ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ СВЧ-РЕЗИСТОРОВ

Перинский Владимир Владимирович

д-р техн. наук, профессор CГТУ имени Гагарина Ю.А., г. Саратов

Перинская Ирина Владимировна

канд. техн. наук, доцент CГТУ имени Гагарина Ю.А., г. Саратов

Е-mail: perinskaiaiv@rambler.ru

TECHNOLOGIES OF DIAMOND MATERIALS  FOR SMALL-SIZED MICROWAVE OVENS OF RESISTORS

Vladimir Perinsky

Doctor of Engineering, professor of SSTU Gagarin Yu.A.name,

Saratov

Irina Perinskaya

Candidate of Technical Sciences,

Associate Professor of SSTU Gagarin Yu.A.name, Saratov

АННОТАЦИЯ

Объектом исследования являются малогабаритные СВЧ резисторы на основе алмазной керамики.

ABSTRACT

The object of the study are small microwave resistors based diamond ceramics.

Ключевые слова: резистор; лазерное воздействие; металлизация; мощность рассеяния.

Keywords: resistor; laser treatment; plating; power dissipation.

Проблема рассеяния тепла является лимитирующей при конструировании приборов повышенной мощности. В процессах теплопередачи выделяют три принципиально различных элементарных способа распространения теплоты: за счёт теплопроводности, теплового излучения и конвекции.

Эти виды теплообмена в реальных условиях редко наблюдаются раздельно, в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются одновременно. Однако максимальный вклад в процессы теплообмена вносит теплопроводность. Основным законом передачи теплоты за счёт теплопроводности является закон Фурье, согласно которому элементарное количество теплоты dθ, передаваемое за счёт теплопроводности через элемент поверхности dS, перпендикулярный тепловому потоку, за время dτ, прямо пропорционально температурному градиенту dT/dn, площади элемента поверхности dS и времени dτ:

где l_Т — коэффициент теплопроводности, численно равный количеству теплоты, переносимому через единицу поверхности за единицу времени при градиенте температуры, равном единице [1, с. 196—197].

Количество высокотеплопроводных неметаллических материалов в природе ограничено. Широко распространённым материалом является окись бериллия (теплопроводность достигает 210 Вт/м при 300 К). В последнее время появились данные об использовании уникальной теплопроводности алмаза. Природные алмазы превосходят по теплопроводности медь в 2—6 раз.

а                                                                         б

Рисунок 1: а — сравнительная теплопроводность материалов;

 б — физико-технические свойства алмаза [1, с. 197—198]

Природный алмаз — минерал, относящийся к классу драгоценных камней и представляющий собой почти чистый углерод.

Диэлектрические свойства алмаза характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением, величина которого при комнатной температуре может быть1×10¹²—1×10¹⁴ Ом см. Встречаются также алмазы с большим значением диэлектрической проницаемости равной 5,58±0,03, при комнатной температуре в диапазоне частот 0…3 кГц [2, с. 138—140].

Наряду с целым рядом положительных свойств алмазы обладают и некоторыми недостатками. Технические алмазы имеют незначительные размеры (0,8—1,0 мм). Кроме того они хрупки, имеют наружные и внутренние трещины, анизотропию свойств. Они также дефицитны и дороги.

Синтетические алмазы имеют одинаковые с природными: плотность, химический состав, структуру, твёрдость и отличаются от природных только формой, прочностью зёрен и характером поверхности, которая более шероховата. При синтезировании по специальной технологии можно получить алмазы, не уступающие по тепловым характеристикам лучшим природным. В синтетических алмазах прослеживается взаимосвязь между теплопроводностью и содержанием азота (рис.2) [3, с. 201].

Рисунок 2. Зависимость теплопроводности синтетического алмаза

Экспериментальные данные показывают, что наиболее чистые синтетические алмазы с низкой концентрацией азота (≤ 2×10¹⁸см^-3) обладают высокой теплопроводностью (λ=1800÷2000 Вт/мК), что характерно для природных алмазов.

Необходимо отметить, что полученную корреляцию между теплопроводностью и концентрацией примесного азота не следует рассматривать как закономерность, присущую всем синтетическим алмазам, так как она может зависеть от многих факторов, в том числе от свойств исходного графита, металлов-растворителей и других технологических условий процесса синтеза.

Тепловые свойства синтетических алмазных поликристаллов изучены в меньшей степени, чем монокристаллы. В тоже время область применения этих поликристаллов расширяется, например, в случае теплоотводов для твёрдотельной электроники.

Алмазные поликристаллы получают в условиях высоких температур и давлений, начиная с 1400°С и 60 кБар. При этом используются порошки природных или синтетических алмазов различных марок и зернистости.

Поликристаллы могут быть получены как с добавками металлов, так и без них. Поликристаллические алмазы, спечённые без металлической связки, имеют плотность ≤3,52 г/см³ и представляют собой двухфазную систему, поскольку образуются графитоподобные прослойки на внеконтактных поверхностях алмазных зёрен. Для такой системы любое нарушение в фононной проводимости будут отражаться на её тепловых свойствах. Следовательно, теплопроводность будет зависеть от структуры, размера и границ зёрен. Чтобы изготовить поликристаллы с высокой теплопроводностью, необходимо стремиться к однофазной системе, т.е. срастанию алмазных зёрен без графитовых прослоек.

Технология приготовления поликристаллов алмаза заключается в умении увеличить до максимума пластическую деформацию зёрен, уменьшив до минимума графитизацию. Теплопроводность некоторых синтетических поликристаллов алмаза не только превышает теплопроводность меди и серебра, но и достигает значений, характерных для монокристаллов природных и синтетических алмазов. Во многих устройствах вакуумной и полупроводниковой техники необходимы теплоотводы гораздо больших размеров, чем теплоотводы на основе монокристаллов алмаза, при этом используется алмазная керамика с высокой теплопроводностью и требуемым удельным сопротивлением [1, с. 200—201].

Рисунок 3. Конструкция лавинно-пролетного диода на алмазном кристаллодержателе: 1 — кристаллодержатель, 2 — алмаз, 3 — кварцевая втулка, 4 — вывод,

5 — крышка, 6 — полупроводниковый кристалл диода, 7 — алмазная керамика

Несмотря на то, что алмазный теплоотвод дороже медного, при использовании алмазов малых размеров (111 мм) разница в стоимости относительно низкая по сравнению с общей стоимостью полупроводникового прибора. Кроме того, повышение выходной мощности и улучшение других параметров прибора, а также налаживание массового производства алмазных теплоотводов делает их применение рентабельным

Для спекания алмазных микропорошков применяют аппараты высокого давления с наковальнями, имеющими углубление типа «тороид», позволяющие развивать давление до 7—8 ГПа при температуре до 2000°С.

Установка состоит из гидравлического пресса усилием ~ 2000 Т, системы нагрева, охлаждения и системы автоматического поддержания параметров, которая обеспечивает необходимый технологический режим:

·     повышение и снижение нагрева со скоростью 0—100 Вт/с;

·     выдержку заданного значения мощности в течение 0—180 с. с точностью не хуже 0,5 %.

На стадии прессования (при Т~300 К) уплотнение алмазного порошка происходит за счёт взаимной ориентировки и измельчения зёрен, а затем их пластической деформации, которая обусловлена дислокационным механизмом течения вещества. Если на стадии высокотемпературного спекания, варьируя температуру и скорость нагрева, сохранять условия движения дислокаций можно достичь наименьшей пористости образца без графитизации [1, с. 201].

Рисунок 4. Внешний вид алмазной керамики в виде диска

а                          б                          в

Рисунок 5: а — СВЧ-резисторы радиального типа;

 б — СВЧ-резисторы с резистивным слоем в виде витка спирали;

в — СВЧ-резисторы с резистивным слоем по всей поверхности между контактами

Резистивный слой получается на поверхности поликристаллического алмаза лазерной модификацией при сканировании в режимах интенсивного кратерообразования, ограниченного кратерообразования, бескратерной обработки.

Список литературы:

1.Материаловедение специальных материалов машиностроения: учеб. пособие / В.В. Перинский, В.Н. Лясников, Г.П. Фетисов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. — 504 с.

2.Основы техносферного материаловедения: учеб. пособие / В.В. Перинский, В.К. Шухостанов, В.Н. Лясников, А.В. Глухов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. — 214 с.

3.Специальные материалы, покрытия и технологии в машиностроении: учеб. пособие [Электронный ресурс] / В.В. Перинский, В.Н. Лясников, Г.П. Фетисов. Саратов: издательство СГТУ, 2012. — 1 электрон. опт. диск (CD-R). (№ государственной регистрации 0321203281)