سرامیک آلومینا به عنوان مواد عایق

مواد عایق چیست؟

در مدار الکتریکی یا مدار الکترونیکی، از مواد عایق برای جداسازی فیزیکی هادی ها بر اساس الزامات طراحی استفاده می شود تا از جریان جریان بین آنها و آسیب به عملکرد مدار جلوگیری شود. علاوه بر این، مواد عایق می توانند به عنوان پشتیبان مکانیکی هادی عمل کنند، برای اتلاف گرما و همچنین حفاظت از محیط زیست مدار استفاده شوند.

اولین و مهمترین شرط این است که مواد عایق جریان الکتریسیته را رسانا نکنند، به این معنی که مقاومت الکتریکی تا حد امکان بالا مورد نیاز است.

چگونه آنها را روشن کنیم؟

برای اینکه یک سرامیک عایق عالی باشد، مواد عایق باید دارای خواص زیر باشند:

--مقاومت حجمی （ρ） بزرگتر یا مساوی 1012 Ω·cm

--ثابت دی الکتریک نسبی (ε) کمتر یا مساوی 30

--رسانایی گرمایی خوب و ضریب انبساط حرارتی باید مشابه مواد رسانا با عملکرد خوب در مقاومت حرارتی، استحکام بالا و پایداری شیمیایی باشد.

دانش در مورد مواد عایق را باید نگاه کنید

تئوری باند انرژی جامد را می توان برای توضیح عایق، نیمه رسانایی و هدایت الکتریکی جامد استفاده کرد.

باند ظرفیت: قوی ترین باند انرژی که توسط الکترونیک پر نمی شود

باند انرژی ممنوع: بین باند ظرفیت و نوار هدایت است.

اگر پهنای باند انرژی ممنوع به اندازه کافی بزرگ باشد (بیش از چند الکترون ولت)، الکترون های باند کامل به سختی می توانند فراتر از شکاف برانگیخته شوند و وارد نوار رسانایی شوند، یعنی در نظر گرفته می شود که الکترون ها به سختی می توانند مهاجرت کنند، سپس جامد یک عایق معمولی است.

عایق ایده آل را فقط می توان در صفر مطلق درجه سانتی گراد بدست آورد. هنگامی که شرایط خارجی تغییر می کند، مانند زمانی که دما افزایش می یابد یا در معرض نور خورشید قرار می گیرد، بخشی از الکترون های باند ظرفیت می توانند فعال شده و به دلیل محرک های حرارتی به نوار رسانایی منتقل شوند و در نتیجه رسانا شوند، شبیه به نیمه هادی در بالا. دما، تنها از این جهت متفاوت است که عرض باند انرژی ممنوعه بیشتر از عایق های نیمه هادی است. الکترون های فعال انرژی بر است زیرا الکترون ها در دمای اتاق مهاجرت نمی کنند.

بسیاری از سرامیک های عایق کریستال های یونی یا کووالانسی معمولی هستند و رفتار رسانایی انتشار یون باید در نظر گرفته شود. از وجود یون های فلز قلیایی (به ویژه یون های سدیم) تا حد امکان در عایق سرامیک ها باید اجتناب شود که می تواند منجر به رسانایی قوی و کاهش خاصیت عایق بودن سرامیک ها شود.

عرض نوار انرژی ممنوع سرامیک ها (مثلا)

مواد	باند الزام آور	EG/EV	مواد	باند الزام آور	EG/EV
SI	پیوند کووالانسی	1.1	TIO2	پیوند یونی	3.05-3.8
GAAS	پیوند کووالانسی	1.53	ZNO	پیوند یونی	3.2
الماس	پیوند کووالانسی	6	AL2O3	پیوند یونی	10
BATIO3	پیوند یونی	2.5	MAO	پیوند یونی	〉7.8

مواد عایق معمولی

1. سرامیک های عایق:

الف. اکسیدها: SiO2، Al2O3

ب. غیر اکسیدها: Si3N4,BN,AIN

ج. سرامیک های عایق تک کریستال، مانند سیلیکون، میکای مصنوعی (نام عمومی ساختار لایه لایه آلومینیوم سیلیکات)، اسپینل، یاقوت کبود مصنوعی و غیره.

(1) سرامیک الکتریکی رایج

سرامیک فشار قوی رایج و سرامیک های فلدسپات و سرامیک های مولایت که در ماتریس مقاومت استفاده می شوند، در مجموع به عنوان سرامیک های الکتریکی رایج شناخته می شوند.

نام ترکیب شیمیایی ترکیب فاز

سرامیک الکترونیکی معمولی SiO{0}}~72% فاز شیشه فلدسپات: 45 تا 60%

Al2O{1}}~24% فاز مولایت: 20 تا 40%

(K2O+NA2O)3.5~5% کوارتز باقیمانده

سرامیک فلدسپاتیک مشابه موارد فوق همانند بالا

سرامیک سلسیان SiO2 55%;Al2O3 32%; مولایت، تغییرات کوارتز. شیشه باریم، فلدسپات باریم

BaO 10.3%; CaO 2.3٪; (K2O+NA2O)3.5~5٪

(2) سرامیک آلومینا

سرامیک کوراندوم: سرامیک با بیش از 99 درصد Al2O3 با فاز اصلی کوراندوم.

سرامیک کوراندوم-مولایت: فاز اصلی کوراندوم و مولایت با بیش از 75 درصد آلومینا است.

سرامیک مولایت: فاز اصلی مولایت با حدود 50 درصد Al2O3 است

خواص الکتریکی و مکانیکی سرامیک آلومینا با افزایش محتوای Al2O3 بهبود می یابد.

-Al2O3: سیستم کریستالی سه جانبه، با فشرده ترین ساختار، فعالیت کم و پایداری دمای بالا، پایدارترین کریستال از همه است. این بهترین عملکرد الکتریکی با خواص مکانیکی و الکتریکی عالی است. این تنها فاز طبیعی است.

-Al2O3: این یک ماده معدنی پلی آلومینات با محتوای Al2O3 بالا است.

-Al2O3: ساختار اسپینل با چگالی کم، ناپایداری دمای بالا، عملکرد مکانیکی و الکتریکی ضعیف است. مواد متخلخل را می توان از ساختارهای سست آن ساخت.

(3) سرامیک منیزیا

نام فاز اصلی عملکرد مواد اولیه

سرامیک استاتیت MgO·SiO2 استئاتیت/رس/کربنات باریم اتلاف دی الکتریک کم، پردازش آسان، هزینه کم.

اما پیری آسان، محدوده دمایی تف جوشی باریک

فورستریت سرامیک 2MgO·SiO2 منیزیت/کربنات منیزیم اتلاف دی الکتریک کم و مقاومت بالا

سرامیک کوردیریت 2MgO·Al2O3·SiO2 استاتیت/رس/آلومینا/اسپینل ضریب انبساط حرارتی پایین،

اما با عملکرد الکتریکی ضعیف

اسپینل آلومینیومی MgO·Al2O3 آلومینا/منیزیت/رس ردیابی/B2O3/CaF2 تلفات دی الکتریک از سرامیک استئاتیت بهتر است،

اما با ثابت دی الکتریک بالاتر

کاربرد سرامیک های عایق معمولی

1. در سال 1855، عایق های سرامیکی به عنوان مواد عایق الکتریکی در خطوط ارتباطی راه آهن استفاده می شود.

2. در سال 1880، ایالات متحده شروع به استفاده از عایق های سرامیکی در خطوط انتقال برق کرد.

3. در حال حاضر عایق های سرامیکی با کارایی بالا برای انتقال ولتاژ فوق العاده بالا با ولتاژ بیش از 500 کیلو ولت با موفقیت ساخته شده است.

4. شمع سرامیکی خودرو، پین احتراق برای اجاق گاز

5. مواد بسته بندی سرامیکی

6.فیوز لوله سرامیکی

7. بستر سرامیکی آلومینا

8. پوشش سرامیکی برای لوله یکسو کننده

9. صندلی لوله سرامیکی

مدار مجتمع، یک مدار بسیار کوچک و با چگالی بالا، تعداد زیادی از اجزای میکرو ترانزیستور را روی یک بستر جمع می‌کند که معمولاً در پوسته مدار مجتمع بسته‌بندی می‌شوند.

در صنعت الکترونیک از سرامیک های عایق سیلیکونی Al2O3، BeO، SiC، AIN، تک کریستالی به عنوان بستر و مواد بسته بندی مدارهای مجتمع استفاده می شود.