Диэлектрические материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Диэлектрические материалы

Содержание

1. Основные определения

2. Пьезо-, пиро- и сегнетоэлектрики

3. Электропроводность диэлектриков

4. Диэлектрические потери

5. Электрическая прочность

6. Стекла, керамики, полимеры, пластмассы

7. Стеклокристаллические материалы - ситаллы

8. Техническая керамика

9. Полимеры

10. Пластмассы

11. Синтетические эмали, лаки и компаунды

12. Полимеры, клеи и адгезивы

13. Пленочные диэлектрики

Литература

1. Основные определения

Диэлектриками являются вещества ионного или молекулярного строения, т.е. неорганические и органические химические соединения (число которых - миллионы). Хотя в технических целях используется лишь небольшая их часть, возможности выбора оптимального диэлектрика для конкретных целей значительно шире, чем полупроводника или проводника.

В опто- и микроэлектронике используются диэлектрики всех трех основных групп: стекла, керамики, полимеры, которые выполняют в основном пассивные функции. Однако, некоторые из них обладают пьезо-, пиро- и сегнетоэлектрическими свойствами и благодаря этому способны преобразовывать один вид энергии в другой в составе активных приборов.

Основные пассивные функции диэлектриков в составе микроэлектронных и оптоэлектронных устройств приведены в таблице 1.

Часто требуется, чтобы диэлектрики имели малую толщину. Это диктуется, например, стремлением повысить удельную емкость конденсаторов, обеспечить лучший теплоотвод, компактность устройства. Поэтому еще до развития микро- и оптоэлектроники (МОЭ) диэлектрики широко использовались в пленочном виде, т.е. в жестких режимах - при полях высокой напряженности. Переход к ним повысил требования к диэлектрикам, т.к. здесь приобрели особое значение их однородность, отсутствие пор и дефектов, чистоты, непроницаемость для примесных ионов. Функции диэлектриков в ИС понятны из следующего рис. 1.

Таблица 1

Полупроводниковые ИС	ГИС и микросборка	РЭ функциональные узлы
Подзатворный диэлектрик МОП-транзисторов.	Подложки (2)	Монтажно-коммутационные основания.
Защита р-n-переходов. Межэлементная изоляция.	Диэлектрические слои конденсат.
Изоляция пересечения проводников. Герметизирующие покрытия. Детали корпусов.		Элементы конструкций дискретных компонентов и приборов. Изоляция кабелей и проводов.

Защитные пленки в полевом транзисторе и в ПЗС

Защитные пленки в ИС

Изолирующая прокладка конденсатора

Рис. 1

Еще один признак диэлектриков - прозрачны в видимом свете (бесцветные в беспримесном состоянии); обладая ?Е > 3,0 эВ энергии света недостаточно для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Прозрачности может препятствовать мелкозернистое строение при этом свет рассеивается границами зерен - как в поликристаллах.

Диэлектрики, как известно, обладают высоким удельным электрическим сопротивлением с > 109 Ом см и (имеют ширину запрещенной зоны) ?Е > 3,0 эВ (концентрация свободных электронов в них ниже 1см-3, т.к. ?Е >> kT) и протекания постоянного тока через них невозможно. Однако, при малой толщине они не разрывают электрическую цепь вследствие поляризации.

Поляризация - это процесс смещения связанных зарядов на ограниченное расстояние под действием внешнего электрического поля. Это смещение вызывает дополнительные заряды на обкладках конденсатора (если в пространство между обкладками внесен диэлектрик) и увеличивает его емкость в е раз.

Величина диэлектрической проницаемости е отражает увеличение емкости конденсатора при замене вакуума - диэлектриком, рис. 2

CД = е0 еS/d,

где е0 ? 8,85410-12 Ф/м - электрическая постоянная, S - площадь, d - расстояние между пластинами, т.е. е = Сд/С0, где С0 = е0S/d.

Рис. 2

Известно, что заряд на конденсаторе определяется как Q = =Cu, а напряженность поля Е = u/d, это дает удельный заряд конденсатора Q/S = е0е/d = е0еE = D, где D - диэлектрическая индукция (электрическое смещение), Кл/м2.

Вклад обеих составляющих в электрическое смещение можно представить двучленом

е0еU/d = е0E + ?Q/S,

причем ?Q/S = е0E(е - 1) = е0Е = Р, где - электрическая восприимчивость, Р - поляризованность, Кл/м2. Очевидно, что Р = D - е0E.

В зависимости от вида заряда, расстояние, на которое он способен перемещаться, времени, затрачиваемого на поляризацию, различают четыре механизма поляризации диэлектриков:

1. Электронная поляризация - смещение электронного облака атомов под действием поля (рис. 3), при котором центры масс «+» и «-» зарядов не совпадают и каждый атом становится электрическим диполем (фуст ? 10-15 с и не зависит от частоты, температуры, происходит без потерь на нагрев носит чисто упругий характер, е = 2…2,5, причем еэл = n2, где n - показатель преломления).

Рис. 3

2. Ионная поляризация - упругое смещение ионов (d << а) в ионах твердых тел (фуст ? 10-13 с), которое перекрывает электронную; е = 5…10, с ростом температуры е постепенно возрастет и смещение упрощается; ТК = (5…10)10-4 К-1 в диапазоне 273…573 К, далее е резко возрастает из-за увеличения концентрации носителей, это характерно для стекол и керамик (рис. 4). Аномально высока е у оксидов металлов, обладающих полупроводниковыми свойствами, например рутил ТiO2 еu = 120).

Рис. 4

3. Дипольная - проявляется как ориентация под действием поля полярных молекул (рис. 5) или групп атомов (например Н2О, где асимметрия относительно атома О). Вследствие этого ЭМП резко ослабляется при прохождении через воду (это наблюдается и в полимерах - но здесь смещаются отдельные фрагменты молекул большой длины). Этот тип поляризации - неупругий, релаксационный. Поэтому ЭМВ легко поглощаются водой и непригодны для подводной локации.

Рис. 5

При нагревании подвижность молекул возрастает, но в твердых телах это сказывается на увеличении е лишь при температурах, приближающихся к температуре плавления или размягчения. В жидкостях и полимерах может наблюдаться экстремальная температурная зависимость е: при нагреве она сначала растет из-за ослабления связей между молекулами, а затем падает, т.к. превалирующее значение приобретает движение молекул, а не ориентирующее действие поля.

При увеличении частоты е снижается, т.к. проявляется инерционность процесса ориентации.

Ионные кристаллы не обладают дипольной поляризацией, т.к. здесь нет молекул. Но если имеются примеси из полярных молекул, диэлектрические потери могут резко возрасти. Так бывает, например, когда полимер содержит в виде примеси остатки отвердителя, непрореагировавшие в процессе отверждения до конца. Влажность диэлектрика (обладающего открытой пористостью) также может быть причиной роста потерь из-за дипольной поляризации.

4. Миграционная поляризация - неупругое перемещение слабосвязанных примесных ионов на расстояние, превышающее параметры решетки, часто до границ зерен, рис. 6. Ион примеси не становится носителем, но участвует в переносе тока при смене полярности (он не может преодолеть границу зерна). Закономерности для поляризации те же, что и для дипольной.

Строго неполярных диэлектриков практически не существует (таким можно считать алмаз с е = 5,68), а слабо полярными являются многие высококачественные полимеры (по строению тоже неполярные), но из-за содержания некоторого количества примесей имеют повышенные значения диэлектрических потерь вследствие дипольной и миграционной поляризации.



Рис. 6

Сильно полярными диэлектриками являются вода и масла. С ростом частоты, значение е уменьшается. Зависимость е = f(f) называется диэлектрической дисперсией, при этом сначала исчезает миграционная, затем дипольная поляризация, а на ИК-частотах - ионная. Поэтому в справочниках всегда указывается частота на которой измерена е.

Полупроводники Ge, Si, GaAs обладают е = 12…15, которая снижается с ростом f. Большие значения е обусловлены малой шириной запрещенной зоны - это общее правило, и если ?Е > 0, то е> 0.

2. Пьезо-, пиро- и сегнетоэлектрики

Материалы, способные поляризоваться в отсутствие внешнего электрического поля под действием механических напряжений, называются пьезоэлектриками, а физическое явление - пьезоэффектом (из 1500 типов кристаллов при механическом воздействии помимо деформации лишь в немногих обнаруживается еще и поляризованность).

Причиной его служит смещение положительных и отрицательных ионов или отдельных фрагментов молекул в кристаллах, не имеющих центра симметрии, рис. 7 (прямой пьезоэффект). Пьезоэффект в них можно вызвать сжатием, растяжением, изгибом, скручиванием, сдвигом.

Наблюдается и обратный эффект - деформация кристалла во внешнем электрическом поле, таким образом



Рис. 7

Сходное с обратным пьезоэффектом явление имеет место во всех диэлектриках и называется электрострикцией. Различие между ними заключено в следующем:

- линейная зависимость деформации от напряженности электрического поля в пьезоэффекте, - квадратичная в электрострикции;

- электрострикция необратима и механические напряжения в материалах, не являющихся пьезоэлектриками, не приводит к поляризации; электрострикционная деформация значительно меньше чем пьезоэлектрическая (при Е = 300В/см электрострикционная деформация не более 3 10-12 %, а пьезоэлектрострикция ? 10-7 %.

В отличие от магнитострикции, электрострикция не находит практического применения. В процессе поляризации сегнетокерамика она усиливает деформацию, возникающую в результате приложения внешнего поля).

Количественной мерой пьезоэффекта является пьезомодуль - коэффициент пропорциональности между поляризованностью (или электронной индукцией D, т.к. при Е = 0, Р = D) и механическим напряжением: Р = dу, где d - пьезомодуль, Кл/Н (среднее значение для лучших пьезоэлектриков ? 10-10 Кл/Н).

Применение пьезоэлектриков:

- ультразвуковая подводная локация (обратным пьезоэффектом излучают механические колебания в воду - ультразвук, отраженные сигналы (эхо) принимается другим кристаллом и преобразуется прямым эффектом в электрический сигнал);

- бытовые приборы (пьезозвукосниматели, пьезомикрофоны, датчики давления и перемещения, зажигалки; на обратном - пьезотелефон, пьезозвонок, пьезоэлектрические безобмоточные двигатели, микропозиционеры);

- в радиоэлектронике (пьезоэлектрические преобразователи: резонаторы, излучатели, вибраторы, выполняющие функции стабилизаторов частоты, высокостабильных фильтров, стандартов частоты);

- в акустоэлектронике (ультразвуковые волны в кристаллах распространяются значительно медленнее электромагнитных волн, что используется для создания линий задержки применяемых при смешении сигналов (от n0,1 мкс до 10n мс) в ЭВМ, устройствах связи, в радиолокациолнной аппаратуре, телевидении.

С помощью акустоэлектронных устройств измеряют длительность сигналов, сдвиг фаз, величину усиления, производят усиление и модуляцию, интегрирования, кодирования, свертку и корреляцию сигналов, ряд методов акустоэлектроники являются уникальными и наряду с микроэлектроникой развивают возможности радиоэлектроники (причем используются не только пьезоэлектрические материалы обладающие наличием пьезоэффекта и величиной пьезомодуля).

Важными параметрами пьезоэлектрика характеризующими эффективность преобразования электрической энергии в упругую и обратно, являются:

- коэффициент электромеханической связи, квадрат которого равен отношению плотности выходной, преобразованной энергии к плотности первичной, входной без учета диэлектрических и механических потерь: k = (Wмех/Wэл)0,5, где W - плотность энергии, Дж/м3 (k = n0,01…0,9).

- добротность Q - энергетический параметр, характеризующий долю энергии, превращенную в тепло (она пропорциональна 1/Q), учитывает как диэлектрические потери, так и механические (вследствие внутреннего трения и излучения в окружающую среду) Qмакс = 105…107 для резонаторов, Qоптс < 10 - для излучателей акустоволн.

Пьезоэлектрики делятся на:

- водорастворимые соли (дигидрофосфат аммония - ADP, сульфат лития, сенгетова соль и др., обладающие высоким пьезомодулем, легко выращиваемым из водных растворов),

- низкопрочные, низкой термо- и химостабильности, гигроскопичностные (посему слабо используемые);

- водонерастворимые монокристаллы простых и сложных оксидов (кварц, ниобат и танталат лития и пьезокерамики).

Кварц - твердый, химически стойкий, тугоплавкий материал с высокими стабильными упругими и электрическими свойствами в широком диапазоне температур (до 873 К). Кристалл кварца - комбинация пяти простых фигур: призм и ромбоэдров; имеет сложную огранку и делится на правые и левые.

Кварц использовался ранее как природные кристаллы - горный хрусталь, сегодня это выращенный методами гидротермальной кристаллизации SiO2 из содовых растворов при Т = 633…677 К и давлении порядка 107 Па в автоклавах (скорость процесса 0,5 мм в сутки и длится до полугода).

Используется для стабилизации частоты от 1 кГц до 200 МГц, генерации и приема УЗ, измерения давления. Изготавливают из кварца высокодобротные и стабильные резонаторы и высокоизбирательные фильтры. Стандарты частоты на кварцевых пластинах обеспечивают суточное отклонение в пределах 10-12 % от номинала.

По энергетическим параметрам на ВЧ кварц превосходят только (дорогостоящие) монокристаллические ниобат и танталат лития, которые используются (из-за дефицитности) как электрооптические материалы (ниобат) с электрически управляемыми параметрами (показатель преломления, форма и ориентировка индикатрисы) в интегральной оптике.

Ограничения по частоте резонансных пьезоэлектрических пластин обусловлены геометрическими размерами (d = л/2 ультразвуковой волны, что на 0,5 ГГц дает 6 мкм, что выполнить технологически нереально).

Эпитаксиальная технология (неприменима для кварца - т.к. получаются стекла, а не кристалл из-за высокой вязкости расплавов) привела к использованию для пьезорезонаторов СВЧ диапазона - высокоомных пьезополупроводников (выращиваемых на поверхности низкоомных монокристаллов).

Пьезополупроводники - некоторые соединения типа АIIBVI со структурой вюртцита (гексогональной, без центра симметрии) - CdS, CdSe и АIIBVI - GaAs, GaP, а также германат висмута, окись цинка. Высокоомные слои сказанных материалов (свойства можно регулировать введением примесей) наносятся на низкоомную подложку. Использование акустических свойств таких систем позволило создать микроэлектронные фильтры, ЛЗ, фазовращатели, преобразователи на поверхности акустических волнах (ПАВ). Такие планарные конструкции совместимы с ИС, а резонансные частоты определяются как f0 = V/л*, где V - скорость распространения ПАВ, а л* - период контактной решетки (V для TIVS4 Vпав = 900м/с, кварц V = 3160 м/с, ниобат лития V = 3500…4000 м/с).

Для повышения частоты (выше 10 ГГц, где требуются для традиционных пьезоэлектриков преобразователей с шагом решетки 3000106/1010 = 0,3 мкм, что не реализуемо) нужны материалы с большими скоростями (например, широкозонные пьезополупроводники типа ZnО, нитрат алюминия AlN на сапфире (эпитаксиально)).

Среди ионных полярных кристаллов есть такие, которые способны поляризоваться без каких-либо внешних воздействий самопроизвольно, спонтанно. Она наблюдается в кристаллах 10-ти кристаллографических групп, обладающих осью симметрии, центр симметрии у них отсутствует. Такой диэлектрик можно представить цепочкой диполей, образование которых обусловлено несовпадением «центров тяжести» положительных и отрицательных ионов. Из-за искажения конфигурации каждого тетраэдра (структура ZnS, характерная для многих соединений АIIBVI) Zn2+ находится ниже геометрического центра, который вследствие этого приобретает элементарный электрический момент, т.е. становится диполем. Поскольку все тетраэдры строго ориентированы по оси ячейки, входящей в состав гексагональной призмы, кристалл и в целом образует электрический диполь.

В таких молекулярных кристаллах, как триглицинсульфат (ТГС): (NH2CH2OOH)3ЧH2SO4, турмалин, спонтанная поляризация является следствием пространственного разделения «центров масс» положительных и отрицательных зарядов отдельных групп молекул.

Поляризованность кристалла в целом равна сумме элементарных дипольных моментов в единице объема:

Р = V-1?р.

Если кристалл достаточно долго находится при постоянной температуре, наличие спонтанно поляризованного состояния внешне не проявляется (т.к. поле связанных зарядов нейтрализуется свободными носителями зарядов внутри диэлектрика или на его поверхности). Но при изменении температуры поляризация резко усиливается (так в кристаллах ZnО и ТГС с размерами 111 см при изменении Т на 1 К между гранями, перпендикулярными полярной оси, возникает напряжение соответственно 750 и 10000 В). Электризация диэлектриков при изменении температуры называется пироэлектрическим эффектом (т.о. при пироэффекте Е = 0, у = =0, но Р ? 0).

Отметим, что значение имеет перепад температур во времени dT/dt, а не по длине кристалла (как в эффектах Пельтье и Зеебека).

Реакция пироэлектрика на изменение температуры тем сильнее, чем больше изменение спонтанной поляризации ?Р соответствует одному и тому же ?Т. Поэтому мерой пироактивности считают пироэлектрический коэффициент

гпир = ?Р/?Т,

который лежит в пределах от 1 10-10…310-8 Кл/(см2К).

гпир позволяет определить заряд на гранях кристалла как

Q = гпирS?T,

и с учетом того, что u = Qd/ее0S можно определить и напряжение (например, для ТГС с S = 111 см при ?Т = 1 К получим заряд Q = =310-8 Кл, u = 310-8/508,8510-14 = 6800 В). Несмотря на малую энергию заряда, современные приборы способны обнаруживать ?Т? ? 10-7К.

Известны наряду с монокристаллическими материалами и керамиками, органические полимерные пироэлектрики. Наиболее активным является поливинилфторид и поливиниллиденфторид (гпир = 210-9 Кл/см2К) которые можно применять в виде планки (толщиной 5…15 мкм), предварительно поляризованной (при 393…413 К) в поле с напряженностью Е ~ 106 В/см. Наиболее распространенные материалы приведены в таблице 2.

Пироэлектрические преобразователи тепловой энергии в электрическую (эффект обратим и может быть полезным для охлаждения, но весьма маломощен) применяются для:

1. Приемники излучения (детекторы излучений малой мощности с высокой обнаружительной способностью, детекторы мощных коротких импульсов (10-5…10-11)).

2. Преобразователи изображений в тепловизионных трубках (пироэлектрические видиконы, приборы для систем визуального ИК изображения).

Таблица 2

Материалы	Тк, К	г 108 , Кл/см2 К	е	с, Ом см	Плотность г/см3
	Воднорастворимые монокристаллы
Триглицин сульфат	322	3,0	50	1,7 1010	1,7
Сульфат лития	363	1,0	12,3	9,8 1010	2,1
Нитрит натрия	436	0,5	7,3	1011	2,2
Воднонерастворимые монокристаллы
Танталат лития	891	2,3	50	4 1010	7,5
Ниобат лития	1483	0,4	30	1 1011	4,6
Титанат бария	408	1,9	135	Полу- прводник	6,0
Титанат свинца	743	6,0	200	5 108	7,8

3. Пироэлектрические термометры для измерения малых температурных изменений (до 10-7К).

Все пироэлектрики в соответствии с их поведением во внешнем электростатическом поле, направленном противоположно полю спонтанной поляризации, делятся на две группы.

Для первой из них характерно полное разрушение спонтанной поляризации после того, как внешнее поле достигает определенной напряженности. Это группа простых или линейных пироэлектриков.

У малочисленных материалов второй группы направление спонтанной поляризации способно применяться в простейшем случае на противоположное (что является следствием различной ориентации поляризации в объеме) - такие материалы называют сегнетоэлектриками.

Доменная структура сегнетоэлектриков (поясняющая его свойства) придает им внешнее сходство с ферромагнетиками (рис. 8):



Рис. 8

- электрический гистерезис;

- высокое значение е до 10000;

- зависимость е = f(E);

- наличие критической температуры - точки Кюри (разрушение доменной структуры), но она здесь ниже (Тк = 373…423 К).

Сегнетоэлектрики подразделяют на 3 группы:

1. Группа водорастворимых кристаллов (кристаллы на основе сегнетовой соли - NaKC4H4O64H2O, кристаллы с замещением воды на тяжелую воду D2О, а Na и K на рубидий; дигидрофосфаты калия КН2РО4 (КDР) и аммония NН4Н2РО4 (АDР)).

2. Группа ниобата лития LiNbO3 (имеют высокую Tк > 673 К и перспективны для интегральной оптики).

3. Группа со структурой перовскита - твердых растворов оксидов типа АВО3, где А - двухвалентные металлы Ва, Са, Sr, Рв; В - четырехвалентные металлы Ti, Zr (твердые растворы на основе ВаТiО3 с регулируемыми свойствами в широком диапазоне - наиболее технологичные).

Сегнетоэлектрики наряду с пьезокварцем являются самым массовым материалом пьезоэлементов различного назначения, варикондов, миниатюрных конденсаторов.

3. Электропроводность диэлектриков

Известно, что ?Е диэлектриков > 3 Эв. При этом, если Т = =300 К, концентрация носителей (n = 10-5 см-1) определяется по формуле n = Ае-?Е/2кТ и для А ? 1019 см-3 оказывается равной 10-19е-3/0,05 ? ? 10-5см-3 (т.е. 10 пар в 1 м3), однако удельное сопротивление диэлектриков не бесконечно велико и в ОМЭ на ВЧ и СВЧ потери оказываются значительными.

Установлено, что повышенная электропроводность диэлектриков обусловлена не электронами, а подвижными ионами, несмотря на их низкую подвижность, которая определяется как м = =qD/kT и при комнатной температуре (для ионов величина D порядка 10-15см2/с) по соотношению Эйнштейна имеем м = 10-1540/0,025 40 = 410-14 см2/(В с).

Наличие быстродиффундирующих примесей (Сu+, Аu+, Аg+, K+ и особенно Na+, H+ (последние легко проникают через тонкие пленки при комнатных температурах, а при высоких - и через стенки кварцевой аппаратуры), для которых D = 10-5…10-7 см2/с имеют м= 10-2 - 10-4 см2/(В с) и определяют частично вклад в проводимость.

Из соотношения Эйнштейна

уд = nq2 D/kT

(с учетом уравнения у = nqм) следует, что температурная зависимость электропроводности определяется концентрацией носителей n, температурой Т и коэффициентом диффузии D. При этом температура является определяющей

Dт = D0 eQ/ kT,

где Q - энергия активаций диффузии, эВ; D0 - постоянная с размерностью коэффициента диффузии, при этом зависимость удельной проводимости от температуры аналогична полупроводникам

у0 = А e- Q/ kT

но носители - ионы, а вместо ?Е > Q, причем концентрация ионов не зависит от температуры.

Вследствие экспоненциального роста удельной проводимости изоляционные свойства диэлектриков резко ухудшаются с ростом Т. Для оценки предельных возможностей электроизоляционных материалов в электротехнике применяют параметр ТК-100, определяющий температуру, при которой удельное сопротивление падает до 100 МОмсм.

Для большинства стекол ТК-100 равен 423…473 К, теплостойких полимеров такая рабочая температура около 10, а керамики имеют ТК-100 до 1273…1573 К.

Ионная электропроводность изменяет химический состав диэлектрика, что может быть причиной деградации диэлектриков, особенно при постоянных электрических полях и тонкопленочных структурах. Если учитывать поверхностные слои диэлектрика, активно взаимодействующие с окружающей атмосферой (вследствие повышенной реакционной способности «оборванных» связей, характерных для внешних слоев твердого тела), где образуются адсорбированные слои воды в которых растворяются газы (атмосферы) и материал диэлектрика - получаем электролит - проводник второго рода. Свойства и характеристики последних неопределенны и высокое удельное поверхностное сопротивление сS во влажной атмосфере имеют только те диэлектрики, поверхность которых обладают гидрофобными свойствами (т.е. угол смачивания которых и > 900).

Примеры объемных и поверхностных удельных сопротивлений диэлектриков приведены в таблице 3.

Таблица 3

Материал	И0	сS, Ом/	сV, Ом/см	Материал	И0	сS, Ом/	сV, Ом/см
	Гидрофобные		Гидрофильные
Фторопласт	120	1018	1018	Фарфор	50	1013	1015
Полистирол	110	1015	1016	Кварц	30	1010	1015

4. Диэлектрические потери

Потери энергии в диэлектриках обусловлены протеканием двух видов активных токов - сквозного (объемного и поверхностного) и тока абсорбции (второй - активная часть поляризованного тока, расходуемая на установление дипольной и миграционной поляризации), который протекает только при изменении напряженности (т.е. при dE/dt ? 0) и обладает инерционностью.

Количественной мерой потерь в диэлектрике служит тангенс угла диэлектрических потерь tgд (определение которого следует из векторной диаграммы д = Iа/Iр - угол дополняющий до прямого фазовый сдвиг между током и напряжением в емкостной цепи или, между вектором полного тока и его реактивной составляющей). Его величина определяет потери мощности (рис. 9)

Ра = 2рfСU2tgд,

поскольку Uc = Ip/Cщ, щ = 2рf - круговая частота, Uc - напряжение в цепи, обладающей емкостью.

Диэлектрик между обкладками конденсатора в поле ВЧ нагревается, что следует из уравнения теплового баланса

?Т = Раt/CdU ~ fеtgд

и при f > 0 ?T = 0, т.е. потери на переменном токе (в отличие от постоянного Р = U2/R) зависят от е, tgд.

Соотношение влияний каждого из параметров (е и tgд), а также учет удельного сопротивления, определяющего сквозной ток, зависят от конкретных условий и осложнены в оценке из-за частотной зависимости tgд = f(щ), е = f(щ). Зависимость от частоты tgд неоднозначна и определяется основным видом потерь, рис. 10.

Рис. 9

Рис. 10

Основная тенденция - уменьшение tgд с ростом щ, при этом начинает сказываться инерционность релаксационных видов поляризации. (Для исключения перегрева конденсаторов с высоким tgд ограничивают не только номинальное напряжение, но и задают верхний предел частоты. При tgд < 210-3, на f > 106 Гц, главную роль играют потери не в диэлектрике, а в металлических электродах конденсатора и тогда приходится ограничивать ток).

Особую роль диэлектрические потери играют в ГИС СВЧ, МПЛ печатных полосковых антеннах. Активные потери в диэлектриках определяют в этом случае коэффициент затухания и волновое сопротивление. Требования к диэлектрикам здесь крайне высоки (tgд должна быть меньше 210-4) и им удовлетворяют лишь несколько видов материалов в дециметровых и сантиметровых диапазонах.

5. Электрическая прочность

Параметр, определяющий способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях большой напряженности: Епр = Uпр/d, Uпр - пробивное напряжение (минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к его пробою), d - толщина диэлектрика; [Епр] = 1 МВ/м = 1 кВ/мм.

Электрическая прочность не является фундаментальным параметром материалов, т.к. не определено условие эксплуатации (теплоотводы, d, вид пробоя).

Различают несколько видов пробоя, отличающихся законами образования и протекания (тепловой и электрический).

Тепловой - обусловлен экспоненциальным ростом электропроводности диэлектрика при повышении температуры. При слабых полях разогрев сквозным и абсорбционным токами компенсируется ростом теплоотдачи. С ростом поля равновесие нарушается. Разогрев концентрируется в ослабленных местах, образуя «шнуры», соединяющие металлические электроды и ток резко возрастает. При мощном источнике начинается плавление и испарение материала, ионизация его паров и атмосферных газов с образованием плазмы и дугового разряд.

Если источник отключить несколько ранее, то диэлектрик не плавится, но вследствие теплоудара в нем образуются трещины, т.е. тоже происходит разрушение.

Учитывая только сквозной ток тепловыделение можно представить уравнением

+g = U2S/сd

и тепловыделение экспоненциально растет с ростом температуры (в соответствии с температурной зависимостью электропроводности диэлектрика у ~ e-Q/RT). Теплоотвод от образца можно описать полуэмпирической формулой:

- g = лТS/dц,

где ц - функция теплоотвода, зависящая от конкретного материала и условий эксплуатации, при этом они пропорциональны К-1. Отсюда

Uпр = и Епр = /d, таким образом:

- электрическая прочность тел падает с уменьшением толщины образца, с ухудшением условий отвода тепла от его объема, (поэтому в общем случае определить Епр по справочникам невозможно);

- электрическая прочность уменьшается с повышением температуры из-за уменьшения удельного сопротивления;

- в переменном поле, когда к тепловым потерям добавляются поляризационные, электрическая прочность уменьшается.

Тепловой пробой - инерционное явление и если образец массивен, то даже при двухкратном превышении Uпр, пробой происходит через несколько минут. Этот вид пробоя характерен для диэлектриков, обладающих в слабых полях пониженным удельным сопротивлением. Значение Епр при этом составляет 0,1…1 МВ/м.

Электрический пробой обусловлен туннельным переходом электронов в зону проводимости с примесных уровней или металлических электродов, а также лавинным размножением электронов за счет ударной ионизации в высоких электрических полях.

В предпробойном режиме не соблюдается закон Ома и удельное сопротивление падает при увеличении напряженности по закону Пауля-Френкеля:

С = Ае-вЕ,

где в - коэффициент, характерный для данного материала.

При электрическом пробое:

- электрическая прочность имеет предельное значение Епр в 10…100 раз выше, чем при тепловом (10…1000 МВ/м);

- значение Епр не зависит от толщины образца и может быть взято из справочников для конкретного материала;

- напряженность Епр растет с увеличением температуры, но только до перехода в режим теплового пробоя;

- пробой происходит безынерционно (и без предварительного разогрева).

Электрический пробой наблюдается при невысоких температурах материалов. Если, например, стекло нагреется извне всего до 323…373 К, электрический пробой в нем невозможен и он переходит в тепловой (для газов, где размножение электронов упрощено, пробой носит электрический характер и Епр = 1…10 МВ/м).

В особых случаях наблюдаются и другие виды пробоя:

- поверхностный пробой (перекрытие) диэлектрика вследствие больших поверхностных токов (из-за влажности, загрязнения, шероховатости поверхности) приводящих при мощных источниках к дуговому разряду (по воздуху), Епр при этом снижается до 0,1 МВ/м;

- электрохимический пробой реализуется при возникновении в диэлектрике: электролиза, электромиграции, переносе ионов (когда имеет место изменение состава материала и его старение), что возникает при постоянных напряжениях и длительной эксплуатации;

- ионизационный пробой из-за частичных разрядов в диэлектрике, имеющем воздушные включения (воздух имеет меньшую электрическую прочность, чем твердое тело). Характерен для неплотных видов керамик.

Электрическая прочность пленок. В системах МОП и МДП эта характеристика диэлектрика имеет большое значение (значительное количество активных и пассивных элементов содержат такие диэлектрики в ИС, ГИС, ПЗС и др).

Эксплуатация пленочных диэлектриков имеет ряд особенностей:

- в тонких пленках размеры неоднородностей и шероховатости подстилающих поверхностей сравнимы с толщиной, что влияет на возникновение и распределение токов. Поэтому применяют аморфные пленки с минимальными признаками кристаллизации с предельно низкой пористостью. Расчет толщины d = Uрабk/Е, где k -коэффициент запаса для объемных диэлектриков 4…10, а для пленочных 2…4, т.к. здесь материалы более высококачественные;

- в пленочных структурах электрическая прочность может быть «полярной» вследствие неравного качества поверхности со стороны подложки и со стороны пленки. Обычно качество одного и того же диэлектрика в структуре МДМ более высокое, чем в МДП (в проводнике чаще образуются трещины, чем острые выступы);

- в структурах МДМ и МДП может наблюдаться эффект «самозалечивания», когда конденсатор после пробоя не остается замкнутым накоротко из-за разрушения верхнего электрода на площади, большей, чем канал пробоя. Место пробоя оказывается благодаря этому изолированным от остальной часто конденсатора, который сохраняет работоспособность. Так как первый пробой конденсаторов происходит по наиболее слабому месту, удается с помощью так называемой «тренировки» устранить дефекты, т.е. как бы повысить качество диэлектрической пленки конденсатора.

Отметим, что именно изготовление тонких диэлектрических пленок необходимого качества оказывается наиболее трудной задачей в производстве ГИС и ОИС некоторых типов полупроводниковых ИС.

6. Стекла, керамики, полимеры, пластмассы

Силикатное стекло - старейший из известных материалов. Основа строения их - комплекс SiO44 - тетраэдр с очень прочными связями Si = O, и кислородным мостиком, рис. 11.

В нем имеется ближний порядок (т.е. правильная ориентация атомов распространяется на значительно меньшее расстояние, чем в кристалле). Стекла термодинамически неравновесны и из-за различных наполнителей не всегда имеют упорядоченную структуру.

Рис. 11

Определенный химический состав имеет только кварцевое стекло, поэтому стекла не имеют определенной температуры плавления, рис. 12.

Рис. 12

Накопленный опыт, однако, позволяет широко использовать в науке и технике. Преимущество стекол по сравнению с другими следующие:

1. Совершенная изотропия свойств и их объемная однородность (обусловленная методом получения - затвердевания хорошо гомогенизированных расплавов).

2. Малая газопроницаемость, вакуумоплотность (экспериментально проверяется с помощью гелиевого течеискателя и характеризуют гелийнепроницаемостью.

3. Низкая адсорбционная способность, стабильность и абразивная устойчивость поверхности (что позволяет легко дегазировать и отмывать такую аппаратуру).

4. Широкий диапазон состава и возможность управлять многими физическими свойствами: электрическими, механическими оптическими, теплофизическими.

5. Высокая технологичность (обработка стеклодувным способом, свариваемость с другими стеклами, керамикой, полупроводниками, металлами (с любыми материалами, обладающими достаточной теплоемкостью). Удобно получать в виде тонких пленок вакуум-термическими методами).

Недостатки стекол: низкая теплопроводность; хрупкость и низкая механическая прочность; низкая точность обработки стеклодувными методами.

Стойкость материалов. Способность материалов сохранять прочность при быстрой смене температур (термоудару) тем выше, чем меньше ТКЛР.

Кварцевое стекло обладает наименьшим ТКЛР (510-7 К-1) и выдерживает (термоудар) смену температур 1300 К - вода. Перепад температуры по толщине тем меньше, а следовательно, стойкость к термоудару тем выше, чем тоньше стенки изделия. На рис. 13 приведено распределение температуры по толщине стекла при нагреве (а) и при охлаждении (б).

а б

Поверхностные слои сжаты Поверхностные слои растянуты

Рис. 13.

По мере охлаждения внешние слои теряют пластичность и так как ТКЛР > 0, создают сжимающие напряжения в объеме, а сами растягиваются. Если эти усилия превысят предел прочности стекла, произойдет его разрушение. Наличие остаточных напряжений может вызвать самопроизвольное разрушение. Для снятия напряжений изделия подвергают обжигу.

В тонких изделиях проявляются размерные эффекты - элементы малых размеров относительно (на единицу площади сечения) механически прочнее чем крупные. Поэтому стеклянное волокно может быть использовано в ткацком производстве (форма изделий также определяет термопрочность - наилучшая - шар).

При соединении с другими материалами различия ТКРЛ не должно превышать 5 % (а у стекол его можно изменять в пределах (...150)10-7 К-1). Этот параметр служит основной характеристикой стекла и содержится в его обозначении по ГОСТ.

С ростом температуры по экспоненте падает удельное сопротивление стекла, т.к. оно носит ионный характер.

Технические стекла подразделяются в зависимости от назначения на электровакуумные, изоляторные, конденсаторные и др. (см. таблицу 4). Имеются и стекла с повышенной электронной электропроводимостью. Это полупроводящие халькогенидные стекла (АVI +BIV или BV) c низкой температурой размягчения и разливки (500…700 К).

Высокоомные стекла этого типа идут на корпуса ИС, но большее внимание уделяется использованию их полупроводниковых свойств. (На большой разнице удельного сопротивления в аморфном и кристаллическом состояниях (107 и 0,1 Омсм) основано их применение в элементах памяти, где запись и стирание производится пропусканием тока импульсами с различной амплитудой и длительностью, а считывание - измерением сопротивления. Аморфные полупроводники пригодны и для оптической (голографической) записи информации).

При изготовлении электронно-лучевых трубок, светодиодов, жидкокристаллических индикаторов, солнечных батарей необходимы электроды прозрачные для видимого света. Такими свойствами обладают покрытия на основе оксидов индия и олова или их твердых растворов, которые в сильно легированном виде являются низкоомными полупроводниками. Получают такие пленки методом гидролиза растворов их солей (InCl3, SnCl4). Характеристики пленок In2O3SnO2; = (5…20)10-4 Омсм, рs = 4…7 Ом/ при d = 5 мкм, пропускание = 90 %.

Таблица 4

Назначение и используемые свойства	Марка или назначение	Процентное содержание
		Si O2	B2 O3	Y2 O3	Al2O3	Ti O2	Na2 O	Ca O
Эл. вакуумные. группы: вольфрамовая молибденовая платиновая Низкий ТКЛР	С38, С39, С40, С47, С48, С49, С87, С88, С89	75 68 70	18 20 2	-	3 3- -20 5,5	-	3 8 17	- 6
Изоляторное Мех. проч. и хим. стой.	Щелочное Мало-щелочное	770 63	-	15
Для стеклотканей	Бесщелочное	54	10		14	65
Герметизирующее Низкая темпер. размягчения	А-5, П-65	24 7	8 18			65
Конденсаторное Беспористость	Боросиликатное Итрий- боро-силикатное Алюмосиликатное	85 9 60	15 14	77	13	10
Оптическое Малый показатель преломления бесовильность, низкая пузырность	Флиты Кроны

Поскольку оксидные полупроводниковые пленки стабильны на воздухе до 1000 К, они нашли применение при изготовлении нагревательных неметаллических элементов, наносимых непосредственно на поверхность кварцевых реакторов, предназначенных, например, для получения особо чистой воды в производстве МЭА, причем наряду с In2O3 в состав пленки вводится более дешевый оксид сурьмы Sb2O

Рассмотренные выше стекла не являются «чистыми», так как загрязняют примесями контактирующие с ними проводники. Для этих целей используют стекла высокой чистоты на основе кварца. Такие кварцевые стекла применяются также в качестве подложек в ГИС СВИ и в виде аморфных пленок (полученных из газовой фазы), служат диэлектриком в МОП структурах (ПЗС, ПТ и др.) и многоуровневых БИС.

Кроме указанных в технике используются пленочное фосфорно-силикатное стекло (непроницаемое для ионов натрия и распространенных бытовых примесей, используется для защиты p-n переходов ИС и для межуровневой изоляции) и различные композиционные стеклообразные материалы, которые мы уже встречали при рассмотрении проводниковых резистивных паст.

7. Стеклокристаллические материалы - ситаллы

Повысить устойчивость стекла к механическим и термическим воздействиям позволила разработка стеклокристаллического материала - ситалла. Он отличается мелкокристаллической микроструктурой (с размерами кристаллитов около 1 мкм и содержанием их по объему 50....90 %) наиболее существенно изменяющей следующие свойства стекол:

1. Растет механическая прочность, особенно на изгиб.

2. Повышается нагревостойкость и температура начала деформации (размягчение)

3. Появляются дополнительные средства регулирования свойств, например ТКЛР, в диапазоне (30...90)х10-7 изменением только степени ситаллизации (доли кристаллической фазы от 50 до 90 %).

Важное значение имеют литево-алюминевые ситаллы Li2O-Al2O3-SiO2, ТКЛР которых хорошо согласуется с коваром и Si, что позволяет применять его для изготовления корпусов БИС.

В таблица 5 приведено сравнение свойств литиевого ситалла и аналогичных по значению ТКЛР стекла и композиционной стеклокерамики, состоящей из 80 % стекла и 20 % Al2O3.

Таблица 5

Наименование параметра	Значение параметра
	Стекло С52-1	Стеклокерамика	Ситалл ПГБ-30
Прочность, МПа	0,3…0,5	0,4….0,6	1,1…1,2
ТКЛР, 107 К-1	52	60	58
tg104	49	10	10
Эл.прочн. МВ/м	6	-	5
Тонач.деформац.К	850	850	1000
Нагревостойкость, К	450	600	700

Недостатком является меньшая химическая стойкость (неоднородность структуры и наличие оксидов щелочных металлов). Из-за рассеяния света на границе при d > 0,5 мм он непрозрачен, от керамики он отличается хорошей обрабатываемостью, отсутствием пористости, меньшей стоимостью. Ситаллы марок СТ32, СТ38, СТ50 (цифра обозначает значение ТКЛР) в виде полированных пластин d = 0,5 ... 1,0 мм размером 60 48 мм являются основным материалом подложек тонкопленочных ГИССВЧ.

Основные параметры ситаллов СТ32-1, СТ38-1: е = 9,7...10 и 7,25 ± 0,15, tgд = 4...610-4 и 410-4, Uпрог. = 40 МВ/М, плотность 3,17 и 2,9; предел прочности 150 и 100 МПа (при изгибе) теплостойкость 1200 и 1300, ТК = 86,210-6.

8. Техническая керамика

диэлектрик сопротивление полимеры

Керамика - материал, полученный спеканием зернистых или порошкообразных неорганических веществ (уменьшается внутренняя энергия дисперсной системы при Т ? 1700...2200 К.

Различают следующие виды керамик, рис. 14.

Рис. 14

Все керамики нагревостойкие (керамики и покрытия из диоксида циркония ZrO2 работают до 2700 К) достаточно для РЭС, но слабы для космонавтики (обшивка Бурана), где кроме Т, влияет еще и значительный градиент по площади и толщине.

Номенклатура керамик чрезвычайно широка, т.к. имеет неограниченный выбор исходного сырья, и ей принадлежат рекорды по твердости, теплопроводности, тепло- и химической стойкости.

Изделия из керамики легко формуются (в виде порошка еще до превращения в твердый монолит) и после спекания подвергаются только шлифовке и полировке.

К недостаткам керамики следует отнести:

1. Это многофазный материал и избавиться от пористости можно лишь при Т спекания, близкой плавлению (что делает его дороже).

2. Сложность изготовления деталей растет с увеличением размеров и также резко при этом падает их однородность, возникает внутреннее напряжение. Проявляется размерный эффект прочности: чем больше размер, тем меньше удельная прочность (отнесенная к единице площади). Поэтому предельные размеры плат (подложек для ГИС СВЧ ограничены 6048 мм.

3. Из-за неоднородного состава и пористости получаются разбросы электрофизических параметров, которые по е не должны превышать .. 10 % для СВЧ подложек.

Керамические материалы для СВЧ диапазона называются в зависимости от содержания окиси алюминия глиноземистым фарфором, ультрафарфором, корундово-муллитовой керамикой, алюминооксидом, ГБ-7, микролитом, поликором, 22ХС и т.д.

Наилучшими характеристиками (повторяемостью в серии, потерями, теплопроводностью и др.) обладают материалы содержащие 98 ... 100 % окиси алюминия (Al2O3): поликор (99,7 %), сапфир (98 %), ГМ (99,6 %), А-995 (99,8 %).

Особо следует выделить монокристаллическую окись алюминия (сапфир) которая как чистый материал превосходит по электрическим и механическим характеристикам керамические материалы. Имея tgд < 110-4 и высокую однородность, обрабатывается до 14-го класса чистоты поверхности. Последнее позволяет использовать его для подложек под локальное осаждение полупроводниковых материалов при создании ИС без навесных активных элементов (следует помнить о его значительной цене).

Технологическая схема производства алюмооксидной керамики приведена на рис. 1

Особенность конденсаторной керамики - высокое значение е из-за введения диоксида титана (рутил) или сегнетоэлектрика (титаната бария, кальция, стронция). Для конденсаторной (рутиловой) керамики характерны следующие параметры: е = 30...240, tgд = =(..8)10-4 на 50 МГц, Епр = 8...10 МВ/м и отрицательный ТК из-за электронной поляризации в ионном кристалле рутила. Чем выше содержание TiO2 - тем больше е и ТКе (по абсолютной величине).

Рис. 15

Сегнетоэлектрическая керамика на основе титанов имеет е = =1000...9000 в зависимости от состава и пригодна для изготовления миниатюрных конденсаторов большой емкости (однако они обладают низкой термостабильностью: ?е при изменении Т от 2..85 ОС составляет 30...70 %.

Причина нестабильности - низкая Ткюрч и сильное изменение е вблизи Ткюри.

Сегнетоэлектрики служат основой пъезокерамики, которую используют для изготовления пьезоэлементов.

9. Полимеры

Полимеры - органические вещества, длинные молекулы которых построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев - мономеров.

Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации n (т.е. числом звеньев в цепи). Степень полимеризации растет nмах достигает 104 и при этом длина молекулы составляет несколько микрометров. (Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации и лежит в пределах 103…3105).

Столь большая длинна молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьируется от аморфной до частично кристаллической (которая тоже оказывается не совершенной).

По происхождению полимеры делятся на три группы:

Природные образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, кожи. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс. Результат их очистки и переработки (модификации) - искусственные полимеры: натуральный каучук (из латекса), целлулоид (нитроцеллюлоза, пластифицированная камфорой для повышения эластичности). Но их мало.

Рост производства стал ощутим лишь за счет синтетических полимеров (синтезированных из низкомолекулярных веществ не имеющих аналогов в природе). По химической структуре они делятся на линейные, разветвленные, сетчатые, пространственные.

Линейные - термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять (связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов).

Разветвленные (привитые) полимеры более прочные, которые в процессе контролируемой модификации разветвлений, создают термопластичные полимеры.

Сетчатую структуру имеют мономеры с сильно ограниченной (из-за взаимных связей) подвижностью. Вулканизация мягкой резины (серой) дает ковалентные связи типа S-O и прочность растет. Происходит и старение с потерей эластичности и работоспособности (от света, тепла, облучения…). Можно довести его до состояния, когда полимер потеряет возможность плавиться или растворяться - т.е. станет термореактивным. Такие полимеры обладают высокой адгезионной способностью даже при низких температурах, что позволяет и использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующих в композиционных материалах.

Реакционноспособные молекулы термореактивных полимеров могут образовываться более простым и естественным путем - постепенно от мономера к димеру, потом к триммеру, тетрамеру и т.д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют реакцией поликонденсации; она не требует ни ВЧ, ни давления, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (водяного пара).

Именно эта реакция реализуется в природе, она легко реализуется в обычных (домашних) условиях. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров дает широкие возможности изготавливать различные изделия для РЭА.

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифицировать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.

Механическая прочность полимеров зависит от времени (т.е. предельная деформация устанавливается не сразу после приложения нагрузки и напряжения не пропорционально деформации - как это следует из закона Гука, рис. 16) поэтому обычные методы испытаний дают неоднозначные результаты.

Рис. 16

Замедленная реакция объясняется инерционностью процесса смены конформаций. (см. рис. 17 для случая молекулы этана С2Н6). По этим причинам отсутствуют инженерные методы расчета деталей из полимеров (они носят эмпирический характер).

Рис. 17

При повышении температуры полимерам наряду с упругой деформацией свойственна - высокоэластичная. Переход из высокоэластичного состояния в стеклообразное, характеризующееся лишь упругой деформацией, называется стеклованием (рис. 16).

Ниже температуры стеклования Тст состояние полимера твердое, стекловидное, высокоупругое, выше - эластическое Тст = =130…300 К.

В справочниках даются для ряда полимеров также значения температуры перехода в хрупкое состояние и холодостойкость.

Для конструкционных полимеров кривая растяжения подобна кривой для металла. По значению модуля упругости Е конструкционные полимеры делят на четыре группы:

- жесткие Е > 104 МПа, - полужесткие (5…10)103 МПа, мягкие Е = (1…5)103 МПа, наиболее эластичные полимеры - эластомеры (каучуки) имеют модуль упругости Е ? 10 МПа. Значительно прочнее их можно сделать введением в них волокнистых «листовых наполнителей».

Такие виды внутренних движений (несвойственных другим материалам) как смена конформаций не требует больших затрат энергии, и может происходить при незначительных температурах. Это свойство придает полимерам сходство с жидкостями. Значительная длинна искривленных и спиралеобразных молекул их ветвления и взаимная сшивка затрудняют их смещение, вследствие чего полимер приобретает свойства твердого тела.

Для некоторых полимеров в виде концентрированных растворов и расплавов характерно образование под действием поля (ЭП, МП, гравитационного) кристаллической структуры с параллельной упорядоченностью макромолекул в пределах небольшого объема - домена. Эти полимеры - жидкие кристаллы используются для изготовления светоиндикаторов.

Коэффициент теплопроводности полимеров значительно меньше других твердых тел (Кт ? 0,2…0,3 Вт/(мК)) и они являются теплоизоляторами. ТКЛР их равен (10-4…10-5 К-1) но обладая высокой эластичностью они хорошо сопрягаются с металлами и полупроводниками (наносятся в виде пленок).

Нагревостойкость полимеров низкая - 320…400 К и кроме размягчения может наблюдаться потеря массы. Последнее допустимо, если величина потерь < 0,1…1 %. Нагревостойкими считаются полимеры работающие до 500 К, а работающие до 600… 700 относят к высоконагревостойким. Разработка таких полимеров очень перспективна для промышленности.

Из химических свойств полимеры обладают высокой химической стойкостью к неорганическим реактивам и меньшей к органическим. Они неустойчивы в средах с окислительными свойствами, но есть и такие, химическая стойкость которых выше Pt и Au. Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов ИС.

Но полимеры не являются вакуумноплотными и поэтому используются при значительной толщине покрытия для защиты металла от коррозии. Используются и их пассивирующее действие (на дефекты) на активные центры металла, что подавляет коррозиционное действие влаги.

Большинству полимеров характерно старение - необратимое изменение структуры и свойств (снижается прочность), это совокупность химических процессов, приводящих в агрессивных средах к изменению строения и молекулярной массы называется еще химической деструкцией.

Полимеры, как правило, являются лучшими диэлектриками, обладающие электрическими параметрами, лучшими в современной технике, но все их параметры зависят от строения и содержания анионов (Cl-, F-, I-), катионов (H+, Na+) и других примесей. С ростом влажности сs падает (из-за адсорбции влаги) у ряда полимеров.

Диапазон значений сv = 1012…1015 Омсм. Удельное объемное сопротивление (например, полиэтилена) повышается в 10…1000 раз после очистки от низкомолекулярных примесей. Сорбция 0,001…0,1 % воды полистиролом снижает сv в 100…1000 раз.