Технология диэлектрических материалов (стр. 9 )

Органические диэлектрические материалы

Молекулы органических материалов, способные при определенных условиях объединяться, образуя более крупные молекулы, называют мономерными. Из соединения друг с другом мономерных молекул образуются полимерные молекулы. Они могут быть линейными (вытянутыми вдоль одной координатной оси) или пространственными (развитыми в пространстве по нескольким координатам). Если молекулы мономеров имеют только два реакционно способных окончания, то в результате полимеризации образуется линейный полимер. Если же число возможных радикальных связей в мономере три и более возможно образование пространственных полимеров.

Свойства линейных и пространственных полимеров различны. Линейные полимеры эластичны, имеют низкую температуру плавления (до 100ºС), термопластичны, способны растворяться в соответствующих растворителях. Пространственные полимеры жестки, термореактивны, т. е. химически разрушаются до температуры плавления, которая может достигать больших значений. Большинство пространственных полимеров практически нерастворимы.

Диэлектрические свойства полимеров зависят от их состава и строения. Материалы с несимметричным строением звеньев полимерных молекул являются дипольными диэлектриками, гигроскопичны и поэтому имеют невысокие электрические характеристики. Материалы, состоящие из симметрично построенных молекул, нейтральны или слабо полярны, негигроскопичны и поэтому обладают хорошими электрическими характеристиками. Материалы, состоящие из полимерных молекул, могут иметь как кристаллическую, так и некристаллическую структуру.

Из органических твердых соединений в микроэлектронике применяются полиэтилен, полистирол и политетрафторэтилен (фторопласт-4), а также пластмассы, состоящие из связующих веществ (искусственные смолы – пространственные или линейные полимеры) и наполнителей (каолин, кварцевый песок, асбестовое или стеклянное волокно и т. п.). Кроме того, в пластмассу добавляются красители и для получения наилучших технологических свойств – пластификаторы.

Полиэтилен является продуктом полимеризации этилена (Н2С=СН2) в присутствии катализаторов. Структурная формула полиэтилена имеет следующий вид:

где n — (число) количество мономеров в полимерной молекуле.

В зависимости от величины давления при полимеризации получают полиэтилен высокого, среднего и низкого давления, которые отличаются друг от друга степенью кристалличности и механической прочностью.

Политетрафторэтилен получается путем полимеризации тетрафторэтилена (F2C=CF2) и имеет строение

Политетрафторэтилен отличается химической стойкостью и высокой нагревостойкостью (до 300ºС).

Полистирол получают из мономера стирола (H2C=CH–C2H5). Структурная формула молекулы полистирола может быть представлена в виде:

Полистирол является диэлектриком, обладающим малыми потерями. К недостаткам полистирола следует отнести невысокую температуру размягчения и хрупкость.

Некоторые свойства перечисленных линейных полимеров приведены в табл.2.

Табл.2. Электрические характеристики твердых полимеров

Характеристики	Полиэтилен	Полистирол	Фторлон-4
Нагревостойкость, ºС	110–125	80–95	300
Удельное электросопротивление, Ом∙м	1014–1015	1014–1016	1014–1016
Диэлектрическая проницаемость	2,3–2,4	2,5–2,6	1,9–2,0
Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц	0,0002–0,0003	0,0002–0,0004	0,0002–0,0003
Электрическая прочность, Мв/м	40–150	40–110	40–150

Компаунды представляют собой смеси различных диэлектрических веществ (смол, битумов и т. д.), которые путем разогрева или растворения в специальных растворителях превращают в жидкое состояние. Затвердевание происходит либо при охлаждении разогретого компаунда, либо при комнатной температуре вследствие полимеризации, протекающей благодаря вводимым в их состав специальным отвердителям. Для получения компаунда с нужными свойствами (с повышенной теплопроводностью, улучшенными электрическими характеристиками и т. д.) в него добавляются наполнители (кварцевая пудра, тальк и т. п.).

В основном, в микроэлектронике применяются эпоксидные и кремнийорганические компаунды, отличающиеся высокой механической прочностью, нагревостойкостью, а также хорошими электрическими свойствами. Эти компаунды представляют собой композиции на основе эпоксидных смол, кремнийорганических смол и отвердителей. Эпоксидные смолы являются продуктами поликонденсации хлорированных глицеринов с двухатомными фенолами в щелочной среде. Так называемые эпоксигруппы СН2–О–СН2 характерны для любой разновидности смолы. Недостатком эпоксидных компаундов являются технологические трудности их использования, так как они быстро переходят в необратимое состояние и обладают некоторой токсичностью.

Эпоксидные смолы используются также для изготовления покровных лаков, высокопрочных клеев и пластмасс. Эпоксидные лаки — это растворы эпоксидных смол, в которые вводят отвердители, не более чем за сутки до использования лака. В качестве растворителей используют спирт, ацетон, ксилол и т. п. Эпоксидные лаки позволяют получить плотное покрытие с высокой адгезией, хорошими электрическими свойствами, нагревостойкостью и водостойкостью (см. табл.3). Эпоксидные клеи отличаются очень хорошей адгезией ко многим материалам, в том числе к металлам, керамике, стеклам, что определило их преимущественное применение для монтажа (приклеивания) различных деталей микроэлектронных конструкций. Преимущество эпоксидных клеев состоит и в том, что они не требуют больших давлений, могут затвердевать при комнатной температуре и практически не дают усадки. С повышением температуры прочность клеевых швов понижается.

Кремнийорганические компаунды являются продуктами растворения полиорганосилоксанов, характерным звеном которых является устойчивая силоксановая группа Si–O–Si, у которой свободные валентности кремния могут насыщаться различными органическими радикалами: метила (СН3), этила (С2Н5), фенила (С6Н5) и т. п. Кремнийорганические полимеры могут быть линейными и пространственными. Они химически инертны, стойки к окислению, влаге, температуре, обладают, по сравнению с органическими соединениями, более высокой нагревостойкостью (250–300ºС). Свойствами кремнийорганических соединений можно управлять, заменяя органические радикалы у атомов кремния на различные группы. Диэлектрические, потери полиорганосилоксанов имеют релаксационный характер, что обусловлено полярной связью Si–О.

Растворы кремнийорганических смол в толуоле являются лаками, обладающими хорошими электрическими характеристиками и отличающимися высокой нагревостойкостью (до 400ºС). Свойства компаундов и лаков на основе кремнийорганических и эпоксидных смол приведены в табл.3.

Табл.3. Свойства некоторых диэлектрических материалов на основе эпоксидных и кремнийорганических смол

Свойства	Компаунды	Лаки
эпоксидные	кремнийорганические	эпоксидные	кремнийорганические
Интервал рабочих температур, ºС	От –60 до +140	От –60 до +220	От –60 до +140	От –60 до +200
Удельное объемное сопротивление, Ом∙м	109–1013	1012	1011	1012
Диэлектрическая проницаемость	4,0–5,5	3,5	4,2	3,1–4,6
Тангенс угла диэлектрических потерь	0,01–0,07	0,005	0,015	0,003–0,01
Электрическая прочность, Мв/м	15–55	20	90	50–70