🗊Презентация Проводниковые материалы

Материалы электронной техники

Тема 2 Проводники.

Стандартная медь при Т = 20°С, имеет удельные электрические: Стандартная медь при Т = 20°С, имеет удельные электрические: проводимость γ=58МОм/м; сопротивление ρ=0,017241мкОм∙м. Марки Сu. Проводниковая медь - M1 и МО. M1 содержит 99,90% Сu, а в общем количестве примесей (0,1%) кислорода не более 0,08%. Если более 0,1% кислорода, Сu разрушается при обработке давлением. Лучшими механическими свойствами обладает марка МО (99,95% Сu и не более 0,05% примесей - не свыше 0,02% кислорода). Медь чувствительна к примесям. Сильное влияние на свойства меди оказывают примеси Be, As, Fe, Si или Р, снижающие удельную проводимость на 60%.

Из-за окисления медь непригодна для слаботочных контактов автоматики ЭУ. Из-за окисления медь непригодна для слаботочных контактов автоматики ЭУ. При размыкании контакта образуется электрическая дуга и окись Cu диссоциирует, открывая поверхность. Происходит отслаивание и термическое разложение окисной пленки, а также сильный износ Cu контактов. Медь применяют для изготовления элементов электропроводки, обмоток трансформаторов, электрических машин и т.п. Медь твердая (МТ) обладает высокой механической прочностью, твердостью и сопротивляемостью к истиранию поверхности. Из МТ изготавливают контактные провода, коллекторные пластины электрических машин постоянного тока. Медь мягкая (ММ) обладает хорошей гибкостью и пластичностью. ММ применяют в качестве внутренней проводки, монтажных проводов, шнуров

Тугоплавкие металлы Тугоплавкие металлы Тугоплавкие металлы (ТМ) с температурой плавления более 1700°С являются химически устойчивыми при низких температурах и активными при повышенных. Эксплуатация ТМ при высоких температурах только в среде инертных газов или вакууме. Получают ТМ методами электровакуумной технологии - зонной очисткой и плазменной обработкой. Механическая обработка требует подогрева. ТМ - вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений. ТМ при нагревании на воздухе интенсивно окисляются с образованием летучих соединений. Изготавливают нагревательные элементы, которые работают в вакууме или защитной среде. Преимущество ТМ - малое давление насыщенного пара при высоких рабочих температурах.

Вольфрам (W) - тяжелый, твердый ТМ серого цвета с высокой температурой плавления, у него высокая прочность при мелкозернистом строении, хрупкость и ломкость. Вольфрам (W) - тяжелый, твердый ТМ серого цвета с высокой температурой плавления, у него высокая прочность при мелкозернистом строении, хрупкость и ломкость. Температура плавления — 3422 °C. Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³ После механической обработки W приобретает волокнистую структуру и не ломается. Этим объясняется гибкость тонких W нитей. Для улучшения свойств W, вводят добавки окислов кремния, алюминия, кальция. Из непровисающего W изготавливают нити для ламп накаливания, которые были разработаны в 1890г. русским изобретателем А. Н. Лодыгиным.

Молибден (Мо) - металл близкий к W. Рекристаллизованный W при 200С хрупок, а мелкозернистый Мо - пластичен. При 200С Мо - инертный металл, но более активный, чем W. Молибден (Мо) - металл близкий к W. Рекристаллизованный W при 200С хрупок, а мелкозернистый Мо - пластичен. При 200С Мо - инертный металл, но более активный, чем W. Температура плавления — 2620 °C. Плотность чистого молибдена составляет 10,2 г/см³ На воздухе Мо окисляется при 300°С с образованием низших окислов. Поэтому нагреваемые детали из Мо должны работать в вакууме или восстановительной среде. Среди всех ТМ молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением (рисунок).

Зависимость удельного сопротивления вольфрама, молибдена, тантала и рения от температуры

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3017 °C; кипит при 5458 °C. Плотность тантала — 16,65 г/см. Несмотря на твёрдость, пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Тантал обладает высокой температурой плавления — 3017 °C; кипит при 5458 °C. Плотность тантала — 16,65 г/см. Несмотря на твёрдость, пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Тантал получают методами порошковой металлургии подобно W и Мо, в виде: проволоки, прутков, листов, лент и фольги. В противоположность W и Мо тантал не становится хрупким при нагревании в вакууме до высоких температур Ввиду высокой стоимости, Та используют для изделий, работающих в напряженном тепловом режиме (аноды и катоды электровакуумных приборов, электролитические конденсаторы).

Хром (Cr) элемент с высокой стойкостью к окислению. Применяют для защитных покрытий изделий, эксплуатируемых при повышенных температурах. Хромирование выполняют электролитическим методом. Хром (Cr) элемент с высокой стойкостью к окислению. Применяют для защитных покрытий изделий, эксплуатируемых при повышенных температурах. Хромирование выполняют электролитическим методом. Температура плавления — 1860 °C. Плотность чистого хрома составляет 7,19 г/см³ Из тонких пленок Cr изготавливают резисторы и слои для контактных площадок и проводящих соединений в интегральных микросхемах. Cr входит в состав сплавов для нагревательных приборов, термопар, конструкций из нержавеющих, жаропрочных сталей и магнитных материалов.

Металлы со средним значением Металлы со средним значением температуры плавления Часто в ЭУ применяют железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Co) - ферромагнитные металлы с температурным коэффициентом удельного сопротивления в 1,5 раза превышающим коэффициент α р меди. Fe - доступный металл с хорошей механической прочностью. Температура плавления — 1539 °C. Плотность чистого железа составляет 7,874 г/см³ Чистое Fe имеет более высокое по сравнению с Cu и Al удельное сопротивление (около 0,1 мкОм ‧м). Особенность Fe - нелинейная зависимость удельного сопротивления от температуры. Обусловлена изменением спонтанной намагниченности рядом с особой температурой Кюри (ТК), выше которой ферромагнитные свойства отсутствуют (рисунок).

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры: 1 – чистого железа; 2 – электротехнической стали; 3 - ферронихрома

При повышении температуры спиновая упорядоченность в Fe нарушается, что вызывает дополнительное рассеяние электронов проводимости. При повышении температуры спиновая упорядоченность в Fe нарушается, что вызывает дополнительное рассеяние электронов проводимости. Согласно правилу Маттиссена полное сопротивление Fe : р = р Т + р ОСТ + р М где р Т и р ОСТ – удельные сопротивления от рассеяния электронов Fe на тепловых колебаниях решетки и примесях; р М - магнитный вклад в сопротивление Fe от беспорядка в системе спинов. Из Fe изготавливают корпуса электровакуумных и полупроводниковых приборов (Т до 500°С). Газовыделение из Fe мало и не нарушает нормальную эксплуатацию приборов. Удельное сопротивление Fe, зависит от содержания примесей. Наиболее сильное влияние на электрические свойства Fe оказывает примесь кремния.

Никель (Ni) - серебристый металл с плотностью, равной плотности меди. Применяют для арматуры электронных ламп, некоторых типов катодов. Никель (Ni) - серебристый металл с плотностью, равной плотности меди. Применяют для арматуры электронных ламп, некоторых типов катодов. Температура плавления — 1453 °C. Плотность чистого никеля составляет 8,902 г/см³ Ni легко получить в чистом виде (99,99% Ni) и ввести легирующие присадки кремния, марганца. Положительные свойства Ni - достаточная механическая прочность после отжига при большом относительном удлинении. Металл даже в холодном состоянии легко поддается механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению и т. п. Из Ni делают сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Наиболее вредная примесь в Ni - сера, резко снижающая механическую прочность. Ценное свойство Ni - химическая устойчивость к растворам щелочей, которые не действуют на него даже в нагретом состоянии.

Сверхпроводящие материалы. Сверхпроводящие материалы. Известно, что СП обладают 26 металлов. СП имеют Т ниже 4,0 К (-277,40С), поэтому их применение в обычных ЭУ затруднено. 13 элементов проявляют такие свойства только при высоких давлениях. Это полупроводники - кремний, германий, селен. СП не найдена у золота, меди и серебра (малое сопротивление вызывает слабое взаимодействие свободных электронов с кристаллической решеткой). СП нет в ЭТМ обладающих ферро- или антиферромагнетизмом (железо, сталь). Производство. Выпускают в виде проволоки и ленты, из-за технологических трудностей, плохих механических свойств, низкой теплопроводности и сложной структуры. SrTiО3, Cu-Nb, Nb-Ti, Nb3Sn, YBaCuO-123, DyBaCuO-123 или HoBaCuO–123 (ВТСП).

Материалы высокого удельного сопротивления Материалы высокого удельного сопротивления Материалами высокого сопротивления (резистивными) называют проводниковые материалы, у которых значения ρ в нормальных условиях составляют не менее 0,3 мкОм·м. По области применения резистивные материалы разделяют на три основные группы: 1) материалы для резисторов, или резистивные материалы общего назначения (медные, медно-никелевые, никелевые, никель-хромовые; пленочные, проволочные, углеродистые); 2) материалы для электродов термопар и удлиняющих проводов (сплавы на основе Ni, Pt систем, Cu-Ni, Pt-Rh, W-Re; неметаллические порошковые материалы); 3) материалы для нагревателей (сплавы на основе систем Ni-Cr, Fe-Cr-Al, порошковые керамические материалы).

Припои и флюсы Припои и флюсы Припои - специальные сплавы, применяемые при пайке (прочный шов и электрический контакт с малым переходным сопротивлением). Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между деталями. Компоненты припоя диффундируют в основной металл. Прослойка из припоя соединяет детали в одно целое. Припои делят на мягкие и твердые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 300°С, к твердым - выше 300°С. Мягкие припои: оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС-10) до 90% (ПОС-90), остальное свинец. Проводимость составляет 9 - 15% проводимости чистой меди. Твердые припои: медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (П Ср) с различными добавками.

Флюсы - вспомогательные материалы для получения надежной пайки. Флюсы - вспомогательные материалы для получения надежной пайки. Они должны: растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов; 2) защищать в процессе пайки поверхность, а также расплавленный припой от окисления; 3) уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя; 4) улучшать растекаемость припоя и смачивание им соединяемых поверхностей. Активные, или кислотные, флюсы приготовляют на основе активных веществ – соляной кислоты, хлористых и фтористых металлов и т. д. Эти флюсы интенсивно растворяют окисные пленки на поверхности металла, благодаря чему обеспечивается хорошая адгезия, а следовательно − высокая механическая прочность соединения.