Материалы для изготовления корпуса датчиков

Материалы для изготовления корпуса датчиков

Глава 7. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОРПУСОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

7.1. ХАРАКТЕРИСТИКА КОРПУСОВ И МАТЕРИАЛОВ

Чтобы понять требования к корпусам полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) и задачи технологии их производства, нужно кратко ознакомиться с работой таких приборов, для создания которых используются: Si, Ge, GaAs, InSb, SiC и др. Принцип действия приборов основан на свойствах электроннодырочных р-л-переходов.

Диоды имеют один р-п-переход и применяются для выпрямления тока, стабилизации напряжения и тока, детектирования (демодуляции) и т. п. Транзисторы имеют два р-п-перехода (р-п-р или п-р-п). Три р-л-перехода — это тиристоры — биполярные полупроводниковые приборы. Полевые транзисторы типа металл-диэлектрик— полупроводник (МДП) предназначен для генерирования и усиления электрических колебаний, мощности, преобразования напряжений и т. д. Современное состояние технологии полупроводников позволяет синтезировать композиции с одинаковыми параметрами кристаллической решетки, но с различной шириной запрещенной зоны. Это позволяет в одном весьма малом объеме полупроводникового монокристалла получать различные гетеропереходы и реализовать сложные электронные схемы.

Полупроводниковые приборы на р-я-переходах нашли широкое применение в СВЧ-технике с диапазоном частот 30 МГц — 3000 ГГц, что соответствует диапазону длин волн электромагнитных колебаний Л,= 10 м — 0,1 мм. Этот диапазон называют УКВ (ультракороткие волны) и разбивают на более узкие: метровый (f = 30—3000 МГц, А,= 10—0,1 м), деци-, санти-, милли- и субмил-лиметровый (/=300—3000 ГГц; Х=1—0,1 мм). В данной главе будут рассмотрены диэлектрические материалы для сантиметрового диапазона: f—З—30 ГГц, Л,= 10—1 см.

При работе мощных СВЧ-приборов в полупроводниковых кристаллах имеет место рассеяние мощности, приводящее к нежелательному разогреву прибора. Для обеспечения нормальной работы это тепло должно восприниматься корпусом. Мощность полупроводникового прибора определяется его способностью рассеивать выделяемое при работе тепло.

В корпусах ИС имеется большое число выводов, до 300—400. В процессе работы схемы межэлектродные емкости и индуктивности могут отрицательно влиять на рабочую частоту прибора: чем они меньше, тем выше частота, на которой происходит отдача максимальной мощности. При разработке мощных приборов возникают проблемы значительного рассеяния тепла на оболочке, вывода больших уровней энергии через диэлектрическое окно, создание надежной изоляции при напряжениях 102—103 кВ. Диэлектрические окно в выходных устройствах электронного прибора предназначено для вывода в волноводный тракт генерируемой внутри прибора электромагнитной энергии. Из-за ограниченного размера выходного устройства плотность энергии в окне резко возрастает, что приводит к увеличению напряжений электромагнитных полей, пробоям, искрению, росту диэлектрических потерь и разогреву окна. Это вызывает тепловые и механические напряжения в окне и месте спая его с металлами и может привести к выходу из строя прибора из-за разрушения окна [4,5].

Корпус выполняет много функций: эффективный отвод и рассеивание тепла, выделяемого при работе микросхемы; электрическая изоляция полупроводниковых кристаллов; герметизация соединений; защита схемы от воздействия окружающей среды и механических повреждений. Корпус должен иметь минимальные индуктивности выводов и межвыводные емкости, быть согласованным по частотным характеристикам с системами, в которых работают СВЧ-схемы. Он должен: обеспечивать удобство монтажа микросхемы, надежность крепления при монтаже в аппаратуре; обладать коррозионной стойкостью; малой массой при высокой прочности и жесткости; быть простым и дешевым в изготовлении; сохранять целостность конструкции в условиях значительной вибрации и ударных ускорений.

Корпуса ИС могут быть стеклянные, металлостеклянные, керамические, металлокерамические, пластмассовые, металлопластмассовые и полимерные. Стекло было традиционным материалом для корпусов, но последнее время преимущественное распространение получили керамические материалы. Преимущества керамики перед стеклом состоят: в уменьшении потерь СВЧ-энергии; повышенной температуростойкости; более жестком и точном креплении микросхем. Керамика имеет слабовыраженную температурную зависимость характеристик до 500—1000°С (773—1273 К). Для стекол с размягчением 490—700 °С (763—973 К) резко возрастает электропроводность, диэлектрические потери, деформация, уменьшается механическая прочность. Из-за высокой механической прочности в металлокерамических композициях не обязательно совпадение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Керамика хорошо паяется.

Температура диссоциации оксидов керамики составляет 1000—1500 °С (1273—1773 К). Они не содержат летучих примесей, поэтому газовыделение керамики определяется сорбционными способностями и невелико по сравнению со стеклами. По газопроницаемости керамика как бы сочетает в себе положительные свойства стекла и металла; по отношению к водороду она непроницаема подобно стеклу, по отношению к гелию она непроницаема подобно металлам. Проницаемость газов через керамику мала. Например, через керамику А1203 лишь при 1500 °С (1773 К) обнаруживается проникновение N и Ог. Ее газопроницаемость при 900 °С (1173 К) на семь порядков меньше, чем у меди, в спаях — на два порядка. Керамика мало подвержена электролизу, по сравнению со стеклами обладает большой радиационной стойкостью. Способность керамики образовывать вакуумно-плотные высокотемпературные соединения с металлами делает ее незаменимой как конструкционный диэлектрик, который применяется в приборостроении более 50 лет. Первоначально керамику применяли для внутриламповых деталей для электрической изоляции и механического крепления арматуры. Дальнейшее развитие керамики связано с решением проблем вывода высоких уровней СВЧ энергии, значительного улучшения теплоотвода в мощных генераторах и усилительных приборах СВЧ.

Вакуумно-плотная керамика (ВПК) удовлетворяет жестким условиям работы мощных СВЧ-приборов [5, 49, 52, 53]. К ней предъявляется целый комплекс требований: максимальная теплопроводность;

способность образовывать вакуумно-плотные соединения с металлами и их сплавами;

минимальные диэлектрические потери в диапазоне СВЧ (109— 10й Гц) при температурах до 500—700°С (773—973 К);

высокая электрическая прочность в различных средах (воздух, вакуум, жидкие диэлектрические среды) при постоянном и переменном напряжении с большой длительностью импульсов;

высокая механическая прочность при нагревах и охлаждениях до отрицательных температур в условиях вибрации;

способность выдерживать большие градиенты температур, местные перегревы, быстрые изменения температур и многократные термические удары;

хорошая химическая стойкость и устойчивость к воздействию различных климатических факторов (влаги, морской воды, тумана, грибковой плесени), а также нейтральность к восстановительным и окислительным газам, радиационная стойкость и устойчивость к плазме;
В конструкциях корпусов используются и металлические материалы для выводов, теплоотводов, оснований, крышек и т. п. Металлы должны обладать высокими химическими, механическими и технологическими свойствами, способностью к пайке, сварке, гальваническим покрытиям. Применяют Сu, Al, Ni, Ag, АL и сплавы. Особенно распространены сплавы железа с никелем и кобальтом, которые образуют с рядом мягких и твердых стекол и керамикой надежные спаи.

Вакуумные свойства ВПК определяются газовыделением и газопроницаемостью, которые важны для построения правильного режима обезгаживания во время откачки и прогнозирования поведения вакуумного прибора. Для газовыделения существуют три причины: выделение легколетучих примесей, диссоциация оксидов и десорбция поглощенных газов. Применительно к ВПК значение имеет только последняя. Летучих примесей керамика не содержит, но если они и были, то улетучились на предварительном обжиге. Разлагаться с выделением газов могут остатки загрязнений.

Газопроницаемость — это величина, характеризующая количество газа (см3) при нормальных условиях, проникающее через 1 см2 площади при толщине стенки 1 мм за 1 с при атмосферном давлении газа с наружной (невакуумированной) стороны. Проникновение газов через ВПК, в которой нет сквозных пор и не нарушена структура, связано в основном с диффузией через монолитные структурные элементы — кристаллическую фазу и стеклофазу. Исключение могут составлять материалы, у которых структурные элементы отличаются по ТКЛР, поэтому могут образовываться микротрещины. К аналогичному эффекту приводят структурные превращения кристаллической фазы, например в стеатитовой керамике, протекающие с изменением объема. Современные материалы ВПК не имеют подобных пороков.

Механическая прочность керамики почти на два порядка меньше теоретической. Это объясняется поликристалличностью, множеством дефектов в структуре и их усугублением под воздействием окружающей среды, в том числе и влаги. Особенно сильно снижают прочность поверхностные дефекты, поэтому эффективны глазурование, органические пленки и другие покрытия. ВПК на основе А1203 имеет наибольшую прочность — оизг=35—40 кг/мм2 по сравнению с 12 кг/мм2 у стеатитовой керамики. Прочность в вакууме при 7=600 °С (873 К) возрастает на 39%, в воде при нормальной температуре уменьшается на 18%, а при нагреве до 50 °С (327 К) —на 27%.

На тепловые свойства алюмоокаидной керамики: ТКЛР постоянный до 600—800°С (873—1073 К), теплоемкость, теплопроводность— сильное влияние оказывает пористость и количество стек-лофазы.

Радиационная стойкость под воздействием нейтронного протонного, рентгеновского и уизлучения А1203-керамики очень высокая. В условиях облучения тепловыми нейтронами потоком (дозой) Ю17—Ю‘8 нейтрон/см2 при Т= —150 (423 К) и 300 °С (573 К) все свойства керамики практически не изменяются. При дозе 1020 нейтрон/см2 резко возрастают потери в НЧ-диапазоне из-за увеличения проводимости, но электрическая прочность изменяется незначительно. При больших облучениях из-за структурно-фазовых превращений снижается теплопроводность.

Для корпусов ИС применяются ВПК: сапфир, поликор, корунд, стеатит, форстерит, алюмооксидная керамика ВК-94 (22ХС) и др. При необходимости рассеивать в схемах большую тепловую мощность применяют бериллиевую керамику на основе ВеО (броке-лит-9, бромелит) или пленочные изоляторы наносят на ВеО керамику.

Наибольшее применение нашли одно- и многослойные корпуса из керамических пленок (лент), которые представляют собой эластичные листы, изготовленные методом литья органического шликера на основе керамики либо металлизационной пасты на полимерные подложки. В металлокерамическом корпусе эластичный лист может состоять из двух частей — керамической и металлизационной. Пленочные корпуса из керамики имеют свои преимущества и недостатки. Преимущества: возможность получения скрытых между слоями керамики токопроводящих дорожек, вакуум-плотность токовводов, снижение емкостей и индуктивностей; применение группового метода изготовления керамических изоляторов с использованием карт из эластичных листов, что значительно повышает производительность труда; частичное или полное исключение операции шлифовки и др. Недостатки: сложность твердосплавной штамповочной оснастки; необходимость применения шелкографии для металлизации и др.

Источник

Материалы, применяемые для изготовления емкостных датчиков

2. ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЕ КОНДЕНСАТОРНЫЕ ДАТЧИКИ ТОПЛИВОМЕРОВ

Эксплуатируемые в настоящее время и рассмотренные выше конденсаторные датчики топливомеров относятся к классу так называемых двухэлектродных конденсаторов независимо от числа труб. Отличительной особенностью их является наличие двух групп электродов, которые разделены контролируемым веществом-диэлектриком, а также диэлектриком изоляторов, к которым крепятся электроды.

Недостатки таких конденсаторов:

а) изменение диэлектрических свойств изоляторов в датчике, которое приводит к изменению общих емкости и потерь в конденсаторном датчике;

б) емкость соединительной линии при дистанционном измерении емкости датчика включается параллельно емкости датчика.

Для снижения влияния непостоянства емкости соединительной линии и повышения точности измерения в эксплуатируемых топливомерах начальная емкость датчика выбирается много больше возможной емкости соединительной линии.

В последние годы в измерительной технике широкое применение стали находить многоэлектродные и особенно трехэлектродные конденсаторы с группами электродов. Каждая пара групп электродов образует между собой емкости [23]. Эти емкости называются частичными.

Рисунок 4.15. Трехэлектродный конденсатор:

а — конструкция конденсатора; б — схема замещения.

В трехэлектродных системах (рис. 4.15) имеются три частичные емкости — С₁₂, C₁₃, С₂₃.В большинстве случаев измерение производят только одной емкости С₁₂, которую называют главной или прямой емкостью системы. Две другие емкости С₁₃ и С₂₃ называют земляными или частичными емкостями, так как третий электрод конденсатора обычно заземляют.

Основное преимущество трехэлектродных конденсаторов заключается в том, что прямая емкость конденсаторов зависит от диэлектрических свойств вещества между электродами 1и 2,их площади и расстояния между ними и не зависит от других частичных емкостей и емкостей кабеля. В то же время прямая и частичные емкости трехэлектродного конденсатора по свойствам подобны емкостям двухэлектродного конденсатора. Кроме того, емкость соединительных линий в этом случае включается параллельно частичным емкостям, ее величина и изменения не влияют на величину прямой емкости С₁₂. Следовательно, длина проводов и их емкость могут меняться с широких пределах в процессе измерения.

Другое преимущество трехэлектродного конденсатора за­ключается в том, что при правильной конструкции такого кон­денсатора его прямая емкость не зависит от диэлектрических свойств изоляторов, которыми укреплены электроды. Электрические потери у прямой емкости C₁₂ определяются лишь потерями в контролируемом диэлектрике.

Указанные преимущества трехэлектродных конденсаторов, полностью проявляются при относительно низких звуковых, частотах.

Как указывалось выше, прямая и частичные емкости трех­электродного конденсатора по свойствам вполне подобны емкостям двухэлектродного конденсатора. Поэтому все приведенные выше рассуждения, связанные с профилировкой двухэлектродных датчиков топливомеров, справедливы и при профилировке трехэлектродных конденсаторных датчиков, но относятся только к его прямой емкости C₁₂.

Все положительные свойства трехэлектродных конденсато­ров можно получить только при измерении их прямой емкости специальным измерительным прибором.

Электроды трехэлектродных конденсаторов, как и двухэлектродных, можно включать в различных сочетаниях, но при этом выводы от их активных электродов 1 и 2 (рис. 4.16) должны быть присоединены к экрану 3 или к соответствующим точкам измерительной цепи. Ни в коем случае любой из этих выводов не должен оставаться свободным, так как в таком случае возникает погрешность из-за суммирования их емкостей.

На рис. 4.16 показана одна из возможных конструкций коаксиального трехэлектродного датчика топливомера. Прямая емкость этого датчика образуется емкостью между низкопотенциальным 1 и высокопотенциальным 2 электродами датчика. Частичные емкости датчика образуются емкостями между заземленным электродом 3 и соответствующим главным электродом датчика.

При такой конструкции датчика изменения диэлектрических свойств изоляторов электродов, вызванные изменением их температуры, выпадением осадков из топлива и т. п., приводят к изменению частичных емкостей С₁₃ и С₂₃, но не вызывают изменения прямой емкости С₁₂датчика.

Емкость конденсаторного датчика уровня топлива может быть представлена одной из трех схем замещения, состоящих из двух параллельно включенных конденсаторов (рис. 4.17).

В первом случае емкость датчика С_х равна сумме емкостей верхнего конденсатора С₁ находящегося в газообразной среде над топливом с диэлектрической проницаемостью ξ_г, и нижнего конденсатора С₂, помешенного в топливо с диэлектрической проницаемостью ξ_т. Как С₁ так и С₂ — переменные емкости, зависящие от h. Можно записать:

где С₀ — погонная емкость датчика; h — высота уровня топлива, l— длина датчика.

Рисунок 4.16. Коаксиальный трехэлектродный емкостный датчик топливомера: 1 — низкопотенциальный электрод; 2 — высокопо­тенциальный электрод; 3— заземленный элек­трод; 4— изоляторы.

Рисунок 4.17. Схемы замещения емкостного датчика топливомера: 1 — первый случай; 2 — второй случай; 3— третий случай.

Во втором случае емкость конденсатора С_х постоянна и равна емкости датчика, помещенного в газообразную среду, т. е.

.

Емкость конденсатора С₂ равна приращению емкости датчика при погружении его в топливо на глубину h, т. е.

.

Таким образом, в этом случае емкость датчика равна

В третьем случае емкость конденсатора С₂ постоянна и равна емкости датчика, полностью погруженного в топливо, т.е..

Емкость конденсатора С₁ равна уменьшению емкости датчика за счет появления над топливом газообразного слоя толщиной l—h,т. е.

Следовательно, в этом случае

Представление емкостного датчика, находящегося в среде без диэлектрических потерь, в виде соответствующей схемы замещения имеет большое практическое значение. Для каждой схемы замещения имеется своя схема измерительного устройства, позволяющая определять уровень hтоплива, с минимальным числом регулируемых параметров и образцовых мер.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.004 с) .

Источник