Микроволновые технологии в производстве элементов радиоэлектроники из высококачественной керамики


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




            Л.Г. ПЛАВСКИЙ



МИКРОВОЛНОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ИЗ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ КЕРАМИКИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия







НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.384.6(075.8)
     П 37

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталёв д-р техн. наук, проф. ВЛ. Разинкин

Работа подготовлена на кафедре конструирования и технологии радиоэлектронных средств для студентов IV и V курсов факультета РЭФ (специальности 21100.62; 210700.68) всех форм обучения

      Плавский Л.Г.
П 37 Микроволновые технологии в производстве элементов радиоэлектроники из высококачественной керамики: учеб. пособие / Л.Г. Плавский - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-116 с.
          ISBN978-5-7782-1916-8
          Рассматриваются основные аспекты теории и практики получения изделий радиотехнической промышленности из наноматериалов, а также перспективы для дальнейшего развития и применения высококачественной керамики.
          Предназначено для изучения современной СВЧ-технологии, рассматриваемой в курсе «Технология радиоэлектронных средств», для студентов дневного отделения бакалаврской подготовки по направлению 210200.62, инженерной подготовки по направлению 210200.62 и магистрантов по направлению подготовки 210200.68. Также углубленно рассматриваются особенности микроволновых технологий при освоении курса «Новые технологии электронных средств» магистрами направления подготовки 210200.68. Учебное пособие будет полезно для изучения этих вопросов студентами старших курсов заочного отделения соответствующих специальностей.


Плавский Леонид Григорьевич

МИКРОВОЛНОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ИЗ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ КЕРАМИКИ

Учебное пособие

Редактор ЛИ Ветчакова
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская Компьютерная верстка В.Н Зенина


    Подписано в печать 30.03.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 50 экз.
Уч.-изд. л. 6,74. Печ. л. 7,25. Изд. №405/11. Заказ №                 Цена договорная


Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
УДК 621.384.6(075.8)

ISBN 978-5-7782-1916-8                           © Плавский Л.Г., 2012
                                                  © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

   В настоящее время способы применения энергии СВЧ настолько разнообразны, что не существует даже единой классификации, которая охватывала бы всю область ее использования. Фактически полная классификация должна состоять из четырех подклассификаций, основу которых составляет:
   1)    тип заказчика (промышленность, коммерческая сеть или бытовой потребитель);
   2)    выполняемый процесс (обработка лесоматериалов, полимеризация, обжиг керамики и т.д.);
   3)    результирующий эффект (обезвоживание, полимеризация, спекание и т.д.);
   4)    способ связи генератора с обрабатываемым изделием (облучение в ближнем поле излучателей, установка с ленточным конвейером).
   Классификация по выполняемому процессу вполне очевидна. Некоторые пояснения, однако, нужно сделать относительно классификации третьего вида. В процессе обезвоживания используется тот факт, что ионные соли растворены в природной или промышленной воде и определяют ее электропроводность. В процессе нагрева вода испаряется, концентрация солей повышается и степень ионизации поэтому стремится уменьшиться. Под действием этого механизма в обрабатываемом изделии происходит выравнивание влаги, и изделие приобретает более однородные свойства. Полимеризация происходит каждый раз, когда полярные молекулы под действием катализатора или теплового возбуждения преодолевают энергетический барьер, препятствующий взаимодействию, и сближаются. В присутствии энергии СВЧ молекулярная структура возбуждается вдоль своей оси или начинает вращаться под действием дипольного момента; в любом случае при этом нужно приложить достаточно энергии для преодоления барьера и возбуждения обычно экзотермической реакции. В процессе образования свободных радикалов газообразный водород ионизируется в разряде СВЧ.
   Таким образом, атомарный водород получается в среде, где его удобнее всего использовать. Этот способ производства радикалов ис

3

следуют для многих химических веществ, что может привести к созданию новых представлений и технологических методов, в которых энергия СВЧ либо будет непосредственно играть роль катализатора, либо позволит увеличить эффективность другого недорогого катализатора.
   От выбранных средств связи генератора с обрабатываемым изделием зависит эффективность использования энергии СВЧ, а также удобство ее эксплуатации. Обработка изделия в печи позволяет максимально использовать энергию СВЧ. Однако такое решение накладывает ограничение на производственный цикл - обработка в этом случае должна производиться отдельными партиями. В конвейерной печи обрабатываемые изделия можно пропускать через зону СВЧ-нагрева непрерывно, но возможна утечка энергии с обоих концов полой трубы. Оптимальная эффективность достигается путем использования длинной трубы малого диаметра. Кроме того, значительные, хотя и разрешимые, трудности конструктору приходится преодолевать в связи с необходимостью поглощения энергии на входе и выходе печи, так как в противном случае она может помешать работе других служб или оказаться вредной для обслуживающего персонала. Наконец, иногда приходится иметь дело с такими деликатными или крупногабаритными объектами, когда применить печи или конвейерную обработку нельзя. СВЧ-энергию в этих случаях нужно подавать с помощью специальных излучателей, которые создают поля, принимающие большие значения на заданной поверхности и исчезающие на достаточно малом расстоянии от нее, благодаря чему предотвращается излучение. Излучатель такого типа особенно полезен при нагреве тонких пленок.
   В настоящем пособии рассматриваются технологические особенности получения высококачественной (нано) керамики, которую начинают широко использовать для производства элементов радиоэлектроники, особенно элементов функциональной электроники: подложек гибридных интегральных схем СВЧ, подложек головок в жестком диске современных компьютеров, пьезокерамических фильтров, пьезокерамических электромеханических фильтров, диэлектрических резонаторов СВЧ, подложки фильтров на поверхностных акустических волнах, элементов интегральной оптики и многих других. Появление диэлектрических резонаторов СВЧ произвело настоящую революцию в технике фильтрующих систем за счет уникальных свойств: добротности до 10 000 на частотах до 10 ГГц и более. Получение таких характеристик резонаторов не представляется без технологии спекания мелкозернистых порошков различных оксидов.

4

        1. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЧ-ЭНЕРГИИ

   Анализ физических явлений, сопровождающих взаимодействие СВЧ-полей с различными веществами и средами, а также имеющийся опыт практического применения СВЧ-установок в различных технологических процессах позволил выявить ряд важных преимуществ, связанных с использованием СВЧ-энергии. Перечислим их.
   1.   Важнейшее преимущество СВЧ-воздействия заключается в том, что электромагнитные поля проникают на значительную глубину в обрабатываемый материал, создавая объемное распределение источников тепла, осуществляя, таким образом, внутренний объемный нагрев и обеспечивая прямое преобразование СВЧ-энергии в тепловую без необходимости создания какой-либо теплообменной среды. Кроме того, легкость, с которой СВЧ-энергия преобразуется в тепло, позволяет получить очень высокие скорости нагрева; при этом в материале не возникает разрушающих электрических нагрузок. В итоге процесс нагрева сокращается до минимума.
   При обычных же методах нагрева, как известно, возникает опасность перегрева поверхности нагреваемого материала до того, как глубинные слои еще не достигли нужной температуры. Иными словами, имеет место неравномерный нагрев.
   2.   СВЧ-воздействие является экологически чистым, поскольку не несет в себе никаких загрязнений при нагреве ни в обрабатываемый материал, ни в окружающую среду.
   При использовании СВЧ-нагрева отсутствуют какие-либо продукты сгорания, и не применяется конвекционный нагрев. Способность СВЧ-энергии преобразовываться в тепло в одних материалах лучше, чем в других, позволяет конструировать рабочие контейнеры, которые не загрязняют обрабатываемое изделие и не вступают с ним в реакцию.

5

   3.   СВЧ-воздействие отличается гибкостью в управлении и практически безынерционно, что дает возможность мгновенно дозировать подачу тепла, осуществлять его по заданной программе и, следовательно, легко автоматизировать и оптимизировать соответствующий технологический процесс.
   Распространение энергии СВЧ происходит со скоростью света. Благодаря этому количество энергии СВЧ и момент ее приложения можно мгновенно изменять.
   4.   СВЧ-излучение носит избирательный характер. Это означает, что если обрабатываемый материал является многокомпонентным, то, попадая в СВЧ-поле, отдельные компоненты будут нагреваться по-разному в соответствии с присущими им коэффициентами поглощения. Это свойство широко используется, например, при СВЧ-сушке материалов, когда вода, являясь хорошим поглотителем СВЧ-энергии, испаряется, а сам материал сохраняет свои качества.
   5.   Использование СВЧ-излучения во многих случаях является энергетически выгодным и экономичным. В настоящее время в промышленности примерно 50 % всей энергии используется в качестве тепла с очень низкой долей его использования. Применение СВЧ-установок, имеющих общий коэффициент полезного действия (КПД) использования 55 % электроэнергии за счет отсутствия промежуточных носителей тепла, дает большую экономию энергии.
   К отрицательным сторонам СВЧ-излучения следует отнести:
   1)    сравнительно высокие капитальные затраты и стоимость обработки, однако они компенсируются улучшением качества продукции, повышением выхода годной, уменьшением времени обработки, сокращением производственных площадей, экономией энергии;
   2)    необходимость принятия специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала, которые в настоящее время хорошо разработаны.

        2.   ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ-ВОЛН С МАТЕРИАЛАМИ И СРЕДАМИ

   СВЧ-нагрев быстро становится тем средством, которое позволяет создавать новые технологические методы и процессы. По мере того как расходы, связанные с применением СВЧ-нагрева, становятся доступ
6

ними все более широкому кругу потребителей, этот метод обработки получает все большее распространение.
   СВЧ-излучение как носитель электромагнитной энергии обладает рядом замечательных свойств: способностью объемного нагрева материалов и сред, резонансным воздействием, безынерционностью действия, легкостью управления при автоматизации, селективностью, высоким КПД преобразования, экологической чистотой.
   Причины отставания отечественной промышленности СВЧ-энергетики обусловлены, с одной стороны, недостаточной информированностью специалистов соответствующих отраслей промышленности о возможностях СВЧ-технологий, а с другой - известными трудностями экономического развития страны. Вместе с тем научно-технические и кадровые условия для создания различных опытных и промышленных СВЧ-установок на предприятиях электронной промышленности имеются.
   Что касается вопросов применения СВЧ-энергии, то нельзя обойти вниманием проблемы, связанные с теорией, методами расчета, проектированием и производством самих источников СВЧ-энергии, включающих генераторы электромагнитных колебаний, блоки питания, схемы управления и т.д. Здесь усилия ученых и специалистов должны быть направлены на удешевление всех этапов создания источников СВЧ-энергии, стоимость которых пока еще высока, а также на увеличение их КПД и долговечности.
   Безусловно, получит дальнейшее развитие СВЧ плазменной техники, особенно в электронной промышленности.
   Технологическая обработка самых различных объектов почти всегда включает в себя такую операцию, как нагрев. Одной из разновидностей термического процесса является сушка - удаление влаги из твердых объектов или растворов за счет ее выпаривания.
   При традиционных способах нагрева и сушки - конвективном, радиационном и контактном - нагрев объекта происходит первоначально по поверхности. Если теплопроводность объекта низка, что имеет место у диэлектриков, то термообработка объема объекта происходит медленно, с локальным перегревом поверхности нагрева, отчего возможно подгорание этой поверхности, возникновение внутренних механических напряжений. Все это в конечном счете может привести к выходу объекта из строя.
   С развитием производства возросла потребность в скоростной термообработке. Для равномерного нагрева материалов с достаточно вы

7

сокой проводимостью стали использовать электрический ток промышленной частоты. Этот вид нагрева обычно дает положительный результат только в тех случаях, когда не происходит повышения температуры в месте контакта электрода с нагреваемым объектом. Устранить влияние этого контакта удается посредством применения токов высокой частоты, когда нагреваемый объект помещают между пластинами конденсатора. Токи, возникающие в объекте, вызывают в нем выделение тепла.
   Как и высокочастотным, диэлектрическим, или сверхвысокочастотным, называют нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот.
   Важно отметить, что поглощение СВЧ-волн - это преобразование электромагнитной энергии самим материалом в тепло внутри себя. Пропорциональность поглощаемой мощности частоте определяет то обстоятельство, что при сверхвысоких частотах электромагнитные волны могут эффективно передавать большие количества мощности при небольших напряженностях поля.
   Взаимодействуя со средой на атомном и молекулярном уровне, поля СВЧ влияют на движение электронов; ионы из-за своей большой массы не в состоянии взаимодействовать с полем СВЧ. Электроны в таких материалах движутся более или менее свободно в зависимости от значений диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь. Движение электронов, связанное с диэлектрической проницаемостью, носит упругий характер и по существу приводит к запасанию энергии. Если движение электронов выходит за пределы упругости, характерные для данного материала, то происходит преобразование энергии СВЧ в тепло через гистерезис. В некоторых случаях, например в растворах солей, электроны сравнительно легко разрывают свои связи с молекулами и атомами и более или менее свободно движутся в среде. Потери при этом удобнее рассматривать как результат несовершенств в механизме проводимости.
   Когда число электронов, участвующих в движении, настолько велико, что индуцированные при их движении поля по своей интенсивности приближаются к возбуждающим, результирующее поле становится равным нулю и СВЧ-энергия не может проникать внутрь материала. Этот «поверхностный» эффект проявляется у разных материалов неодинаково и зависит от температуры и частоты СВЧ-поля. Толщина поверхностного слоя (глубина, на которой напряженность поля составляет 37 % ее значения на поверхности) при низких темпера

8

турах обычно довольно велика, но сравнительно мала при высоких температурах или ионных растворах.
    В зависимости от расположения в них зарядов молекулы диэлектрической среды могут быть полярными и неполярными. В неполярных молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствие внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и без внешнего поля. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, т. е. симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент. Под действием внешнего поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля. Обычно различают электронную, ионную, дипольную и структурную поляризацию диэлектрика. На СВЧ, например, наибольший удельный вес имеет дипольная и структурная поляризация, так что выделение тепла возможно даже в отсутствие тока проводимости. Для аналитического описания этого явления продуктивной оказывается идея представления среды, состоящей из осцилляторов, каждый из которых взаимодействует с электромагнитным полем, в силу чего совершает вынужденные колебания.
    Глубина проникновения СВЧ-энергии в вещества описывается следующим уравнением:
Р = с ф.'. /2лf г"тн,                  (2.1)

где е'отн - диэлектрическая проницаемость; е"отн - коэффициент диэлектрических потерь; с =f Хо.
   Тангенс угла диэлектрических потерь
tg 8 = с".,,,,/е'ош.                (2.2)
    Так, для воды при температуре 25 °C на частоте 3-10⁹ Гц глубина проникновения будет составлять Р = 1,4 см, но для льда эта величина возрастает до 1,2 м.
    Ослабление энергии электрического поля Ео в обрабатываемом продукте можно представить в виде
Е = Е₀ ехр(-кх),                    (2.3)




9

здесь к - постоянная затухания; х - глубина, на которой определяется величина Е. Когда глубина х=1 /к, величина Еве раз меньше Ео - это уровень, на котором лишь 63 % начальной энергии электромагнитной волны поглотилось в материале и превратилось в тепло.




        3.  ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

        3.1. Виды движения и уравнения, отображающие их

   СВЧ-термообработка включает в себя процессы теплообмена и связанного с ним массообмена, которые в ней играют важную роль, так как они определяют протекание рабочего процесса в технологических установках и генераторах большой СВЧ-мощности, температурный режим узлов и механизмов этих устройств, а также состояние окружающей среды. Корректный учет хода и влияния указанных процессов позволяет создавать энергосберегающие, экологически чистые установки СВЧ либо с новыми технологическими возможностями, либо с новой высокой экономической эффективностью.
   Одним из важных на практике является процесс теплообмена между средами с различной температурой, сопровождающийся нагревом, охлаждением или замерзанием.
   Количество тепловой энергии Qн, необходимой для нагревания вещества массой т при постоянном давлении Р от температуры То до Т₁ , определяется следующим соотношением:
QH = mcₚ(Ti -То),             (3.1)

где ср - удельная теплоемкость вещества.
   При охлаждении То > 71, и отрицательный знак правой части указывает на отбор энергии у вещества.
   Следующим важным процессом является процесс парообразования или испарения, происходящий с поверхности жидкости. Процесс интенсивного парообразования по всему объему жидкости, т. е. кипение,

10