Использование высокотеплопроводной керамики

В настоящее время в связи с необходимостью уменьшения массы и габаритов научных приборов, используемых при проведении экспериментов в космосе, улучшения качества и увеличения объема получаемой с них научной информации остро встает вопрос об использовании при создании приборов новых технологий, материалов и компонентной базы, удовлетворяющих современным требованиям. Рассмотрим возможные направления использования в космическом приборостроении одного из перспективных материалов — высокотеплопроводной керамики на основе нитрида алюминия. Преимущество нитрида алюминия перед другими материалами обусловлено уникальным сочетанием его физических и электрических характеристик: высокой теплопроводности, хороших электроизоляционных свойств, умеренного коэффициента теплового расширения при относительно невысокой стоимости. В последнее время ряд зарубежных фирм выпускающих электронные компоненты, переходят на использование нитрида алюминия практически во всех областях, где раньше традиционно применялась окись бериллия. Наиболее интенсивно нитрид алюминия используется для изготовления корпусов и подложек интегральных схем, мощных транзисторов, поглотителей и оконечных нагрузок. При создании радиоэлектронных приборов, где остро встает вопрос охлаждения приемников излучения до уровня температур порядка 150−160 К, требуется использование новой компонентной базы, обеспечивающей экстремальное значение показателя «мощность — частота» и одновременно оптимизацию их массогабаритных характеристик. Используемые при этом конструкционные материалы должны иметь высокую теплопровод> ность, хорошие изолирующие свойства и высокую прочность. Проведенный нами обзор показал, что этого можно достичь при переходе от традиционных конструкционных материалов — плат и подложек на основе Al2O3 и BeO — к использованию керамики на основе нитрида алюминия. В таблице приведены наиболее важные сравнительные электрофизические характеристики предлагаемой для использования в разработках научной аппаратуры керамики из нитрида алюминия (AlN) и керамики из оксида бериллия (BeO) и оксида алюминия (Al2O3) по данным отечественных и зарубежных источников.

Выпускаемая в настоящее время керамика из нитрида алюминия уступает керамике из оксида бериллия и оксида алюминия по значениям диэлектрических потерь, однако обладает высокими теплофизическими и электротехническими характеристиками, экологически чистая и относительно недорогая (ее удельная стоимость в 5−7 раз ниже удельной стоимости керамики из оксида бериллия). Керамика из нитрида алюминия является идеальным конструкционным материалом для приборов и устройств на основе кремниевых кристаллов, так как коэффициенты температурного линейного расширения (КТЛР) алюминия и кремния практически совпадают в широком температурном диапазоне [1].

Перспективы использования высокотеплопроводной керамики Наиболее оптимальные условия пайки кремниевого кристалла создаются при его посадке на подложку из нитрида алюминия. Таким образом, использование подложек из нитрида алюминия для монтажа кремниевых кристаллов ведет к существенному снижению напряжений в местах спая, что значительно повышает качество изделий и увеличивает их надежность. Опыт работы создателей научной аппаратуры показал, что возникающие при функционировании приборов вибрации влияют на работоспособность приборов и ухудшают их выходные параметры. Использование в качестве конструкционных развозок керамики на основе нитрида алюминия существенно снизит уровни создаваемых вибраций. Создание современных устройств передачи научных дан> ных, систем радиолокации, радиодальномеров и радиовысотомеров требует разработки компактных узлов, рассеивающих значительные тепловые мощности. В подобных устройствах широко применяются интегральные схемы миллиметрового диапазона (ММIС), которые имеют плотность рассеиваемой мощности порядка 1 Вт/мм2. Для отвода такой плотности мощности требуются материалы с высокой теплопроводностью и с КТЛР, близким к КТЛР полупроводниковых материалов подложек интегральных схем (кремния, арсенида галлия, нитрида галлия). Нитрид алюминия в значительной степени удовлетворяет этим требованиям. В современных приборах широко используется установка активных полупроводниковых структур на пассивные коммутационные микрополосковые платы методом обратного монтажа. При этом тепло, выделяемое активными структура> ми, отводится через выводы этих структур на материал коммутационной платы. Изготовление микрополосковых плат из нитрида алюминия дает возможность значительно снизить рабочую температуру активных полупроводниковых структур, что существенно повышает надежность работы и увеличивает срок службы устройств. Другой особенностью современных приборов является широкое использование многоканальных узлов с суммированием мощностей отдельных каналов. Такое техническое решение позволяет собирать передающие устройства значительной выходной мощности из относительно маломощных компонентов. Кроме того, многоканальные системы обладают повышенной [3].

Современные информационные и конструкторские технологии.

Структурной надежностью при выходе из строя отдельных каналов. Для обеспечения устойчивой работы таких систем выходы отдельных каналов должны объединяться с помощью сумматоров. Согласованные нагрузки таких сумматоров должны обладать значительной допустимой мощностью, чтобы была воз> можность поглотить полную выходную мощность устройства. Согласованные нагрузки, выполненные на подложках из нитрида алюминия, позволяют рассеивать большую мощность при относительно небольших габаритах. Еще одной особенностью современной космической техники является широкое применение различного рода передающих антенных устройств, например, антенн с электрическим сканированием, адаптивных активных антенн, антенн с пространственным сложением мощности. Для таких устройств характер на тенденция интегрирования активных полупроводниковых компонентов (выходных усилителей мощности) с излучательными структурами антенн. При этом полотно антенны рассеивает значительные мощности при большой плотности отводимой мощности. Использование подложек из нитрида алюминия для изготовления активных антенных узлов позволяет создавать малогабаритные антенные системы с уникальными параметрами. Потенциал современных передающих приборов определяется не только большой мощностью передатчиков, но и высокой чувствительностью приемных узлов. В устройствах пассивной локации и дистанционного зондирования чувствительность приемника является основополагающим фактором. Высокую чувствительность приемных узлов можно обеспечить путем охлаждения входных активных полупроводниковых структур до низких температур. При этом существует проблема отвода выделяемого этими структурами тепла. Подложки и теплопроводы из нитрида алюминия способны работать при низких температурах, вплоть до криогенных, обеспечивая эффективное охлаждение приемных систем. Стабильная и надежная работа приборов возможна только в условиях эффективного отвода тепла от тепловыделяющих элементов, поэтому требуется пассивное или активное термостатирование отдельных узлов или устройств в целом. Эффективность отвода тепла и эффективность работы термостатов во многом определяется качеством теплопроводов и тепловым [3].

Перспективы использования высокотеплопроводной керамики…

Сопротивлением теплонагруженных контактных поверхностей. При этом во многих случаях требуется электрическая изоляция теплопровода от тепловыделяющего узла. Указанные задачи могут быть решены с помощью теплопроводящих смазок, клеев и специальных твердых или эластичных изоляционных теплопроводящих прокладок. В качестве таких прокладок могут быть использованы тонкие пластины из нитри> да алюминия. Порошок нитрида алюминия также может быть использован в качестве теплопроводящего компонента для изготовления теплопроводного клея, смазки или композитного материала прокладки или теплопровода. Нитрид алюминия можно также применять в качестве теплопроводящего изолятора при изготовлении нагревательных элементов активных термостатов приборных узлов. Таким образом, учитывая высокие теплофизические и электрофизические характеристики керамики из нитрида алюминия, возможности сохранения ее работоспособности в широком диапазоне температур, намечены следующие направления ее использования в космическом приборостроении в качестве:

• * корпусов и подложек мощных монолитных интегральных схем усилителей мощности;
• * коммутационных микрополосковых плат мощных полупроводниковых структур, устанавливаемых методом обратного монтажа;
• * подложек мощных согласованных нагрузок и поглотителей мощности;
• * теплопроводов устройств охлаждения приемных систем повышенной чувствительности;
• * теплопроводящих изоляторов нагревателей активных термостатов приборных узлов;
• * изолирующих прокладок в системах отвода тепла конструкционных узлов;
• * составляющих теплопроводящих клеев и смазок;
• * подложек термоэлектрических преобразователей на осно> ве элементов Пельтье в системе охлаждения до температуры 160 К;
• * элементов систем передачи тепла и нагрева (на криогенном уровне около 70 К); * элементов систем с применением микрохолодильных машин для компенсации механических вибраций;
• * элементов перспективных разработок в области схемотехники и микроЭВМ в качестве подложек для ЧИПов для улучшения отвода тепла и доведения плотности упаковки до 500 см² кремния в объеме 1 дм³. [3].

При разработке приемников излучения остро стоит вопрос обеспечения их охлаждения. Работа этих приемников характеризуется уровнем темновых токов, величина которого существенно снижается при охлаждении. Использование в качестве подложки керамики на основе нитрида алюминия в системах охлаждения даст возможность снизить уровень рабочих температур до 150−160 К. Это, в свою очередь, позволит не только снижать уровни темновых токов, но и создавать преобразователи до четырех каскадов, что повысит эффективность и качество работы приемников излучения при выполнении научного эксперимента. Эти вопросы решались при разработке ряда научных приборов в рамках проектов «Вега», «Фобос», «Марс>96». Опыт работы с микрохолодильными машинами для приемников излучения показал, что создаваемые при их работе вибрации существенно влияют на работоспособность приемников излучения. Использование гибкой связи для компенсации вибраций между холодным пальцем микрохолодильника и основанием детектора не защищает последние от вибраций на уровнях частот 50−60 Гц. Исследования, проведенные в Японии, показали, что исключить вибрации на уровне 50−60 Гц можно только с помощью нитридных материалов, в частности керамики на основе нитрида алюминия. Подобные исследования и разработка возможности применения нитрида алюминия в качестве материала для поглощения вибраций на указанных выше уровнях были проведены в ИКИ РАН для научного прибора «Гамма>спектрометр» проекта Bepi Colombo по программе исследования Меркурия. Высокий коэффициент теплопроводности керамики (180- 200 Вт/м· К) позволяет увеличить площадь ПЗС кристаллов и стабилизировать температурное поле подложки кристалла, что снижает уровень темновых токов ПЗС и обеспечивает высокое качество изображений. Использование керамики из нитрида алюминия для производства матриц и линеек в ПЗС технике расширяет возможность [2].

Перспективы использования высокотеплопроводной керамики…

применения ПЗС в космической технике, что существенно улучшает качество информации при проведении научного эксперимента. Применение новой технологии на основе капиллярной пайки позволяет не только увеличить плотность упаковки и, соответственно, количество кристаллов кремния в единице объема при создании микроЭВМ нового поколения, но и одновременно обеспечить высокие механические (вибрационные и ударные) характеристики микроЭВМ. Практическое применение керамики из нитрида алюминия в приборах может быть начато с 2005, 2006 гг. Требуется проведение НИОКР по созданию технологии проектирования и изготовления сложнофункциональных блоков на базе компьютерного моделирования компонентов и физического моделирования существующих и перспективных технологических процессов. Также требуется проведение комплекса работ по совершенствованию технологических процессов и средств автоматизированного проектирования, включая разработку библиотеки функциональных элементов и программного обеспечения. Важным является определение номенклатуры изделий, где применение керамики из нитрида алюминия необходимо в первую очередь, а также развитие методов контроля качества и испытаний.

Пьезокерамика и перспективы ее применения О некоторых перспективах использования пьезокерамики Несмотря на то, что пьезоэффект был открыт еще в XIX веке, а со второй половины XX активно развивались теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика — один из перспективных материалов века XXI. Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями. Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в 60−70 годах XX века. Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей. В настоящее время пьезокерамика широко используется для ультразвуковой диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефтегазовом комплексе; силовая пьезокерамика — в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении и т. д. В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для созда ния генераторов, актюаторов и в комбинированных системах. Однако современные требования по энергосбережению, миниатюризации, адаптивности к компьютерным системам управления и контроля все чаще заставляют производителей техники и оборудования обращаться к производителям пьезокерамики с целью совместного поиска тех или иных технологических решений с помощью пьезокерамики. В результате появляются новые типы пьезокерамики, создаются новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты. Особое внимание в настоящее время уделяется пьезокерамическим трансформаторам и актюаторам. Пьезотрансформаторы. Хотя настоящее потребление пьезотрансформаторов не так велико, потенциал их применения в будущем, тем не менее, огромен. Одним из перспективных направлений является их использование в бытовых и производственных газонаполненных осветительных приборах в качестве резонансных DCAC конверторов. Сейчас для этих целей применяются самые разные компоненты. В основу перспективных осветительных приборов уже заложены принципы, позволяющие экономить до 80% электроэнергии по сравнению с ныне используемыми приборами. Поэтому единственным параметром, которому должны отвечать перспективные конверторы, являются их минимальные геометрические размеры. Изучение рынка подтверждает, что разработчиков осветительной техники интересуют не столько сравнительные характеристики по напряжению или по потребляемой мощности конверторов, сколько размеры, позволяющие устанавливать их в цоколе лампы. Последние исследования показали целесообразность использования многослойных пьезокерамических трансформаторов в новой осветительной технике. Были разработаны прототипы таких конверторов, удовлетворяющие практически всем требованиям, кроме цены. Поэтому производители пьезокерамики активно работают над технологией, которая позволила бы добиться снижения их себестоимости. Другим перспективным направлением использования пьезо-трансформаторов является их применение в силовых устройствах. На рынке появились современные устройства, которые используют не традиционные однослойные (Rosen Type) пьезотранс форматоры, а многослойные транс форматоры. Примерами этого могут служить дисплеи обратного свечения на жидких кристаллах (The liquid crystal display back light) и системы управления холодным катодом флуоресцентного освещения (Driving cold cathode fluorescent lightning). В качестве достоинств многослойных пьезотрансформаторов, по сравнению с традиционными, можно отметить их малый размер (особенно, толщина) и меньшее потребление энергии. Однако для современных многослойных трансформаторов, которые появились на рынке, определяющими факторами по прежнему являются цена и размеры, над снижением которых активно работают производители. Существует большая вероятность использования пьезотрансформаторов в перспективных телевизионных и компьютерных дисплеях. Уже отработаны прототипы таких дисплеев, которые получили название ПЭД — Полевые Эмиссионные Дисплеи (FED — Field Emission Display). Это плоские панельные дисплеи, имеющие более высокую раз решающую способность и четкость изображения по сравнению с современными. Однако уже сейчас разрабатывается новое поколение экранов с немерцающим изображением (Flicker Free Image Screen), для питания которых также предусматривается использование многослойных пьезокерамических трансформаторов. Рынок телевизионной и компьютерной техники изумляет своими новинками и заставляет производителей пьезо керамических элементов интенсифицировать исследования и разработки в данной области. Актюаторы. Как было сказано выше, актюаторы условно подразделяют ся на мощные (пакетные) актюаторы и маломощные, к которым относятся гибкие (биморфы и ленточные) и осе вые актюаторы, изготовленные по технологии многослойной пьезокерамики. Пакетные актюаторы (Stack Acuators) уже сейчас применяются в космической, лазерной технике и оптических инструментах для настройки антенн и зеркал с манометрической точностью. Считается, что они найдут более широкое использование там, где важно развить движущее усилие при минимальном угле перемещения. Одним из перспективных направлений является их применение в точной настройке станков. Благодаря своей жест кой структуре пьезоприводы являются идеальным инструментом для быстрой и точной их настройки. Прилагая фиксированное напряжение к шаблону в фазе с вращением шпинделя, можно обеспечить высокую точность обработки детали рабочим телом станка. В станкостроении планируется их использование и для подавления (компенсации) вибрации. Нежелательную вибрацию станков можно компенсировать с помощью многослойных актюаторов, работающих в противофазе с вибрационными колебаниями. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению качества конечного изделия, а также позволит избежать чрез мерного износа инструмента и существенно снизит уровень шума станка. Компенсаторы вибрации могут найти применение не только в станкостроении, но и в других сферах. Еще одним перспективным направлением использования пакетных актюаторов является управление гидравлическими клапанами. Примером этого могут служить последние разра ботки пьезокерамических высокоскоростных клапанов как для топливной аппаратуры дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей, так и для газораспределительных систем дизелей и двигателей внутреннего сгорания. Гибкие актюаторы используются в пьезоэлектрических датчиках изгибающего момента, читающих по методу Брайля электронных системах для слепых, в качестве электронных переключателей. Создание ленточных актюаторов существенно расширило их использование. Изначально лен точный актюатор был разработан по запросу текстильной промышленности для компьютерных систем подачи нитей в жаккардовых машинах. Благодаря высокой чувствительности, относительно большой блокирующей силе и величине отклонения новые пьезоэлементы позволяют использовать их в качестве сенсорных выключателей и контакторов, пьезоприводов, бесшумных успокоителей в электронном оборудовании, микрокомпрессоров, закрывающих и открывающих клапанов различного назначения, в том числе для программируемой дозированной подачи лекарств, вакуумных клапанов и т. п. Весьма перспективным считается использование в микроэлектронике осевых актюаторов, разработанных на основе последних достижений в технологии многослойной композитной пьезо керамики. Размеры актюаторов составляют от единиц миллиметров до десятых долей миллиметра. Ярким примером комплексного использования пьезокерамических элементов, узлов и деталей на их основе могут послужить совместные разработки американской компании APC International, Ltd. c производителями комплектующих для автомобильной промышленности. Современные, технически сложные автомобили постоянно требуют внедрения дополнительной электроники для повышения надежности, безопасности и комфорта. В настоящее время американские производители авто мобильной техники активно используют устройства и узлы на базе пьезо электрической керамики. Примерами таких устройств могут служить: актюаторыклапаны впрыска топлива; актюаторыклапаны для газораспределительной системы двигателя; *датчики поворота — для определения угла положения дроссельной заслонки; *датчики детонации; * датчики уровня заправочных жидкостей; *датчики давления — для измерения давления в топливном баке с целью определения утечки топлива; *пьезоприводы зеркал; * пьезоприводы регулировки сидений; * передние ультразвуковые дистанционные датчики (датчики предотвращения столкновений); боковые дистанционные датчики; * задние (парковочные) ультразвуковые дистанционные датчики; датчики системы сигнализации * и зуммеры оповещения; скоростные сенсоры в передней панели для подушек безопасности; боковые ударные сенсоры подушек * безопасности; аварийные датчикенсоры подушек безопасности; актюаторы системы антиблокировки тормозов; пьезоприводы системы подвески;* датчики угловой скорости и линей* ные акселерометры малых перегрузок, ориентированные по трем осям автомобиля, предназначенные для автоматизированного управления маршрутом; пьезоприводы регулировки фар;* датчики и актюаторы положения * фар — для обеспечения динами ческого регулирования луча света передних фар в зависимости от про филя дороги и изменения величины полезной нагрузки автомобиля; пьезоакустические системы адаптивного регулирования скорости автомобиля. [4].

Инновационная разработка актюаторов (пьезоприводов) и датчиков обеспечивает решение многих проблем автомобилестроения и улучшает эксплуатационные качества автомоби ля, отвечающие жестким эксплуатационным требованиям. Эффективность действия систем сигнализации, оповещающих зуммров, биморфных и униморфных актюаторов (пьезоприводов), пьезоприводов зеркал и систем регулировки положения сидений, подъемников стекол, управления клапанами двигателя и ударных датчиков подушек безопасности улучшились благодаря разработке и использованию в про изводстве новых пьезокерамических материалов со сверхмалыми части цами. Разработана также высокотемпературная и высокостабильная пьезоэлектрическая керамика, предназначенная для применения в топливных системах двигателей современных авто мобилей. Весьма важным является то, что данная керамика обладает значительной стойкостью к высоким температурам и противоударна. Единообразная частотная реакция делает датчики из данной керамики пригодной для любого типа автомобильного двигателя. Таким образом, пьезокерамика благодаря своим уникальным свойствам находит все большее применение в различных областях техники и технологии. Иностранные производители пьезокерамики, элементов и компонентов на ее базе, пытаясь более пол, но удовлетворить современные требования рынка, проводят исследования и конструкторские работы с целью улучшения параметров керамики, разрабатывают ее новые типы, на что выделяются значительные финансовые средства. С целью удешевления продукции разрабатываются новые технологии, более энергосберегающие и позволяющие автоматизировать процессы производства. Считается, что только крупные компаниипроизводители пьезокерамики, оснащенные передовыми технологиями и современным оборудованием, смогут в полной мере удовлетворить требования мирового рынка. высокотеплопроводной керамика алюминий нанотехнология Выводы Существуют значительные различия в структуре R&D в области электронной керамики в США и Японии В США большинство R&D финансируется правительством и ориентировано на удовлетворение конкретных военных потребностей. В Японии исследования электронной керамики практически полностью поддерживаются крупными промышленными компаниями и ориентированы на конкретную продукцию. В США активными заявителями патентов по электронной керамике являются университеты, предприятия малого бизнеса и правительственные лаборатории. В Японии патенты выдаются практически исключительно промышленным компаниям.

Аномального роста применений многослойных пьезоэлектрических актюаторов и ультразвуковых двигателей не произошло вследствие трудностей в снижении стоимости изготовления при серийном производстве. Если дешевые методы производства пьезокерамических устройств не будут разработаны, этот рынок будет ограничен мелкосерийными специализированными применениями.

Медицина и аэрокосмическая промышленность являются перспективными областями роста применения пьезокерамики, особенно в США. Пьезокерамика будет продолжать использоваться в диагностическом оборудовании и хирургических инструментах, где может быть воспринята относительно высокая стоимость, связанная с мелкосерийным производством специализированных пьезокерамических компонентов.

Наблюдается растущее осознание экологических и энергетических проблем, связанных с электронной керамикой в Японии и Европе, но не в США Это может привести к смещению приоритетов для будущих R&D в области электронной керамики. Новые экологические правила могут привести к ограничению использования современных материалов и к разработке альтернативных материалов (бессвинцовых пьезоэлектриков, припоев и пр.). Также ожидается разработка экологически безопасных процессов изготовления керамик .

Ожидается сокращение времени разработки пьезокерамических изделий при одновременном уменьшении ресурсов, доступных для R&D. Это потребует существенной концентрации ресурсов R&D для разработки конкретных изделий Возрастающий акцент на маркетинг и исследование рынка будет необходим для согласования ограниченных R&D ресурсов с рыночными потребностями. Оценки подтверждают, что пьезокерамика будет оставаться плодородной областью для будущих R&D.

• 1. Журнал в журнале Техно-плюс МТТ № 5 (90) 2009 г.
• 2. Ст. «Перспективы использования высокотеплопроводной керамики.» УДК 629.78.:681.3 В. И. Костенко, В. С. Серегин, Л. А. Грошкова, А. И. Василевич Институт космических исследований РАН, Москва 2012 г.
• 3. Вестник_ТвГУ._Серия_Физика._2010._Выпуск₁₁._С._47−58
• 4. Н. Кабаяси.

  Введение

  в нанотехнологию. — М. БИнОМ. Лаборатория знаний. 2007. — 134с.

• 5. 14. Yu.L. Kopylov, V.B. Kravchenko, S.N. Bagayev, et al.// Optical Materials, 2008, v. 30, doi:10.1016/j.optmat.2008.03.013. Presented on-line 25.04.2008.