Корундовые подложки ВК-100-1

Корундовые подложки из вакуумплотной керамики ВК-100-1 — базовые элементы для гибридных интегральных схем (ГИС), СВЧ-модулей и плёночных микросборок. Материал содержит не менее 99,7 % оксида алюминия (Al₂O₃), что обеспечивает высокую диэлектрическую стабильность, механическую прочность и химическую инертность. В данном материале рассмотрены технические характеристики, типоразмеры, виды обработки поверхности и практические аспекты применения подложек ВК-100-1.

Назначение и область применения подложек из корундовой керамики ВК-100-1

Подложки из корундовой керамики ВК-100-1 предназначены для применения в толстоплёночных и тонкоплёночных интегральных микросхемах, а также в СВЧ-интегральных схемах. Аббревиатура ВК расшифровывается как «вакуумплотный корунд» (или «вакуумплотная керамика»). Число 100 указывает на содержание основного вещества, близкое к 100 %, а индекс «1» обозначает конкретную марку материала, отличающуюся от ВК-100-2 технологией получения и плотностью.

Керамика ВК-100-1 представляет собой поликристаллический корунд (поликор) — высокоплотный материал, получаемый методом плёночного литья или горячего литья под давлением с последующим твердофазным спеканием. Именно высокая плотность, близкая к теоретической для α-Al₂O₃ (3,987 г/см³), определяет комплекс свойств, необходимых для СВЧ-техники: стабильную диэлектрическую проницаемость, низкие потери на высоких частотах и возможность достижения высокого класса чистоты полированной поверхности.

Основные сферы применения подложек ВК-100-1:

• производство тонкоплёночных гибридных интегральных схем (ГИС) для СВЧ-техники;
• изготовление толстоплёночных микросхем и микросборок;
• создание монолитных интегральных схем (МИС) усилителей мощности;
• подложки для чип-резисторов, конденсаторов и керамических нагревателей;
• элементы полупроводниковых приборов, термоэлектрических модулей и светодиодных систем.

Высокая чистота полированной поверхности подложек ВК-100-1 позволяет наносить тонкоплёночные проводниковые и резистивные элементы методами вакуумного напыления и фотолитографии с разрешением, необходимым для схем СВЧ-диапазона.

Технические характеристики керамики ВК-100-1

Материал ВК-100-1 характеризуется сочетанием высоких физико-механических и электрофизических параметров. В таблице ниже приведены основные характеристики, определяющие пригодность керамики для электронной и СВЧ-техники.

Наименование характеристики	Значение
Содержание Al₂O₃, %, не менее	99,7
Водопоглощение, %	0
Кажущаяся плотность, г/см³, не менее	3,96
Предел прочности при изгибе, МПа	313,8
ТКЛР при 20…900 °С, ×10⁻⁷ К⁻¹	80
Диэлектрическая проницаемость (8–10 ГГц, 20 ± 5 °С)	9,7 ± 0,25
Тангенс угла диэлектрических потерь (8–10 ГГц, 20 °С), не более	1 × 10⁻⁴
Удельное объёмное электрическое сопротивление при 150 ± 5 °С, Ом·см, не менее	2 × 10¹⁴
Шероховатость полированной поверхности Rz, мкм	0,1
Шероховатость шлифованной поверхности Ra, мкм	1,6

Физико-механические свойства

Кажущаяся плотность ВК-100-1 составляет не менее 3,96 г/см³, что близко к теоретическому значению для α-корунда (3,987 г/см³). Это означает, что материал практически не содержит пор, что подтверждается нулевым водопоглощением. Вакуумплотность керамики — критически важное свойство для электронных приборов, работающих в вакуумных условиях и при высоких температурах.

Предел прочности при изгибе 313,8 МПа обеспечивает достаточную механическую надёжность подложек при толщинах от 0,25 мм. Прочность корундовой керамики сохраняется при нагреве до 1600–1700 °С, что существенно расширяет диапазон рабочих температур по сравнению с органическими диэлектриками.

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в интервале 20–900 °С составляет 80 × 10⁻⁷ К⁻¹ (8,0 × 10⁻⁶ К⁻¹). Этот параметр важен при пайке и термокомпрессионном креплении кристаллов и выводов: ТКЛР подложки должен быть согласован с ТКЛР припаиваемых элементов для исключения термомеханических напряжений.

Электрофизические параметры алюмооксидной подложки

Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) керамики ВК-100-1 в диапазоне 8–10 ГГц при комнатной температуре составляет 9,7 ± 0,25. Стабильность этого параметра в рабочем диапазоне частот определяет точность расчёта волнового сопротивления микрополосковых линий. Для корректного проектирования СВЧ-устройств необходимо знать ε с точностью до второго знака после запятой, поскольку даже отклонение на 0,1 влияет на ширину 50-омного полоска.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) не превышает 1 × 10⁻⁴ (0,0001) на частотах 8–10 ГГц. Низкие диэлектрические потери означают минимальное рассеяние энергии электромагнитной волны в подложке, что критически важно для СВЧ-фильтров, малошумящих усилителей (МШУ) и мощных усилительных модулей.

Удельное объёмное электрическое сопротивление при 150 °С составляет не менее 2 × 10¹⁴ Ом·см. Высокое сопротивление изоляции обеспечивает надёжную работу межсоединений и уменьшает токи утечки между проводниками тонкоплёночных схем. При повышении температуры сопротивление закономерно снижается, однако для ВК-100-1 оно остаётся достаточным для работы электронных приборов в широком температурном диапазоне.

Виды подложек и обработка поверхности

Подложки из керамики ВК-100-1 выпускаются в нескольких исполнениях, отличающихся типом обработки поверхности. Выбор конкретного вида зависит от технологии нанесения проводящих и резистивных слоёв, а также от конструктивных требований к микросборке.

Подложки с односторонней полировкой (ПК1)

Обозначение ПК1 указывает на то, что одна сторона подложки полирована до шероховатости Rz 0,1 мкм, а обратная сторона имеет шлифованную поверхность. Полированная сторона используется для нанесения тонкоплёночных элементов методами вакуумного напыления (термического, электронно-лучевого, магнетронного) с последующей фотолитографией. Подложки ПК1 наиболее распространены в серийном производстве ГИС.

Подложки с двухсторонней полировкой (ПК2)

Обозначение ПК2 означает полировку обеих сторон подложки. Двухсторонняя полировка требуется, когда на обе стороны подложки наносятся тонкоплёночные элементы, либо когда обратная сторона используется как «земляная» плоскость микрополосковой линии в СВЧ-схемах. Также ПК2 применяется при разработке многослойных микросборок и модулей с двухсторонним монтажом.

Подложки с фаской

Фаска на кромках подложки выполняется для предотвращения сколов при последующей обработке (скрайбировании, разломе на кадры) и при сборке микросхем. Наличие фаски также уменьшает концентрацию механических напряжений на кромках, что повышает выход годных изделий при серийном производстве.

Подложки с двухсторонней шлифовкой

Подложки с двухсторонней шлифовкой (без полировки) используются как основания для толстоплёночных микросхем. Шлифованная поверхность с шероховатостью Ra 1,6 мкм обеспечивает хорошую адгезию толстоплёночных паст (проводящих, резистивных, диэлектрических) при трафаретной печати. Для тонкоплёночной технологии такая шероховатость не подходит — требуется полированная поверхность.

Требования к качеству поверхности корундовых подложек

Качество поверхности подложки — один из ключевых параметров, определяющих пригодность изделия для конкретной технологии. Этот параметр непосредственно влияет на адгезию наносимых слоёв, разрешающую способность литографии и электрические характеристики готовой микросхемы.

Для тонкоплёночной технологии полированная поверхность с Rz 0,1 мкм (что соответствует примерно Ra 0,02 мкм) необходима по нескольким причинам. Во-первых, неровности подложки приводят к неравномерности толщины тонких плёнок (десятки–сотни нанометров), что вызывает локальные отклонения поверхностного сопротивления резисторов и волнового сопротивления линий. Во-вторых, микронеровности являются причиной дефектов в фоторезистивной маске при контактной литографии.

Для толстоплёночной технологии требования к поверхности иные. Шлифованная поверхность с Ra 1,6 мкм обеспечивает механическую адгезию толстоплёночных паст после вжигания. Слишком гладкая (полированная) поверхность может, напротив, ухудшить сцепление толстоплёночных слоёв с подложкой.

Помимо шероховатости, контролируются также плоскостность, разнотолщинность и отсутствие макродефектов (трещин, сколов, включений). Макродефекты выявляются методом фуксинового контроля — подложку пропитывают раствором фуксина, который проникает в трещины и поры, делая их видимыми на полированной поверхности.

Типоразмеры подложек ВК-100-1

Подложки выпускаются в стандартных размерах, определённых конструкторской документацией. Ниже приведены типоразмеры по видам обработки поверхности.

Подложки с односторонней полировкой (ПК1)

Номер чертежа	Размеры, мм
Ще7.817.000-07	30 × 24 × 0,5
Ще7.817.000-10	30 × 24 × 1,0
Ще7.817.000-16	48 × 30 × 0,5
Ще7.817.000-19	48 × 30 × 1,0
Ще7.817.019-02	60 × 48 × 0,25
Ще7.817.000-22	60 × 48 × 0,5
Ще7.817.000-25	60 × 48 × 1,0
Ще7.817.000-43	40 × 20 × 1,0
Ще7.817.000-28	60 × 24 × 0,5
Ще7.817.000-31	60 × 24 × 1,0

Подложки с двухсторонней полировкой (ПК2)

Номер чертежа	Размеры, мм
Ще7.817.010-01	30 × 24 × 0,5
Ще7.817.010-03	30 × 24 × 1,0
Ще7.817.010-11	48 × 30 × 0,5
Ще7.817.010-12	48 × 30 × 1,0
Ще7.817.010-40	60 × 48 × 0,25
Ще7.817.010-05	60 × 48 × 0,5
Ще7.817.010-07	60 × 48 × 1,0
Ще7.817.010-27	60 × 24 × 1,0

Подложки с фаской

Номер чертежа	Размеры, мм
Ще7.817.001-05	30 × 24 × 0,5
Ще7.817.001-07	30 × 24 × 1,0
Ще7.817.001-13	48 × 30 × 0,5
Ще7.817.001-10	60 × 48 × 0,5
Ще7.817.001-11	60 × 48 × 1,0

Подложки с двухсторонней шлифовкой

Номер чертежа	Размеры, мм
Ще7.817.013	60 × 48 × 1,0
Ще7.817.013-01	60 × 48 × 0,5
Ще7.817.013-04	60 × 48 × 2,0
Ще7.817.013-02	30 × 24 × 0,5
Ще7.817.013-03	30 × 24 × 1,0

Подложки без указания типа обработки

Номер чертежа	Размеры, мм
Ще7.817.002-15	60 × 48 × 2,0
Ще7.817.005-15	60 × 48 × 2,0

Стандартные толщины подложек — 0,25; 0,5; 1,0 и 2,0 мм. Выбор толщины определяется конструктивными требованиями: для СВЧ-устройств толщина подложки непосредственно влияет на ширину микрополосковых линий и, соответственно, на топологию схемы. Более тонкие подложки (0,25–0,5 мм) позволяют уменьшить ширину 50-омных линий, что важно при проектировании компактных СВЧ-модулей. Подложки толщиной 1,0–2,0 мм применяются в конструкциях, требующих повышенной механической жёсткости или теплоотвода.

Условное обозначение подложек ВК-100-1 при заказе

При оформлении заказа и в конструкторской документации принята следующая структура обозначения: наименование изделия, вид обработки поверхности, номер чертежа. Например:

Подложка ПК1 Ще7.817.000-25 — подложка с односторонней полировкой размером 60 × 48 × 1,0 мм.

Подложка ПК2 Ще7.817.010-07 — подложка с двухсторонней полировкой размером 60 × 48 × 1,0 мм.

Обозначение ПК1 соответствует односторонней полировке, ПК2 — двухсторонней полировке.

Влияние толщины подложки на параметры СВЧ-устройств

Толщина керамической подложки — один из основных конструктивных параметров при проектировании микрополосковых СВЧ-устройств. Волновое сопротивление микрополосковой линии определяется шириной проводника, толщиной подложки и диэлектрической проницаемостью материала. При фиксированном ε = 9,7 для ВК-100-1 ширина 50-омного полоска растёт пропорционально толщине подложки.

На практике это означает, что для подложки толщиной 0,25 мм ширина 50-омной линии будет значительно меньше, чем для подложки толщиной 1,0 мм. Выбор тонких подложек позволяет уменьшить габариты СВЧ-схем, однако требует более жёстких допусков на разнотолщинность и плоскостность, поскольку даже небольшие отклонения толщины ведут к заметному изменению волнового сопротивления линии.

Кроме того, толщина подложки влияет на тепловое сопротивление «кристалл — корпус». Для мощных усилительных модулей, рассеивающих значительную тепловую мощность, предпочтительны более тонкие подложки, обеспечивающие лучший теплоотвод к корпусу. Теплопроводность корундовой керамики (около 25–30 Вт/(м·К) при комнатной температуре) значительно выше, чем у органических диэлектриков (FR-4 — около 0,3 Вт/(м·К)), что является одним из преимуществ алюмооксидных подложек в мощной СВЧ-электронике.

Отличие ВК-100-1 от ВК-100-2 и других марок корундовой керамики

Семейство вакуумплотных корундовых керамик включает несколько марок, различающихся химическим составом, плотностью и электрофизическими свойствами. Основные отличия между часто встречающимися марками:

ВК-100-1 — поликоровая (от «поликристаллический корунд») керамика с плотностью, близкой к теоретической (≥3,96 г/см³). Материал полупрозрачный. Предназначен именно для подложек тонкоплёночных ГИС и СВЧ-схем, где критически важны стабильность диэлектрических параметров и высокое качество полированной поверхности.

ВК-100-2 — стандартная вакуумплотная корундовая керамика с содержанием Al₂O₃ ≥99,7 % и кажущейся плотностью ≥3,88 г/см³. Применяется для изолирующих элементов электронных приборов, ионизационных камер, вакуумных приборов и крепления нагревательных элементов с рабочей температурой до 1750 °С. Отличается от ВК-100-1 несколько меньшей плотностью и более широким ассортиментом форм (кольца, изоляторы, трубки, втулки).

ВК-94-1 — корундовая керамика с содержанием Al₂O₃ ≥94,4 %. Плотность ниже (3,65 г/см³), диэлектрические потери выше. Применяется там, где не требуется предельная чистота материала, например, для толстоплёночных подложек общего назначения.

При выборе между марками следует ориентироваться на частотный диапазон устройства и требования к стабильности параметров. Для СВЧ-диапазона (единицы–десятки ГГц) оптимальна ВК-100-1, для низкочастотных и силовых применений допустима ВК-94-1 или ВК-100-2.

Механическая обработка и раскрой подложек

Корундовая керамика ВК-100-1 — твёрдый и хрупкий материал (твёрдость по шкале Мооса — 9, уступает только алмазу). Механическая обработка подложек выполняется алмазным инструментом.

Основные операции:

• Шлифование — производится на плоскошлифовальных станках алмазными кругами. Обеспечивает шероховатость поверхности до Ra 1,6 мкм и требуемую толщину с жёсткими допусками.
• Полировка — алмазными пастами на прецизионных полировальных станках. Достигаемая шероховатость — Rz 0,1 мкм и менее (Ra до 0,01–0,05 мкм).
• Скрайбирование — нанесение рисок для последующего разлома подложки на отдельные кадры (чипы). Для непрозрачной керамики ВК-100-1 применяется как дисковая резка алмазными дисками, так и лазерное скрайбирование. Лазерный метод более производителен и дёшев, чем дисковый.
• Разлом — разделение подложки на кадры по скрайбированным рискам. Корундовая керамика без кристаллической текстуры требует адаптации режимов разлома для предотвращения «ненаправленного» разрушения.

Для изделий нестандартных размеров и конфигураций (подложки с отверстиями, углублениями для кристаллов, фигурной формы) применяется ультразвуковая обработка алмазным инструментом или лазерная резка.

Химическая стойкость и условия эксплуатации

Вакуумплотная корундовая керамика устойчива к воздействию большинства кислот (включая серную, соляную, азотную), щелочей и органических растворителей. Исключение составляют плавиковая кислота (HF) и расплавы щелочей при высоких температурах. Эта химическая инертность важна как при технологических операциях (травление, очистка подложек), так и при эксплуатации электронных приборов в агрессивных средах.

Подложки из ВК-100-1 являются взрыво- и пожаробезопасными, не оказывают вредного химического или биологического воздействия на окружающую среду.

Хранение и транспортирование керамических подложек

Подложки должны храниться в упакованном виде в отапливаемых складских помещениях по группе хранения 1Л (ГОСТ 15150). В воздухе помещения не должно быть кислотных и других агрессивных примесей. Полированные поверхности подложек не должны контактировать друг с другом или с абразивными материалами. Для межоперационного хранения применяются специализированные кассеты с разделительными прокладками.

При транспортировании необходима защита от ударных нагрузок и вибрации, поскольку корундовая керамика, при всей своей твёрдости, является хрупким материалом — даже незначительные сколы на кромках подложки делают её непригодной для производства микросхем.

Практические рекомендации для инженеров и технологов

Выбор типа подложки для конкретной задачи

Для тонкоплёночных ГИС (плёночные резисторы, конденсаторы, проводники толщиной 0,01–1 мкм) — подложки ПК1 или ПК2. Односторонняя полировка (ПК1) достаточна для большинства схем с односторонним монтажом. Двухсторонняя полировка (ПК2) необходима для микрополосковых СВЧ-схем с «земляной» плоскостью, нанесённой тонкоплёночным методом.

Для толстоплёночных микросхем (сеткография, толщина слоёв 10–25 мкм) — подложки с двухсторонней шлифовкой. Шероховатость шлифованной поверхности обеспечивает адгезию пасты при трафаретной печати.

Для мощных СВЧ-модулей — подложки толщиной 0,25–0,5 мм с полировкой. Тонкие подложки улучшают теплоотвод и позволяют минимизировать ширину микрополосковых линий.

Контроль качества входных подложек

Перед запуском в производство рекомендуется контролировать следующие параметры:

• размерные параметры — длина, ширина, толщина, разнотолщинность, плоскостность;
• шероховатость рабочей поверхности — инструментальными методами (профилометры, интерферометры);
• отсутствие макродефектов — визуальный контроль, фуксиновый контроль;
• маркировка — соответствие номера чертежа и вида обработки.

Формы поставки подложек из керамики ВК-100-1

Подложки из корундовой керамики ВК-100-1 поставляются в виде прямоугольных пластин стандартных размеров (см. таблицы выше). Возможны различные варианты обработки поверхности: с односторонней полировкой, двухсторонней полировкой, фаской, двухсторонней шлифовкой. Для уточнения условий поставки и наличия конкретных типоразмеров подложек рекомендуем обращаться в отдел снабжения.

Помимо керамических подложек, в ассортименте представлены корундовые тигли и другие изделия из алюмооксидной керамики, а также электрокорунд различных марок.