ЦЕНТРАЛЬНОЕ
КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО
СПЕЦИАЛЬНЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ
Главная / Статьи / Керамические материалы в СВЧ технике
 «Компоненты и технологии» №5 2011 г
Керамические материалы в СВЧ-технике
Корякова З.В.,к.т.н.,нач отдела    ОАО «ЦКБ РМ»
 
 
   Создание новых материалов является приоритетным направлением в ряде наиболее развитых стран, так как материалы определяют дальнейшее развитие таких отраслей , как вычислительная техника, радиотехника, автоматика, радиолокация ,спутниковая связь, навигация и др. Именно материалы стали ключевым звеном, позволяющим решать многие инженерные задачи при разработке сложнейшей современной аппаратуры.
   Вот почему независимо от выполняемых функций рабочие характеристики всех элементов определяются свойствами используемых материалов ,т. е. выходные параметры аппаратуры находятся в прямой зависимости от применяемых материалов, и перспектива  их развития определяется прогрессом в области создания современных материалов и технологий.
   Ярким примером тому служит микроэлектроника, особенно в области сверхвысоких частот.
   Развитие микроэлектроники внесло коренные изменения в принципы конструирования радиоэлектронной аппаратуры ; основной тенденцией развития которой является повышение степени интеграции, т. е. уменьшение размеров элементов и СВЧ - узлов .
   Наиболее полно требованиям современной техники отвечает микроволновая керамика, параметры которой поддаются математическому планированию и технологическому регулированию.
   Основные требования предъявляемые к  керамическим материалам, используемым в приборах СВЧ-диапазона это повышенная диэлектрическая проницаемость с близким к нулю ТКе (температурный коэффициент диэлектрической проницаемости), обеспечивающая уменьшение размеров микроволновых устройств и малые диэлектрические потери, приводящие к повышению их добротности (Q~1/tgõ).
   Пленочные интегральные микросхемы представляют собой завершенные структуры и важнейшие элементы современной базы микроэлектроники.
   Производство СВЧ- микросхем характеризуется сложными технологическими процессами, а их выходные параметры- качеством используемых  основных и вспомогательных материалов, поэтому в настоящее время наблюдается значительный прогресс в области их исследований и разработок.
   Одним из компонентов микросхем является диэлектрические подложки, служащие диэлектрическим и механическим основанием, а также и теплоотводом для пленочных и навесных элементов.
   К конструкции и материалу предъявляется  ряд требований, вытекающих из необходимости обеспечения заданных электрических параметров и особенностей технологии изготовления пассивных элементов.
   Материал подложки должен обладать следующими свойствами и характеристиками:
 -  малым тангенсом угла диэлектрических потерь,
 -  высоким и стабильным значением диэлектрической проницаемости,
 -  высоким сопротивлением изоляции и электрической прочностью,
 -  высокой теплопроводностью,
 -  достаточной механической прочностью ,обеспечивающей ее целостность при выполнении всего технологического процесса,
 -  способностью к механической обработке, позволяющей  обеспечивать жесткие допуски на линейные размеры,
 -  согласованностью температурных коэффициентов линейного расширения подложки и нанесенных на нее пленок,
 -  устойчивостью к воздействию химических  реактивов,
 -  высокой температурной стойкостью.
   Перечисленным требованиям в полной мере не может соответствовать какая-либо одна универсальная подложка, в связи  с чем, в каждом конкретном случае выбор подложки основывается на компромиссном решении.
   Рассмотрим основные характеристики подложек.
   Диэлектрическая проницаемость материала подложки ( Е), определяет длину волны в линии передачи и, следовательно, линейные размеры микросхемы. Для повышения степени интеграции и с целью снижения потерь на излучение применяют подложки с высоким значением диэлектрической проницаемости. Однако при возрастании Е могут возбудиться поверхностные волны, усиливается зависимость  Е от температуры ,т е.   возрастают требования к стабильности данного параметра , что в свою очередь ограничивает максимальное значение Е.
   В   СВЧ-микросхемах  с достаточно высокими уровнями мощности подложка должна иметь хорошую теплопроводность и электрическую прочность, так как в микрополосковой линии предельная мощность при непрерывном режиме составляет несколько десятков ватт , а при работе в импульсном режиме единицы милливатт.
   При конструировании СВЧ-микросхем важную роль играет класс чистоты обработки поверхности подложки, который определяет четкость и точность рисунка (топологии) схемы, высокочастотные потери в проводниках.
   Структура материала подложки и состояние ее поверхности влияют на параметры пленочных элементов .Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как микронеровности уменьшают толщину резистивных и диэлектрических пленок. При толщине пленок около 100нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм, что соответствует 14 классу чистоты. Толстые пленки имеют толщину 10-50 мкм, поэтому подложки для толстопленочных микросхем могут иметь микронеровность 1-2 мкм, что соответствует 8-10 классу чистоты.
   Качество подложек определяется фазовым составом, микроструктурой и плотностью материала .Фазовый состав влияет на физико-механические и электрофизические свойства материала, структура и плотность  на чистоту поверхности ,влагостойкость и стабильность параметров.
   В частности, для создания подложек СВЧ- микросхем необходимы материалы с   мелкокристаллической структурой (величина зерен в которой не превышает 3мкм), что обеспечивает чистоту поверхности не ниже 13 класса.
   С учетом вышеназванных требований ОАО «ЦКБ РМ» разработан параметрический ряд СВЧ-керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью(  Е от 15до 130).
   В целях получения оптимального сочетания свойств  разработанных материалов использовались составы, включающие соединения, находящиеся в параэлектрическом состоянии в интервале рабочих температур, а также соединения с преобладающей электронной поляризацией и сильным внутрикристаллическим полем.   К таким соединениям относятся титанаты кальция ,стронция и диоксид титана.
   Учитывая прямую связь между поляризуемостью и значением диэлектрической проницаемости , синтезируемые керамические материалы содержат ионы с высокой поляризуемостью, такие как стронций, барий, лантан, церий.
   Принимая во внимание ,что материалы должны обладать минимальным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (ТКе) , учитывались факторы, влияющие на ТКе,а именно состав и свойства основных кристаллических фаз, которые образуют твердые растворы внедрения или замещения. Путем регулирования образования  указанных твердых растворов, имеющих положительное или отрицательное значение ТКе, возможна его корреляция.
   Таким образом, термостабильные  керамические материалы представляют комбинацию фаз с взаимокомпенсирующим значением ТКе.
   Одновременно следует учитывать, что ТКе является структурочувствительным параметром, регулировать который можно также путем направленного создания определенной микроструктуры.
   В связи с этим обстоятельством . синтез керамических материалов проводили на основе соединений, имеющих различные электрофизические характеристики, в частности, температуру плавления и диэлектрическую проницаемость. Тогда при обжиге легкоплавкая фаза с низким значением Е переходит в жидкое состояние и образует непрерывный слой вокруг фазы с высоким значением Е. При этом, учитывая разницу в коэффициентах линейного расширения фаз, в кристаллах матрицы возникают механические напряжения, которые влияют на электрофизические свойства материала ,в частности, на ТКе.
   Высокочастотные керамические материалы для подложек и  других функциональных элементов микросхем синтезированы в следующих оксидных системах :
MgO-TiO2-La2O3, SrO-TiO2 -MgO-ZnO, BaO-TiO2-MnO2.
    Технические характеристики СВЧ- материалов приведены в табл.1                                   
                                                                                                                              Таблица 1  
   Наименование
        Наименование материала ( марка)
МТ-15
МТ-20
БА-35
МТ-60
МТ-90
СТП-130
Плотность ,кг/м3
3500
3600
4350
3950
3900
4900
Диэлектрическая прпоницаемость (Е) при частоте 1010Гц
15,0
20,0
35,0
60,0
70,0
130
Тангенс угла диэлектрических потерь (tgõ)
при частоте 1010Гц
0,0005
0,0002
0,0003
0,0004
0,0003
0,0004
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости,
ТКе10-6 1/град.
90±30
100±30
0±30
100±30
700±100
750±100
Предел прочности при статическом изгибе, МПа,не менгее
114
120
136
126
119
144
Микротвердость ,ГПа
 
8,2
8,5
7,6
8,9
8,5
9,8
Водопоглощение ,%,не более
                                          0,02
Чистота поверхности,
 кл
                                13-14
 
   Разработанные керамические материалы обладают достаточно высокой химической стойкостью,  хорошо и без разрушений очищаются, шлифуются и полируются ,допускают различные методы металлизации.
   Использование указанных материалов повышает интеграцию микросхем, снижает их массо-габаритные размеры в 1,5-2 раза, увеличивает срок службы и производительность труда при их производстве за счет использования групповой технологии.
   Одновременно, материалы марок МТ-60, Т-90,СТП-130  с целью микроминиатюризации  аппаратуры используются для изготовления излучателей ,монолитных конденсаторов, резонаторов и оснований линий задержки.
   Керамический материал с высоким абсолютным значением температурного коэффициента диэлектрической проницаемости (ТКе) марки МТС-25,разработанный ОАО «ЦКБ РМ»,предназначен для использования в современных фазовращателях с целью расширения их функциональных возможностей.
   В существующих конструкциях фазовращателей используются ферритовые и керамические элементы со специальными электрофизическими свойствами. Путем варьирования характеристик керамического материала можно добиться оптимизации выходных параметров прибора: увеличить фазовую активность, т.е. увеличить значение управляемого фазового сдвига (∆f) на единицу длины ферритового вкладыша, упростить его конструкцию, уменьшить габариты, увеличить надежность работы.
   Как правило, рабочая частотная область фазовращателей выбирается в промежутке частот, свободном от паразитных резонансов волн высших типов. Причем приходится учитывать смещение резонансов в зависимости от рабочей температуры. В связи с данным обстоятельством для системы феррит-керамика целесообразно использовать керамический материал с изменяющимся с ростом температуры значением диэлектрической проницаемости, что будет способствовать смещению паразитных резонансов, или иными словами, как бы отодвигать их от зоны рабочих частот.
   Экспериментальные исследования показали, что керамика с положительным ТКе, выравнивая фазовую характеристику, ухудшает положение паразитных резонансов, уменьшает рабочую полосу фазовращателя. Поэтому керамический материал должен иметь отрицательный ТКе .
   Следует отметить, чем сильнее изменяется диэлектрическая проницаемость, т.е.. чем выше абсолютное значение ТКе, тем существеннее эффект смещения паразитных резонансов. При этом следует учитывать, что тангенс угла диэлектрических потерь керамического материла в СВЧ -диапазоне не должен превышать  значения 5х10-4, т.к. минимальные потери прибора не должны превышать 0,6дБ.
   Кроме того, целесообразно использовать керамический материал, имеющий значение диэлектрической проницаемости Е=27±1, поскольку более высокое значение (Е>28) недопустимо из-за возникновения резонансов высших типов волн, в области меньших значений диэлектрической проницаемости (Е<25) – нелинейные изменения положения резонансов паразитных потерь ухудшают распределение электромагнитного поля в феррите и уменьшают величину полезно используемой энергии.
   Из вышеизложенного видно, что керамический материал должен обладать весьма нехарактерным сочетанием свойств: при сравнительно невысоком значении Е иметь большой отрицательный ТКе.
   Проведенный анализ позволил синтезировать требуемый материал в системе МgTiO3­SrTiO3, в узкой области ее существования, к тому же данная система характеризуется тем ,что один из ее компонентов, а именно  титанат стронция (SrTiO3 ), имеет максимально отрицательное значение ТКе (ТКе 10-6  0С-1= -2500).
   Создание материалов на основе двух и более кристаллических фаз является  одним из элементов современной технологии ,так как позволяет получать заведомо прогнозируемые микроструктуры, где соединения с низкими диэлектрическими потерями, составляют основу материала,- матрицу, а соединения с высокими диэлектрическими потерями входят виде разделенных кристаллитов .В нашем случае в качестве матрицы выступает фаза титанат
магния (MgTiO3 ), а SrTiO3 входит виде кристаллитов, окруженных слоями оксидных компонентов -модификаторов. Причем
в качестве модификаторов использовались оксиды редкоземельных элементов церия и лантана.
   Синтезированный материал получил наименование - керамический материал марки МТС-25 и в настоящее время успешно используется в серийно выпускаемых фазированных антенных решетках (ФАР), используемых в радиолокационных станциях ( РЛС).
 
                   Техническая характеристика материала МТС-25 приведена в таблице 2.
                                                                       
                                                                                                                    Таблица 2
                                                                                                                                                                                     
                    Показатели
 Наименование материала- МТС-25
 
Плотность,кг/м3
                   4700
 
Диэлектрическая проницаемость
при частоте 1010 Гц
                     25
 
 
Тангенс угла диэлектрических ротерь (tgõ) при частоте 1010 Гц
 
                    0.0005
 
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, ТКе 10-6 0С-1
                      - 780
 
 
Предел прочности при статическом изгибе , МПа
 
                      142 
Микротвердость, ГПа, не менее
 
                         8,9
Водопоглощение, %,неболее
 
                         0.02  
Чистота поверхности, Кл
 
                   13-14
  
 
   Так применение материала марки МТС-25  в конструкции  фазовращателей   РЛС  «Ирбис» позволило упростить их конструкцию, увеличить  активность, уменьшить габариты. повысить срок службы и надежность работы.
   В 2009 году нашим предприятием были разработаны СВЧ-керамические материалы марок Ф-7 и ФР-10 с диэлектрической проницаемостью 7,25 и 10 взамен ситаллов марок СТ-38-1 и СТ32-1.
   Полученные материалы по своим электрофизическим свойствам соответствуют ситаллам, но превосходят их по механической прочности, теплопроводности и стойкости к агрессивным средам.
   Материалы Ф-7 и ФР-10 синтезированы в системе MgO­SiO2 ; MgO­SiO2­TiO2.
   Сравнительные характеристики ситаллов и керамических материалов приведены в таблице 3.
                                                                                                                          Таблица 3                                        
 
 
         Показатели
 
 Наименование материалов ( марки)
 СВЧ- ситаллы
 СВЧ-керамика
СТ-38-1
СТ-32-1
   Ф-7
 ФР-10
Плотность, кг/м3
2900
3100
3000
3200
Диэлектрическая проницаемость(Е) ри частоте 1010 ГЦ
 
7,25-7,4
9,7-10
7,25-7,45
9,7-10,0
 
 
Тангенс угла диэлектрических потерь
(tgõ) при частоте 1010 Гц
0,0002
0,0003
0,0003
0,0004
ТКе в интервале 20-800С
при частоте 1010 Гц
+40
+60
80±30
90±30
Предел прочности при статическом изгибе, МПа
100
100
180
200
Коэффициент линейного термического расширения L,10-7 С-1
38
32
78
81
Коэффициент теплопроводности при 1000С,Вт/м 0С
1,63
1,67
18
22
Водопоглощение,%, не более
 
      -                        -                               0,02
Чистота поверхности, кл.
 
                            13-14
 
   Изделия из керамических материалов марок Ф-7 и ФР-1- использованы в качестве  оснований функциональных элементов  микроэлектроники в современных ФАР.
   Разработанные ОАО «ЦКБ РМ»   СВЧ- керамические материалы позволяют улучшать основные параметры микроволновых элементов в широких пределах за счет направленного выбора конкретного материала с требуемыми свойствами, а также решать задачи обеспечения потребности отраслей страны отечественными компонентами, уменьшать зависимость микроэлектроники от зарубежных поставок.
 
Литература 
1. А.Силин, Д. Холодняк «Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот СВЧ на основе керамики с низкой температурой обжига» Компоненты и технологии.2005г.№ 5.
2. А.Раскин, В.Прокофьева «Технология материалов микро, опто и наноэлектроники».М.Бином..2010г.
3. Ю.Борисов «Отечественная электронная промышленность и компонентная база. Перспективы развития.» Электроника.2006г.№ 2.
                        
            
© Центральное конструкторское бюро специальных радиоматериалов карта сайта | главная | разработки (495)361-4504, (495)362-4844ф
Главная
Разработки
История
Статьи
Лицензии
Патенты
Информация
Контакты
Форма запроса на радиопоглощающие или экранирующие материалы
«Expopriority\'2012»
Награды
день инноваций 2013
Expopriority2013
Акционерам
Дни Инноваций МО РФ 2014
EXPOPRIORITY-2015
  Главная      Написать письмо      Карта сайта