представлена на рис. 2 (http://www.ivtec.ru). Таким образом, минимизируется напряжение в кристалле и слое припоя при термоциклировании интегральных схем и полупроводниковых приборов. Компания «Curamik Electronics» производит серию герметичных корпусов для силовых приборов, применяемых в аэрокосмической электронике (http://www.curamik. com). Такие корпуса, как правило, содержат несколько проводящих слоев и переходные отверстия. В Европе и США керамика из нитрида алюминия AlN, заменяет керамику BeO по экологическим причинам. Ограничение на производство и применение BeO не распространяется на керамику AlN, которая имеет сравнимую с BeO теплопроводность, и коэффициент теплового расширения ближе к кремнию, чем у BeO.
Таким образом, нитрид алюминия AlN является перспективным материалом для использования в изготовлении подложек для печатных плат, испытывающих большие механические и термоциклические нагрузки.
Вторым перспективным материалом является карбид кремния SiC/Si. Биоморфные композиты SiC/Si, которые в литературе также называются экокерамикой (ecoceramics - environment conscious ceramics), в последние годы вызвали большой интерес у технологов, физиков и инженеров после обнаружения в них необычных физических свойств, а также в связи с весьма заманчивой перспективой практического применения [9].
Биоморфные композиты конструируются на основе «канальных» углеродных матриц. Они получаются путем пиролиза (обугливания) различных сортов дерева (сосны, эвкалипта, манго, дуба, бука, клена и др.), с последующей инфильтрацией в пустые сквозные каналы этих матриц (с диаметрами
каналов от ~4 до ~100 цш) расплавленного 81; после химической реакции 81 с углеродной матрицей образуются композиты 81С/81 [8].
Температура (0С)
Рис 1. Зависимость теплопроводности от температуры. 1 - АШ, 2 - ВеО, 3 - А120з.
0,30
■&
■&
3 > у/ V *
л 2
у;' Л' 1
У*' / /
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Температура (°С)
Рис. 2. Зависимость линейного теплового расширения от температуры. 1 - АШ, 2 - ВеО, 3 -АЪОз.
Экокерамики 81С/81 характеризуются набором разнообразных свойств, которые делают их перспективными и более рентабельными для практических приложений по сравнению с классическими керамиками. Они обладают большой механической прочностью, противостоят окислению и коррозии, имеют малый вес (их плотность составляет ~ 2.3 г/см3). К их технологическим преимуществам относятся большая скорость получения керамики при не очень высокой температуре и достаточно низкая себестоимость производства [8, 10].
Уникальной особенностью биоморфных композитов является возможность изготовления керамических изделий с заранее выбранной формой, которая первоначально задается путем несложной механической обработки дерева. После проведения пиролиза и инфильтрации 81 в такие заготовки образуются высокопрочные, трудно поддающиеся механической обработке керамические изделия, которые сохраняют при этом первоначально заданную форму. Твердость биоморфного композита кремния составляет 9,2-9,3 по шкале Мосса. Уступает он по
этому показателю лишь алмазу и нитриду бора (ВМ [8].
Высокая теплопроводность карбида кремния может обеспечить эффективный отвод тепла. Это свойство в сочетании с высокими допустимыми рабочими температурами и большими скоростями насыщения носителей делает 81С-приборы весьма перспективными для использования в силовой электронике. Так, например, компания Тоуо1а применяет силовую электронику в гибридных автомобилях при температуре 300-5000С (http://www.electron1cs.ru/ issue/2006/5/4).
Наличие высокого пробивного напряжения в сочетании с высокой теплопроводностью дает возможность использовать 81С-корпуса в электронике, которые могут обеспечить надежную изоляцию и увеличить эффективность отвода тепла от нагреваемых модулей радиоэлектронных средств.
Биоморфная керамика 81С/81 может использоваться в качестве легких сверхпрочных материалов в приборостроении для изготовления корпусов радиоэлектронных модулей. Данное применение позволило бы увеличить срок службы приборов при эксплуатации их в условиях больших механических и температурных нагрузок. Это особенно актуально при проектировании электронных бортовых систем аэрокосмической и автомобильной промышленности.
Экспериментальные результаты по исследованию теплопроводности 81С/81 приведены на рис. 3 [10].
Из рис. 3 видно, что теплопроводность 81С/81 максимальна именно в области рабочих температур бытовых радиоэлектронных средств (300-400 К). Данное обстоятельство делает пригодным 81С для изготовления корпусов радиоэлектронных модулей, обладающих такими важными характеристиками как: высоким отводом тепла, износостойкостью, прочностью, малым весом, высоким удельным сопротивлением.
На рис. 4 показана зависимость (ЪтрР’) без учета его пористости. Видно, что в области низких температур (5-20 К) рсс^р СП = но при Т >
20 К удельное сопротивление возрастает с повышением температуры и при Т > 150 К выходит на зависимость л-згт- э 1.Г.1 Г": [9]. Это свойство особенно
важно при создании теплопроводящих подложек, которые благодаря высокому удельному сопротивлению обеспечивают надежную изоляцию.
Несмотря на то, что в настоящее время в общей структуре производства керамических материалов большую часть составляет функциональная керамика, максимальные темпы роста прогнозируются для керамических материалов конструкционного назначения. Об этом свидетельствуют результаты анализа оценок специалистов 100 ведущих фирм Японии, согласно которому перспективы применения керамических материалов на 70 % связаны с их механическими, тепловыми и химическими свойствами (http://www.electron1cs.rU/1ssue/2006/5/4).
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
5000
1МЮ
W iOO
i
10
I
0.2
Рис. 3. Температурные зависимости теплопроводности кристаллической решетки биоморфного композита кремния 81С/81 (1), измеренной в направлении роста дерева, поликристаллических образцов 3С-81С (3 - [11]), 2 - теплопроводность образца биоморфного композита 81С/81, 4 - гипотетическая кривая, связывающая имеющиеся в литературе низко- и высокотемпературные данные для теплопроводности 3С-81С.
0,024
0,023
0.022
В
а 0 021
d
0.020
0.019
0.018
50 100 150 200 250 300
Г, К
Рис 4. Температурная зависимость удельного электросопротивления исследованного образ-
ца биоморфного композита SiC/Si без учета его пористости, измеренная на образце, вырезанном вдоль оси роста дерева белого эвкалипта, для интервала 100-300 К. На вставках - зависимости .Ptc-г Р (Г-) для
низкотемпературного участка кривой (5-80 К) (а) и в логарифмическом масштабе для интервала 50-300 К (b).
Конструкционные керамические материалы разделяют на две группы: оксидную керамику (включая силикаты и стеклокерамику) и бескислородную (карбиды, нитриды, бориды). Долгое время
материаловеды не рассматривали керамику как возможный конструкционный материал. В первую очередь это было обусловлено основным ее недостатком - хрупкостью. Действительно, ведь по другим основным эксплуатационным параметрам (термостойкости, твердости, коррозионной стойкости, плотности, доступности и дешевизне сырья) она существенно превосходит металлы и сплавы.
Повышенная склонность керамики к хрупкому разрушению связана с исключительно низкой подвижностью дефектов, обусловленной прежде всего специфическим (ионно-ковалентным) характером связи в керамических структурах. Поэтому усилия исследователей направлены в первую очередь на устранение таких микроскопических дефектов керамики, которые выступают в роли центров зарождения трещин. Один из способов достижения этой цели состоит в тщательной очистке и очень тонком размоле исходного порошка и плотной его упаковке перед спеканием. Следует отметить, что идея применения тонкого помола порошков для интенсификации спекания была выдвинута впервые в России академиком П.А. Ребиндером еще в 50-х годах (http://www.electron1cs.rU/1ssue/2006/5/4).
Путем горячего прессования получают наиболее высокопрочные материалы из карбида кремния, однако изделия из них дороже получаемых другими методами, что обусловлено невозможностью изготовления деталей сложной конфигурации без дорогостоящей механической обработки алмазным инструментом (http://www.electronics.ru/1ssue/2006/5/4).
В ближайшем будущем ожидается применение принципиально новых керамических материалов. Примером служит полученная сравнительно недавно в Японии сверхпластичная керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, легированного 3 мол. % оксида иттрия
(http://www.electronics.ru/1ssue/2006/5/4).
При специфических условиях подготовки сырья и спекания получается поликристаллический материал с размером кристаллитов 0,3 мкм, который способен деформироваться, вытягиваясь под действием внешних нагрузок вдвое по сравнению с первоначальной длиной. Характерно, что после такой вытяжки керамика имеет прочность, превышающую прочность нитрида кремния, считающегося наиболее перспективным конструкционным материалом. Более того, нитрид и карбид кремния могут деформироваться без разрушения не более чем на 3 %, что в 40 раз меньше, чем созданный сверхпластичный материал на основе твердого раствора диоксида циркония и оксида иттрия. Это создает исключительные перспективы применения последнего, делая доступной обработку его такими традиционными в металлообработке приемами, как экструзия, волочение, ковка (http://www.electron1cs.ru/1ssue/ 2006/5/4).
Экокерамики 81С/81 характеризуются набором разнообразных свойств, которые делают их перспективными и более рентабельными для практических приложений. Они обладают большой механической прочностью [8, 10], противостоят окислению и коррозии, имеют малый вес. Использование их
при создании корпусов радиоэлектронных модулей позволит увеличить теплоотвод за счет высокой теплопроводности данных материалов, что в свою очередь позволит избежать применения дополнительного оборудования (радиаторов и вентиляторов) для охлаждения радиоэлектронных средств. Это способствует уменьшению потребляемой энергии прибором (в случае использования принудительного охлаждения), а также минимизации его габаритов и массы.
Подложки на основе оксида бериллия (BeO), хотя обладают и отличными теплопроводящими свойствами, и высоким электрическим сопротивлением, дороги и весьма токсичны. Незаменимыми они пока являются при изготовлении СВЧ-транзисторов, так как их потери на высоких частотах очень низки. Но и здесь, при производстве приборов на основе SiC, намечается более перспективное решение. Если транзистор или диод имеют планарную конструкцию, тончайшая пленка AlN, выращенная на обратной стороне SiC-подложки, благодаря высокому пробивному напряжению обеспечивает надежную изоляцию, практически не препятствуя отводу тепла. Работа SiC-полупроводниковых приборов при температуре более 200-250°С даже на подложках из BeO невозможна из-за значительной разницы в коэффициенте линейного расширения (http://www.electronics.ru/issue/2006/5/4).
Поэтому, сегодня самый востребованный продукт на рынке SiC-приборов - подложки из карбида кремния. С каждым годом улучшается их качество и увеличивается диаметр. Сейчас он составляет 100 мм. По данным фирмы Cree (http://www.cree.com/), около 89 % поверхности подложек с плотностью дефектов 22 см-2 пригодны для изготовления приборов площадью 1 см2. Подложки SiC используются как для роста собственно карбида кремния, так и для формирования гетероэпитаксильных структур GaN/AlGaN. Хотя SiC дороже сапфира, его рассогласование по кристаллической решетке с GaN меньше, а теплопроводность выше, чем у сапфира.
Уже разработана и технология производства полу-изолирующих подложек, которые необходимы для изготовления высокочастотных транзисторов. Наибольших успехов в области производства подложек достигли фирмы Cree (http://www.cree.com/) и Intrinsic Semiconductor
(http://www.intrinsicsemiconductor.com/). На протяжении последних лет плотность дефектов неуклонно снижалось с более 100 см-2 до менее 5 см-2. В начале 2006 года компания Intrinsic Semiconductor объявила о начале коммерческих поставок полностью свободных от дефектов подложек (Zero Micropipe - ZMP) диаметром до 100 мм [13].
Воронежский государственный технический университет
Таким образом, новые керамические материалы перспективны для изготовления корпусов радиоэлектронных модулей и подложек для печатных плат, испытывающих большие термические и механические нагрузки. Разработка данных конструкций поможет снизить как габариты и массу изделий, так и повысить надежность и эффективность энергопотребления.
Литература
1. Белянин А.Ф., Самойлович М.И. Пленки алмаза и алмазоподобных материалов: формирование, строение и применение в электронике / В кн.: Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства электронной техники). - М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2003. - С. 19-110.
2. Белянин А.Ф., Самойлович М.И., Житковский В.Д., Каменева А.Л. Ударостойкие защитные пленочные покрытия на основе AlN в электронной технике // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2005, № 5.
3. Белянин А.Ф., Житковский В.Д., Пащенко П.В. Пленки нитрида алюминия: получение, строение и применение в устройствах электронной техники // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 1998. -Вып. 1. -С. 29-37.
4. Белянин А.Ф., Буленков Н.А., Тер-Маркарян А.А. и др. Структурные особенности пленок нитрида алюминия, полученных высокочастотным магнетронным распылением // Техника средств связи. Сер. ТПО. - 1983. - Вып
1. -С. 41-45.
5. Белянин А.Ф. Применение в электронной технике легированных пленок AlN, выращенных ВЧ- магнетрон-ным распылением // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. -2002. -№ 1-2. - С. 74-82.
6. Каменева А.Л., Житковский В.Д., Александров Д.В., Самойлович М.И. Изучение физико-химического взаимодействия на границах раздела фаз в слоистых материалах и покрытиях / Тр. XI междунар. науч.-техн. конф. «Высокие технологии в промышленности России». - Москва. - 2003. - С. 158-167.
7. Камнева А. Л., Александров Д. В., Белянин А. Ф. и др. Пленки AlN, ZrN, TiZrN: технологические особенности формирования / Тр. II Межрегион. семинара «Нанотехнологии и фотонные кристаллы». - Калуга. - 2004. - С. 232-249.
8. Каменева А. Л., Александров Д.В., Белянин А.Ф. и др. Структурные и морфологические особенности упрочняющих покрытий, получаемых методами магнетронного распыления и вакуумного испарения / Тр. II Межрегион. сем. «Нанотехнологии и фотонные кристаллы». Калуга. 2004. - С. 126-168.
9. A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, P. Gonzalez, C. Dominguez, V. Fernandez-Quero, M. Singh. Int. J. Appl. Cer. Tehnol. 1, l, 1 (2004).
10. Парфеньева Л.С., Орлова Т.С., Картенко Н.Ф. и др. Теплопроводность биоморфного композита SiC/Si -новой экокерамики канального типа. ФТТ 47, 7 (2005).
11. Кардашев Б.К., Буренков Ю.А., Смирнов Б.И., A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, F.M. Varela-Feria. ФТТ 46, 10, 1811 (2004).
12. Properties of SiC / Ed. G.L. Harris. N 13 MSPEC Publ. 1, 3. Thermal Conductivity of SiC (1995). P. 5.
13. 11. Wicht Technologie Consulting - PRESS RELEASE. Silicon Carbide Electronics Markets 2004-2009: New Horizons for Power Electronics.- PRESS RELEASE -Wicht Technologie Consulting.
PROSPECTS OF APPLICATION OF CERAMIC MATERIALS IN THE RADIO-ELECTRONIC INDUSTRY
P. V. Zaenchkovskiy, O. J. Makarov
In clause properties and possible scopes of ceramic materials AlN, BeO, A12O3 and SiC/Si in designs of radio-electronic devices are considered
Key words: ceramics, aluminium nitride, silicon carbide, thermal conductivity, application
