С развитием производства радиоэлектронных
материалов (РЭМ) неразрывно связан научно-технический прогресс в
промышленности. Значительная часть этих материалов (магнитные,
диэлектрические, полупроводниковые) изготавливается из смесей оксидов и
солей металлов по керамической технологии. Рост потребности в
керамических РЭМ, расширение номенклатуры изделий, повышение требований
к их электромагнитным параметрам, улучшение технико-экономических
показателей производства обусловливают необходимость исследований и
разработки новых технологических процессов.
По керамической технологии изготавливаются практически все ферриты,
подавляющее большинство диэлектриков (корпуса и подложки для
полупроводниковых приборов и интегральных схем, многослойные
керамические платы, конденсаторы, электросопротивления),
полупроводниковые резисторы и др. Независимо от химического состава,
вида и назначения изделий в основе процесса изготовления керамических
РЭМ лежит одна принципиальная технологическая схема и имеется множество
общих закономерностей.
Актуальные вопросы технологии — изучение физико-химической сущности
превращений в материалах, установление основных закономерностей
формирования свойств материалов от технологических факторов и
микроструктуры.
Имеется тенденция недооценивать роль начальных стадий керамической
технологии и преувеличивать значение спекания. Методы получения шихт
(оксидный, солевой, соосаждения и др.), степень их предварительного
синтеза и измельчение в основном определяют поведение материала в
процессах приготовления масс и формования полуфабрикатов, а вместе с
режимами спекания играют решающую роль в формировании структуры и
свойств РЭМ.
Книга состоит из двух частей. В первой рассмотрены общие основы
процессов керамической технологии, во второй — изложены требования к
изделиям и технологические процессы промышленного изготовления
конкретных РЭМ — ферритов радиочастотного (РЧ) диапазона и с
прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), металлокерамических корпусов
интегральных микросхем СВЧ диапазона и полупроводниковых
терморезисторов.
Сделана попытка систематизации и обобщения информации по технологии
керамических материалов, особенно на ее начальных стадиях, по
отечественным и зарубежным источникам и внедрению результатов в
промышленное производство за последние годы.
Радиоэлектроника — одна из наиболее динамично
развивающихся отраслей промышленности, в которой концентрируются и
находят быстрое применение результаты исследований по физике, химии,
точной механике, оптике и т. д. Процессы морального устаревания
материалов и элементов на их основе, динамика об-новления и старения
изделий иногда становится соизмеримой со сроком их службы. Это
обусловливает необходимость мобильности технологических процессов
производства РЭМ и оборудования.
Технология — совокупность методов обработки, изменения состояния,
свойств, формы материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе
изготовления продукции с заданными эксплуатационными характеристиками.
Задача технологии как науки состоит в выявлении физических, химических,
механических и других закономерностей для определения и использования на
практике наиболее эффективных производственных процессов. Процесс
изготовления изделий состоит из последовательных взаимосвязанных
операций и переходов с использованием различного оборудования, приборов
и средств пооперационного контроля.
В России развитие керамического производства относится к XVIII в. и
связано с именами русских ученых Ломоносова и Виноградова. В настоящее
время в производстве материалов радиоэлектронной техники керамическая
технология нашла широкое применение.
Образование керамического материала происходит в результате уплотнения
одной или нескольких порошкообразных компонент при высокотемпературном
спекании без плавления или с плавлением одной из них (с участием жидкой
фазы). При этом важно, что температура спекания гораздо ниже температуры
плавления материала. Вопросы технологии керамики следует рассматривать с
позиций физики и химии твердого тела и физико-химической механики, что
подводит к пониманию источников и сил образования композиционных
составов и структур, а также влияния их на характеристики материалов.
Процесс керамической технологии можно разбить на три самостоятельных
этапа: получение порошков; формование полуфабрикатов с предварительным
приготовлением масс; спекание изделий.
Порошки можно получать различными методами, при этом неотъемлемыми в
технологии являются операции смешения (растворения), предварительного
обжига (дегидратации, терморазложения) и измельчения. Для формования
заготовок из порошков используют методы прессования, горячего литья под
давлением, экструзии, получения пленок и др. Каждому методу формования
предшествует определенная технология формовочных масс — суспензий,
пресс-порошков, шликеров, паст. На начальных стадиях технологии широко
используется метод распылительной сушки суспензий. Спекание
отформованных изделий осуществляется в печах с различными газовыми
атмосферами (защитными, окислч-тельными, восстановительными, вакуумными
с регулируемым парциальным давлением кислорода). Общий признак
керамической технологии — введение в формовочные массы комплекса
органических веществ различного функционального назначения — связок,
смазок, растворителей и поверхностно-активных веществ (ПАВ) — с общим
содержанием 1—40 % мае. С учетом специфики требований к изделиям
технология может дополняться механической обработкой, нанесением и
вжиганием других составов, пайкой, склеиванием, старением, обработкой в
электромагнитных полях и т. д.
Качественные характеристики материалов и изделий, производительность и
технико-экономические показатели производства целиком и полностью
зависят от технологических методов, предыстории и физико-химических
свойств исходных и промежуточных материалов и полуфабрикатов,
используемого оборудования и аппаратуры.
В технологическом отношении особенно сложны химические системы
радиокерамики, содержащие в своем составе оксиды полиморфных элементов,
особенно марганца, который входит во многие материалы. Способность к
полиморфным превращениям обусловливает возможность образования оксидов
разной валентности. В твердые растворы, например шпинельного типа,
марганец должен входить только в двухвалентном состоянии, в котором его
наиболее трудно сохранить при охлаждении после спекания. При изменении
валентности происходит разрушение кристаллической решетки с образованием
свободных фаз и ухудшение электромагнитных параметров. Такие материалы
называются структурночувствительными. В технологии их производства
решающая роль принадлежит режимам спекания в соответствующих средах
(азот, водород, вакуум) с регулируемым парциальным давлением кислорода.
В настоящее время для производства керамических РЭМ создано специальное
технологическое оборудование, автоматизированные комплексы и поточные
линии, позволяющие синхронизировать технологические процессы. Начальные
стадии технологических процессов оснащаются современным смесительным и
помольным оборудованием, сушильно-грануляционными установками (СГУ),
межоперационными транспортными средствами. Разработаны помольные
агрегаты с классифицированным отбором фракций порошков. Внедрение в
производство керамических РЭМ метода распылительной сушки суспензий
позволяет получать более совершенные материалы. Универсальной для разных
производств стала замкнутая технологическая схема, реализованная из двух
комплексов на основе СГУ, соединенных печью для непрерывного обжига
гранулированной шихты. Каждый комплекс содержит механизированный узел
приготовления суспензий с помольным агрегатом.
Наиболее узкими местами в производстве керамических РЭМ являются
термические участки, так как операции спекания производятся на сложном
оборудовании, длятся 24—48 ч при высоких температурах 1200 (1473) — 1800
°С (2073 К) и более. В настоящее время термическое оборудование
переживает новый этап своего совершенствования. Созданы уникальные
автоматизированные агрегаты для спекания керамических изделий, в том
числе и с металлизацией в различных защитных и контролируемых атмосферах
(азот, водород и др.) и вакууме.
Отсутствие или неполнота информации о взаимосвязях свойств промежуточных
полуфабрикатов с технологическими режимами, микроструктурой и
электромагнитными параметрами изделий резко снижает эффективность
оборудования, вызывает неуправляемость технологии и низкую
воспроизводимость свойств РЭМ. Без преувеличения можно сказать, что
решение этой проблемы — главный вопрос производства.
Технологические процессы изготовления керамических РЭМ совершенно
недостаточно оснащены методами и средствами меж-операционного контроля.
В промышленных процессах обычно контролируют лишь отдельные
технологические характеристики материалов без связи с другими, которые
формируются в процессе синтеза материалов. Такие важнейшие показатели
порошков, как величина и форма частиц, реакционная способность,
дифференциально-термические характеристики и тому подобное остаются вне
поля зрения технолога и не учитываются при составлении режимов на
последующих операциях. Практически нет качественного контроля
отформованных и спеченных заготовок (кроме геометрических размеров и
усадки).
Формирование качественных характеристик материалов и полуфабрикатов в
технологии остается практически бесконтрольным. Жесткий контроль только
режимов проведения операций технологического процесса является
недостаточным. Как правило, о правильности технологического процесса и
качестве выпускаемой продукции судят только по электромагнитным
параметрам изделий, регламентированным нормативной технической
документацией. Многое в обеспечении требуемых параметров изделий
основывается на интуиции и опыте. Пока не определены ни трабования к
промежуточным продуктам производства, ни методы их оценки; отсутствуют
разработки по технологическому обеспечению заданных показателей качества
материалов и полуфабрикатов. Сложность проблемы получения изделий с
заданными параметрами и жесткими допусками на отклонения от номинальных
значений заключается в материаловедческом подходе к технологии и
качественном изменении методологии контроля технологических процессов.
Между технологическими режимами получения материалов, их
характеристиками и условиями эксплуатации в РЭМ существуют очень сложные
взаимосвязи. Электромагнитные параметры изделий принято рассматривать
как случайные величины. Возникает проблема создания надежной аппаратуры
при неточно изготовленных и нестабильных элементах.
Технология производства керамических РЭМ — это совокупность сложных
многофакторных процессов и представить ее в виде готовых решений,
режимов и факторов невозможно. Технология должна становиться управляемым
физико-химическим процессом в результате постоянных скрупулезных и
обоснованных исследований для каждого вида материалов и изделий. В
технологии нет мелочей.