Электрорадиоматериалы радиоэлектронных средств Лекция 5: Диэлектрики: назначение и область применения

1. Тема 1. Электрорадиоматериалы радиоэлектронных средств Лекция 5: Диэлектрики: назначение и область применения

1. Механизмы поляризации диэлектриков.
2. Параметры диэлектрических материалов и
зависимости от внешних воздействий.
3. Применение диэлектрических материалов в
РЭА.
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.
1

2. 1 Механизмы поляризации диэлектриков

Диэлектрик – вещество, обладающее свойством поляризоваться
при действии на него электрического поля. (Название введено
М.Фарадеем.)
В диэлектрике в отличие от проводников нет свободных
заряженных зарядов.
Однако под действием
электрического поля
возникает перераспределение
зарядов атомов и молекул.
На поверхности диэлектрика
появляются избыточные некомпенсированные связанные заряды.
В отличие от проводников, все заряженные частицы по-прежнему
входят в состав своих атомов.
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.
2

3.

Связанные заряды создают электрическое поле E i , которое внутри
диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности
внешнего поля. Данный процесс называется поляризацией
диэлектрика.
Механизмы поляризации диэлектриков:
- ориентационная;
- электронная.
Ориентационная (дипольная) поляризация возникает в случае
полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры
распределения положительных и отрицательных зарядов не
совпадают (иллюстрация на слайде 2).
Пример: молекулы – диполи (вода, азот и др.).
Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от
температуры, так как тепловое движение молекул играет роль
дезориентирующего фактора.
3
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

4.

Электронный (упругий) механизм проявляется при поляризации
неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в
отсутствие внешнего поля дипольным моментом.
Под действием электрического поля
молекулы неполярных диэлектриков деформируются, включая и
электронные оболочки. Молекула превращается в электрический
диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля.
На поверхности диэлектрика появляются некомпенсированные
связанные заряды, создающие поле, направленное навстречу
внешнему полю.
Пример: молекула метана CH4.
4
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

5.

Ионная поляризация наблюдается в твердых кристаллических
диэлектриках.
Ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при
наложении внешнего поля смещаются в противоположных
направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются
связанные (некомпенсированные) заряды.
Пример: поляризация кристалла NaCl.
Деформация неполярных молекул под действием внешнего
электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому
поляризация неполярного диэлектрика не зависит от
температуры.
5
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

6. 2 Параметры диэлектрических материалов и зависимости от внешних воздействий

Основные параметры диэлектрических материалов:
1. Диэлектрическая проницаемость e
Показывает способность материала изменять электрическое поле
под действием поляризации:
e
E0 E i
E0
Таблица 1 – Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ
Вещество
e
Вещество
e
Воздух
1
Полиэтилен
2,25
Парафин
2,1
Земля сухая
3..6
Бумага из хлопка
2,6
Слюда
7
Полистирол
2,55
Кварц плавленый
3,8
6
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

7.

2. Температурный коэффициент диэлектрической
проницаемости показывает влияние температуры на величину e:
e
1 de
e dT
Зависит от механизма поляризации диэлектриков
1 – неполярные диэлектрики; 2 - полярные диэлектрики.
В неполярных диэлектриках с ростом температуры уменьшается
плотность, а, следовательно, и количество поляризуемых частиц.
У полярных диэлектриков наличие максимума объясняется двумя
противоположными процессами: ослабления молекулярных связей с
ростом температуры и уменьшением e из-за тепловых колебаний.
Зависит от частоты (инерционность процессов
поляризации).
У неполярных диэлектриков практически мгновенно.
У полярных диэлектриков на высоких частотах диполи
не успевают поворачиваться.
7
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

8.

3. Электропроводность: объемная и поверхностная
Объемная электропроводность создается ионами примесей или
ионами диэлектрика, которые, находясь в состоянии
первоначального закрепления и совершая тепловые колебания,
способны преодолеть силы взаимодействия.
A1 exp(
E1
E
) A2 exp( 2 )
kT
kT
где A1 , A2 - коэффициенты пропорциональности, зависящие от
концентрации собственных и примесных ионов и их
подвижности;
E1 , E2 - суммарная энергия активации собственных и
примесных ионов.
При низких температурах преобладает первое слагаемое, при
высоких - второе.
Ток, создаваемый движением ионов, называют током сквозной
проводимости I ск .
8
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

9.

4. Диэлектрические потери tg d - мощность, расходуемая
электрическим полем на поляризацию диэлектрика.
Мощность выделяется в виде тепла. Поглощение мощности
диэлектриком обусловлено медленными поляризациями и
электропроводностью диэлектрика.
Угол d, дополняющий до 90 угол фазового сдвига между током и
напряжением в диэлектрике, называют углом диэлектрических
потерь. У широко применяемых диэлектриков tg d 2 5 10 3 ,
у высококачественных диэлектриков tg d 2 5 10 4 .
Зависимость от температуры
У неполярных диэлектриков (кривая 1) потери растут
с ростом температуры.
У полярных диэлектриков (кривая 2) возможности поворота
молекул при низких температурах ограничены из-за сил трения между
ними. Потери на их поляризацию невелики. С ростом температуры
растет число молекул, растут и потери на поляризацию.
9
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

10.

5. Пробой диэлектрика.
Наблюдается при воздействии сильных электрических полей, когда
напряжение превышает некоторое критическое значение, они
могут становиться проводниками.
Напряжение, приложенное к диэлектрику и приводящее к его
пробою, называется пробивным напряжением ( U пр ).
Минимальную напряженность однородного электрического поля,
приводящую к пробою диэлектрика, называют электрической
прочностью ( Eпр ):
Eпр
U пр
dд
где dд - толщина диэлектрика.
10
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

11.

Виды пробоя:
- электрический - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной
ионизацией электронами, приводящей к разрушению связей между
атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10-5-10-8с;
- тепловой - разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего
локального энерговыделения при протекании тока в среде;
- электротермический (хрупкие диэлектрики и пористые керамики)
возникает в результате механического разрушения из-за развития
микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые
образуют перегретые области диэлектрика;
- электромеханический – механическое разрушение полимера при
высоком напряжении в результате того, что полимер находится
в высокоэластичном состоянии. Причина - уменьшение толщины
диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под
действием высокого напряжения;
- электрохимический– вызывается изменением химического состава и
структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время
развития этого вида пробоя 103-108с.
11
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.

12.

3 Применение диэлектрических материалов
в РЭА
Диэлектрики широко применяются при изготовлении
радиоэлектронной аппаратуры. Выбор конкретного материала
определяется областью его использования.
Для изготовления катушек индуктивности диэлектрик
применяется для выполнения каркаса. При этом для выбора
материала необходимо знать:
- диапазон частот;
- требования добротности;
- температурный интервал;
- окружающие условия;
- программу выпуска;
- существующую оснастку предприятия.
Рекомендуемые материалы: фенопласты, полистирол и керамика.
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.
12

13.

Для изготовления высокочастотных разъемов в большинстве
случаев являющихся коаксиальными, в качестве изолятора
целесообразно использовать воздух ( 1015 Ом см, tg d 4 10 8
при f 50 Гц), а из пластиков – фторопласт-4 (e 1,9 2,2 , tg d 2 10 4).
При выполнении устройств СВЧ из диэлектрических материалов
применяются керамика и слюда.
Для выполнения стоек и диэлектрических шайб обычно
используется керамика и может быть применен фторопласт-4.
Для деталей, не находящихся в высокочастотном поле, применяются
стеклопластики (СВАМ, АГ-4, АГ-4С).
При изготовлении микросхем диэлектрические материалы
применяются материалов подложек.
В диапазоне 30..50 МГц подложки изготавливаются с применением
стекла, керамики и пластмасс.
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.
13

14.

Основные требования к материалам для микросхем:
- общие требования для всех тонкопленочных схем: высокие
изоляционные свойства, механическая прочность, твердость и
износостойкость, возможность применения различных форм и
размеров, высокая теплопроводность и низкая стоимость;
- свойства, требования к которым изменяются в зависимости от
конкретного применения: толщина пазов, качество поверхности,
рабочая температуры, тепловые расширения.
В качестве основных материалов применяются стекло на основе
натриевой известки, стеатит с малыми потерями, окись алюминий и
окись беррилия.
В диапазоне СВЧ в микросхемах применяются в качестве подложек
как органические материалы (сополимер САМ, фторопласт-4,
стеклотекстолит СКМ-1), так и неорганические материалы (сапфир,
кварц).
Для создания активных компонентов применяют осаждение пленки.
Радиоматериалы и радиокомпоненты. Лекция 5.
14