Диэлектрическую проницаемость

Специальная обработка диэлектрического материала при изготовлении МПП или ПП аддитивными методами заключается в его подтравливании и придании шероховатости для увеличения прочности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной обработкой сначала в серной кислоте, а затем в плавиковой или в их смеси (5:1) при температуре 50...60°С. Серная кислота образует с эпоксидной смолой сложный, растворимый в воде, сульфированный полимер, а обнажившееся стекловолокно вступает в реакцию с плавиковой кислотой. Скорость травления составляет 40 ...80 мкм/мин. После обработки платы нейтрализуют в растворе щелочей и тщательно промывают.

Оплавление обеспечивает более надежное изолирование электропроводящих нитей, кромок структур, контактных площадок и проводится при температуре выше температуры плавления диэлектрического материала.

центрами проводников равно D. Эту линию чаще всего выполняют с воздушным диэлектриком; для сохранения межцентровых/ расстояний применяют изолирующие распорки из высококачественного диэлектрического материала.

Пленочная интегральная микросхема — это ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрического материала.

В качестве подложки можно использовать пластину из полупроводника, чаще всего кремния. В этом случае микросхема называется полупроводниковой. Если подложка выполнена из диэлектрического материала (стекла, ситалла, керамики), а элементы микросхемы формируются из пленок проводящих, резистивных или диэлектрических материалов, такие микросхемы называются пленочными. В зависимости от толщины пленок различают тонкопленочные микросхемы, с толщиной пленок меньше 1 мкм и толстопленочные, где толщина пленок больше 1 мкм (десятки и сотни микрон). Поскольку активные элементы пленочных микросхем (транзисторы, диоды), а иногда и другие элементы выполняются отдельно и имеют самостоятельное конструктивное исполнение, такие микросхемы часто называют гибридными или гибридно-пленочными.

Подложками пленочных ИМС служат пластины из диэлектрического материала—ситалла, стекла, керамики, применяются также полиимидные пленки. Большинство перечисленных материалов обладает относительно низкой теплопроводностью, что затрудняет отвод теплоты от элементов микросхемы. В то же время мощные функциональные узлы (мощные усилители, вторичные источники питания, генераторы и другие) разрабатываются обычно в виде пленочных ИМС. В этом случае подложкой могут служить сорта керамики с высокой теплопроводностью (например, бериллиевая керамика), сапфир, иногда можно использовать анодированный алюминий. Тонкая пленка окисла на поверхности металла служит изоляцией для элементов пленочной микросхемы. Вместе с тем, имея небольшую толщину и значительную площадь, эта пленка не обладает большим тепловым сопротивлением. Керамические подложки, имеющие шероховатую поверхность, для тонкопленочных микросхем малопригодны и используются преимущественно для толстопленочных микросхем.

В зависимости от диэлектрического материала, используемого в конструкции корпуса, говорят о металло-керамических, металлостеклянных, металлополимерных, пластмассовых корпусах микросхем. Несмотря на хорошее качество герметизации микросхемы в исправном металлокерамическом или металлостеклянном корпусе, невозможно обеспечить вероятность нарушения герметичности (в виде трещин в стекле или плохого спая диэлектрика с металлом) ниже, чем вероятность отказа самой микросхемы. Напомним, что интенсивность отказов микросхем имеет порядок 10"'...10~9. К тому жеследует отметить, что качество герметизации микросхем в пластмассовом и металлополимерном корпусах вообще неудовлетворительное, так как полимерные материалы, например, плохо противостоят проникновению влаги.

Диэлектрические материалы. Общую оценку диэлектрического материала можно дать по его основным электрическим свойствам, учитывая, что хороший материал имеет высокую электрическую прочность, низкую электропроводность, малые диэлектрические потери. В некоторых случаях имеет особое значение величина ди-

Пленочные конденсаторы. Такие конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов ГИС. Конструктивно пленочные конденсаторы представляют собой трехслойную структуру металл — диэлектрик — металл (МДМ) и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала.

рожки, и избирательным стравливанием проводящего слоя с отдельных участков этих дорожек сформировать пленочные резисторы. При этом все соединения проводников с резисторами в такой интегральной микросхеме получаются сами собой, как бы автоматически. Конденсаторы в тонкопленочных ГИС могут быть изготовлены путем напыления на проводящую пленку диэлектрического материала, а затем снова напыления проводящей пленки. Напыление можно проводить, разогревая в вакууме испаряющийся материал (мишень) до высоких температур путем обычного нагрева (термовакуумное испарение), бомбардировки электронным лучом (электронно-лучевое испарение) либо тяжелыми ионами (катодное распыление). В 60-х годах огромные усилия исследователей были направлены на создание пленочных активных элементов, однако надежно функционирующих пленочных транзисторов с воспроизводимыми параметрами получить так и не удалось. В тонкопленочных ГИС используют активные навесные полупроводниковые компоненты.

При описании электрических явлений (в том числе и поляризации) обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами (выполненными из металла или другого проводника), к которым подводится электрическое напряжение, т.е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т.п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров в лаборатории.

Для большинства диэлектриков в электрических полях, которые создаются в конденсаторах, РЕ = осЕ, где ос — электрическая восприимчивость (поляризуемость). При наличии диэлектрика D = D0 + PI = 80E + aE. Представляя вектор электрического смещения как D = eaE, где еа — абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, и переходя к скалярной форме записи, что соответствует параллельности векторов Рх и Е, абсолютную диэлектрическую проницаемость определяют как еа = е0 + Р/?'=80 + а, а относительную как Бр = ?а/е0. Если векторы поляризации и электрического смещения параллельны, то ег>1. Для вакуума очевидно, что ег=1. Для твердых диэлектриков ег > 1 .

Длясегнетоэлектриков (названиеотсегнетовойсоли) характерен доменный тип поляризации, отличающийся тем, что в диэлектрике до наложения внешнего электрического поля имеются не отдельные полярные молекулы, а целые самопроизвольно поляризованные области (домены). Под действием внешнего электрического поля домены однообразно ориентируются так, что в диэлектрике создается большой поляризованный заряд и большой электрический момент. Следовательно, такие материалы имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Кроме того, зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля нелинейная, а после снятия внешнего электрического поля в сегнетоэлектриках поляризационный заряд не уменьшается до нуля, т. е. наблюдается остаточная поляризованность.

Переходя от абсолютного е к относительному значению диэлектрической проницаемости ег = е/е0, где ЕО = 8,865 • 10~12 Ф/м - диэлектрическая постоянная, определим относительную комплексную диэлектрическую проницаемость:

Диэлектрическую проницаемость испытуемого материала вычисляют, предварительно измерив емкость образца Ср в эквивалентной параллельной или Cs в эквивалентной последовательной схеме. Обычно находят е, — относительную диэлектрическую проницаемость (по отношению к электрической постоянной е„ =к 8,854 X Х10-12 Ф/м). В дальнейшем е для краткости будем именовать диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическую проницаемость гх испытуемой жидкости рас-считываем по формуле

Резонансный метод измерений реализован в диэлькометре «Тан-генс-2М». Этот прибор позволяет непосредственно измерять диэлектрическую проницаемость е и tg б. Структурная схема прибора показана на 4-14. Измерительная ячейка С0 входит в состав

Если значения ех материала образца и е, жидкости отличаются не более чем на ±5%, то диэлектрическую проницаемость находят по формуле

Выбор жидкой диэлектрической среды,' в которую погружается образец, имеет важное значение. Требуется иметь достаточно точные данные о значениях et и tg 81. Поскольку диэлектрическая проницаемость в-i неполярных жидкостей снижается с повышением температуры, необходимо в расчетные формулы подставлять значение Е!, соответствующее температуре в момент измерения, пользуясь температурной зависимостью е ( 4-15). Необходимо также соблюдение условия ег =; ех. Так, например, при испытаниях полиэтилена (EJ = 2,3) по указанным соображениям используют хро-матографический безводный бензол (БХ — 2,28). При испытаниях пенопластов (ех = 1,1 -=- 1,3) в качестве среды используют воздух (е, = 1). Диэлектрическую проницаемость фторопласта-4 определяют в циклогексане или в конденсаторном масле.

Относительную диэлектрическую проницаемость материала определяют как отношение емкости Сх конденсатора, в котором пространство между электродами заполнено испытуемым диэлектрическим материалом, к емкости С0 при таким же образом расположенных электродах в вакууме (воздухе):

Использование ячеек с микрометрическим винтом позволяет рассчитать диэлектрическую проницаемость непосредственно по результатам наблюдений. При измерении образец помещают между электродами измерительной ячейки и подвижный электрод опускают до тех пор, пока образец не будет зажат между пластинами. По микрометру отсчитывают расстояние f между электродами, т. е. толщину образца. Измеряют емкость С'х. Затем образец вынимают из ячейки и, перемещая подвижный электрод, добиваются, чтобы емкость измерительной ячейки без образца осталась такой же, как и при измерении с образцом. По микрометру вновь отсчитывают расстояние t" между электродами. Диэлектрическая проницаемость равна отношению двух отсчетов:

При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат ти-танат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость. Титанат бария позволяет получить удельную емкость С0 « 8000 пФ/см2 при толщине пленки около 25 мкм. Конденсаторы на основе титаната бария характеризуются большими диэлектрическими потерями на высоких частотах, поэтому их применяют только в качестве блокировочных и разделительных. Пленки на основе диоксида титана обеспечивают С0 ~ 1000 пФ/см2 и малые потери на частотах до 500 МГц. Стеклоэмали без добавок имеют малую диэлектрическую проницаемость и используются в качестве изоляционных материалов в местах пересечения проводников.