🗊Презентация Проводниковые материалы. Классификация и применение. (Лекция 3.3)

Омский государственный технический университет каф. Технология электронной аппаратуры

Классификация проводниковых материалов по  1. Проводниковые материалы с малым электрическим сопротивлением =(0.015...0.2)×10-6 Ом×м). К ним относятся: 1.1. материалы для моточных изделий, проводного монтажа, печатных и пленочных проводников; 1.2. металлы и сплавы для электрических контактов; 1.3. припои; 1.4. Неметаллические проводниковые материалы. 2. Проводниковые материалы с удельным электросопротивлением более 0,2×10-6 Ом×м: 2.1. высокоомные сплавы и материалы для проволочных резисторов; 2.2. материалы для пленочных резисторов; 2.3. сплавы для выводов электровакуумных и полупроводниковых приборов.

1.1. Проводниковые материалы для моточных изделий, проводного и печатного монтажа

Чистые металлы для проводников Медь (Cu) плавится при температуре 1083 оС и кристаллизуется в ГЦК решетку. Является наиболее распространенным проводниковым материалом, поскольку имеет малое значение удельного электросопротивления, составляющее (0,017...0,018)×10-6 Ом×м. Лучшими проводниковыми свойствами обладает только серебро (Ag=0,016×10-6 Ом×м). Медь характеризуется достаточно высокой механической прочностью, сопротивление разрыву достигает 360...450 МПа. Обладая высокой пластичностью (предел текучести 60...380 МПа) медь хорошо протягивается в проволоку, прокатывается в листы и ленты.. В результате протяжки из меди получают два вида неизолированной проволоки диаметром 0,02...10 мм: МТ, твердая неотожженная, предел текучести 230...380 МПа, при изгибе несколько пружинит; ММ, мягкая отожженная, предел текучести 60...70 МПа. Мягкую медную проволоку используют для изготовления обмоточных проводов, жил, кабелей.

Основные характеристики обмоточных проводов

Обмоточные провода с эмалевой изоляцией В качестве эмалевых покрытий проводов применяются различные электроизоляционные лаки: лак винифлекс (ВЛ-931) представляет собой раствор поливинилформальэтиланевой и резольной фенолоформальдегидной смол в смеси этилцеллозольва и технического хлорбензола (растворитель РВЛ). Лаковое покрытие винифлекс не плавится и не размягчается при нагреве, сохраняя гибкость и эластичность; лак металвин (ВЛ-941) по качеству лакового покрытия превосходит винифлекс, в частности, по устойчивости к воздействию органических растворителей и воды; полиэфирный лак (ПЭ-939, ПЭ-943) получается при взаимодействии глицерина и расплавленной полиэфирной смолы (лавсан). Нагревостойкость проводов с изоляцией этими лаками соответствует 130 оС; полиэфиримидный лак ПАК-1 и полиуретановый лак УЛ-1 обеспечивают более высокую нагревостойкость изоляции - до 155о...180 оС; масляные лаки - лаки на основе высыхающих тунговых и льняных масел. В качестве растворителя используется керосин. Лаковые покрытия имеют высокие электроизоляционные параметры, сравнительно невысокую механическую прочность и стойкость к растворителям. В настоящее время покрытия на основе масляных лаков используются при изготовлении около 5% принятых к производству проводов.

Монтажные провода и кабели

Плетеные плоские кабели представляют из себя совокупность проводов, переплетенных связующей изолирующей нитью из лавсана или капрона и предназначены для выполнения фиксированного и гибкого монтажа. Для изготовления плетеных кабелей используют одножильные и многожильные провода диаметром 0,06...0,35 мм: ПЭВТЛК - с полиамидной изоляцией; МГТФ - провод с фторопластовой изоляцией; МГШВ, МШВ - провода с ПВХ изоляцией. Плетеные плоские кабели представляют из себя совокупность проводов, переплетенных связующей изолирующей нитью из лавсана или капрона и предназначены для выполнения фиксированного и гибкого монтажа. Для изготовления плетеных кабелей используют одножильные и многожильные провода диаметром 0,06...0,35 мм: ПЭВТЛК - с полиамидной изоляцией; МГТФ - провод с фторопластовой изоляцией; МГШВ, МШВ - провода с ПВХ изоляцией. Тканые плоские кабели выполнены в виде отрезков ткани, вырабатываемой из электропроводящих и диэлектрических нитей. Таким образом, возможно изготовить кабели, в которых провода выходят из кабеля в точках монтажа для подключения необходимых радиокомпонентов. В качестве электропроводящих нитей используется неизолированная проволока из меди марки ММ, а также самолудящийся провод ПЭВТЛК в полиуретановой и полиимидной изоляции. Диэлектрические нити изготавливают из полиэтилена, стекловолокна или капрона диаметром 0,1...0,25 мм. Полученное изделие называется тканевым устройством коммутации (ТУК), или тканевой объединительной платой (ТОП). Соединение электропроводников в контактных узлах осуществляется через элементарные ячейки сетки с помощью контактной или диффузионной сварки. К недостаткам ТУК относится трудность выявления монтажных точек на поверхности ткани, а также невысокая точность изготовления и низкая ремонтопригодность изделия.

Гибкие печатные кабели и шлейфы Гибкие печатные кабели и шлейфы - это кабельные соединения, выполненные методом пленочной технологии на гибких изоляционных подложках и предназначенные для передачи высокочастотных сигналов. В качестве основы используются гибкие диэлектрические пленки толщиной 25... 30 мкм из лавсана, фторопласта или полиимида (рис. 2.4). Нанесение проводников на поверхность диэлектрической основы гибкого печатного кабеля осуществляется в следующей последовательности: сплошное вакуумное осаждение подслоя пленки сплава Cr-Cu толщиной 1...2 мкм; вытравливание рисунка проводников шлейфа, ширина проводника 70...100 мкм; гальваническое наращивание на поверхность проводников подслоя проводниковой меди толщиной 10...20 мкм; электрохимическое наращивание на поверхность проводников защитного слоя из сплавов системы Sn-Bi, Sn-Ni или Sn-Pb; защита поверхности шлейфа слоем полиимидного лака толщиной 20...30 мкм.

Радиочастотные коаксиальные кабели Радиочастотные коаксиальные кабели предназначены для соединения передающих и приемных антенн с радио- или телевизионной станцией, соединения отдельных блоков РЭС, а также для межприборного и внутриприборного монтажа радиотехнических устройств, работающих на частотах свыше 1...3 МГц. Основные разновидности конструкций коаксиальных кабелей представлены на рис. 2.5. Различают три типа коаксиальных кабелей: РК - радиочастотные коаксиальные кабели (рис. 2.5а); РД - радиочастотные симметричные кабели, двухжильные или из двух коаксиальных пар (рис. 2.5б); РС - радиочастотные кабели со спиральными проводниками, коаксиальные и симметричные (рис. 2.5в). Значения волнового сопротивления выбираются из ряда 50, 75, 100, 150, 200, 300, ..., 3200 Ом. Внутренний проводник коаксиального кабеля изготавливается из меди и является одножильным или многожильным (семипроволочным).

Чистые металлы для проводников Алюминий (Al) плавится при температуре 657 оС и кристаллизуется в ГЦК решетку. Удельное электросопротивление алюминия в 1,6 раза выше, чем у меди и составляет 0,0283×10-6 Ом×м. Однако алюминий в 2,1 раза легче меди. Механические свойства алюминия примерно в 3 раза ниже, чем у меди. Путем протяжки из этого материала получают следующие марки неизолированной алюминиевой проволоки: АТ, твердая, диаметр провода 0,08...1,0 мм; АПТ, полутвердая, диаметр 0,6...10 мм; АМ, мягкая, диаметр 0,5...10 мм.

Чистые металлы для проводников Золото (Au) - микропроволока

1.2. Металлы и сплавы для электрических контактов 1.2. Металлы и сплавы для электрических контактов

Проводниковые материалы для токоведущих и упругих элементов контактных устройств Латуни - это сплавы системы Cu-Zn с содержанием 10...40% цинка. Цинк кристаллизуется в ГПУ решетку и характеризуется ограниченной растворимостью в меди. Практическое применение нашли сплавы Л85 и Л80, содержашие 15 и 20% Zn, соответственно. Удельное сопротивление латуней =(0,05...0,06)×10-6 Ом×м, что в 3 раза превышает сопротивление чистой меди. Бронзы характеризуются более высокими упругими свойствами, чем латуни. К бронзам относятся сплавы системы Cu-Sn (3... 6% Sn). Находят также применение алюминиевые бронзы Cu-Al (около 5% Al), а также кремнистые бронзы Cu-Si (1...3% Si). Для улучшения характеристик бронз в них, кроме перечисленных элементов, добавляют в небольшом количестве фосфор, цинк, никель, марганец, железо. Сплавы бронзы в технической документации обозначаются буквами Бр с указанием дополнительных легирующих элементов и их концентрации. При этом пользуются следующими условными обозначениями легирующих элементов: О-олово, А-алюминий, К-кремний, Ф-фосфор, Ц-цинк, Н-никель, Мц-марганец, Ж-железо, Б-бериллий, Т-титан. Широкое практическое применение нашли бронзы марок БрОЦ4-3 (содержит 4% Sn и 3% Zn), БрА7 (7% Al), БрКМц3-1 (3% Si и 1% Mn), БрБ2 (2% Be) - бериллиевая бронза. После термообработки изделия из бронзы имеют в 1,25...1,5 раза более высокий модуль упругости, чем латуни. Однако удельное электрическое сопротивление лент, пружин, токоведущих деталей из бронзы выше, чем у латуни примерно в 2 раза и составляет (0,09...0,27)×10-6 Ом×м.

Материалы для изготовления слаботочных контактов Серебро (Ag). Используется серебро марок Ср999...999,9. Серебро является полублагородным металлом. Это мягкий материал белого цвета, кристаллизующийся в ГЦК решетку. Температура плавления серебра равна 960,5 оС, удельное электросопротивление составляет 0,016×10-6 Ом×м, плотность 10,5×103 кг/м3. Золото (Au) применяют для покрытий при очень высоких требованиях к надежности электрического контакта. Используется золото марок Зл999...999,9. Золото пластичный металл желтого цвета, кристаллизуется в ГЦК решетку. Температура плавления золота равна 1063 оС, удельное электросопротивление равно 0,022×10-6 Ом×м, плотность 19,3×103 кг/м3. Сплавы системы золото-серебро, например ЗлСр600-400 (60% Au, 40% Ag), а также сплавы системы золото-никель ЗлН95-5 (95% Au, 5% Ni). Палладий (Pd) не относится к благородным металлам, но обладает хорошими электрическими свойствами и в 4...5 раз дешевле, чем золото. В качестве контактного покрытия используется палладий марок Пд99,7...99,8. Платина (Pt). Платина - это пластичный металл белого цвета, кристаллизующийся в ГЦК решетку. Температура плавления платины составляет 1773 оС, удельное электросопротивление достигает 0,105×10-6 Ом×м, плотность равна 21,4×103 кг/м3. Практическое применение получили сплавы систем Pt-Ni, Pt-Ir и Pt-Rh. Никель, иридий и родий образуют с платиной твердые растворы. Иридий (Ir) - редкий металл, кристаллизующийся в ГЦК решетку, имеет температуру плавления 2410 оС и удельное электросопротивление 0,054×10-6 Ом×м. Плотность иридия 22,4×103 кг/м3, а твердость почти в четыре раза выше, чем у платины. Добавка иридия в платину в количестве 10...25% позволяет получить сплавы марок ПлИ-10 (10% Ir) и ПлИ-25 (25% Ir). Родий (Rh) применяется как самостоятельный контактный материал. По своим характеристикам он близок к иридию, но гальванические покрытия из родия обладают исключительной твердостью и износостойкостью. Их твердость в 10 раз выше, чем у серебра или золота.

Основные физические параметры контактных материалов

1.3. Неметаллические ПМ

1.3. Неметаллические ПМ

1.3. Неметаллические ПМ

1.3. Неметаллические ПМ

1.3. Неметаллические ПМ

1.3. Неметаллические ПМ

1.3. Неметаллические ПМ

1.3. Неметаллические ПМ

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

1.4. Припои и флюсы

2.1. Проводниковые материалы с высоким электрическим сопротивлением 2.1. Проводниковые материалы с высоким электрическим сопротивлением

Проволочные высокоомные материалы Манганин марки МНМц3-12 содержит 3% Ni, 12% Mn, остальное медь. Удельное электросопротивление манганина равно (0,4...0,5)×10-6 Ом×м, а ТКС=(0,01..0,1)×10-4 1/K. Увеличение содержания марганца в манганине до 60...67% ведет к повышению удельного электросопротивления до 2×10-6 Ом×м, а ТКС становится отрицательным и уменьшается до минус 1×10-4 1/К. На основе манганина выпускается манганиновый провод диаметром от 0,02 до 1,00 мм. Провода выпускаются с эмалевой изоляцией (ПЭВМТ, ПЭММ, ПЭМТ, ПЭМС) и с дополнительной изоляцией шелком (ПЭШОММ, ПЭШОМТ). Константан марки МНМц40-1,5 содержит 40% Ni и 1,5% Mn, остальное медь. Удельное электросопротивление константана составляет (0,45...0,52)×10-6 Ом×м, а ТКС равен (-0,2...+0,6)×10-4 1/К. Выпускаются эмалированные провода из твердых и мягких сортов константана марок ПЭВКТ, ПЭВКМ, ПЭКМ, ПЭКТ, провoда с эмалево-волокнистой изоляцией марок ПЭШОКМ, ПЭШОКб, нагревостойкий провод со стеклоизоляцией марки ПОЖКМ. Нихромы. Нихромовая проволока используется для изготовления гасящих резисторов и нагревательных элементов. Наиболее распространен нихром марки Х20Н80, содержащий 20% Cr и 80% Ni. Удельное электросопротивление нихрома 1,1×10-6 Ом×м, а ТКС выше, чем у манганина и константана и составляет 0,9×10-4 1/К. Выпускаются нихромовые провода с эмалевой изоляцией марок ПЭВНХ, ПЭНХ, ПЭТНХ, жаростойкие со стеклоизоляцией марки ПЭЖ-НХ диаметром 0,02...1,2 мм.

Высокоомные материалы для плёночных резисторов

Материалы для тонкоплёночных резисторов Кремниевые резистивные сплавы марки РС - это измельченные в порошок сплавы системы Si-Cr-Ni-Fe. Выпускаются сплавы марок РС-4800, РС-3710, РС-3001, РС-1714, РС-1004 и др. В обозначении сплава две первых цифры указывают номинальное содержание основного легирующего компонента в процентах - хрома или никеля. Две последние цифры обозначают содержание в процентах другого легирующего элемента, обычно железа. Например, сплав РС-4800 содержит 48% Cr , остальное Si (52%), в сплаве РС-1714 содержится 17% Cr, 14% Fe, 69% Si, а сплав РС-1004 содержит 10% Ni, 4% Fe, 86% Si. Температура плавления кремниевых резистивных сплавов достигает 1250...1550 0С. Резистивные пленки в зависимости от состава характеризуются широким диапазоном значений удельного электрического сопротивления квадрата поверхности 50...50000 Ом при значении ТКС=2×10-4 1/К. Удельная мощность рассеяния полученных резистивных элементов достигает 5 Вт/см2. Металлосилицидные сплавы марки МЛТ представляют собой многокомпонентные сплавы системы Si-SiO2-Fe-Cr-Ni-Al-W и содержат 25...50% Si. Выпускается 12 марок этого сплава, отличающихся составом и электрическими характеристиками изготовленных из них резисторов. Например, для напыления тонкопленочных резисторов интегральных схем широко применяется сплав МЛТ-3М. Предельные значения параметров изготовленных резисторов: кв=200...500 Ом, ТКС=(1,2...2,4)×10-4 1/К, Руд<1 Вт/см2. Контакты к резистивному элементу напыляются из меди

Материалы для толстоплёночных резисторов Распространенным материалом для толстопленочных резисторов является смесь порошков чистых металлов Ag и Pd и их окислов AgO-PdO. Исходная паста содержит также стекло марки 660а и органическое связующее. В процессе отжига происходит частичное окисление Pd до PdO, а также образование твердого раствора Ag-Pd. Сформированные на подложке в результате отжига паст толстопленочные резистивные элементы имеют сложную структуру. Она состоит из стеклообразной фазы, содержащей хорошо проводящие зерна оксидов AgO, PdO и сплава AgPd. Электропроводящие зерна имеют аморфную структуру с размером частиц 0,01...1 мкм. Условное обозначение марок серебропалладиевых паст на основе стекла 660а состоит из букв ПР (паста резистивная) и числа через дефис, представляющего код сопротивления квадрата поверхности полученного резистора. Например, паста марки ПР-5 характеризуется rкв=5 Ом, пасты ПР-6К и ПР-1М имеют rкв, равные 6 кОм и 1 МОм, соответственно. Значение ТКС серебропалладиевых композиционных паст равно (-3,5...+9)×10-4 1/К.

Материалы для толстоплёночных резисторов Высокая стоимость серебропалладиевых паст привела к тому, что были найдены более дешевые заменители серебра и палладия, являющиеся компонентами паст для изготовления толстопленочных резисторов. Композиционные толстопленочные резисторы на основе рутениевых паст системы Ru-RuO, а также RuPb-RuBi обладают более стабильным электросопротивлением, имеют меньшее значение ТКС равное (1,5...2,5)×10-4 1/К. Обозначение марок рутениевых резистивных паст осуществляется с помощью цифрового кода, начинающегося с цифры 5. Последующие две цифры обозначают порядок величины электросопротивления, последняя цифра представляет мантиссу значения электросопротивления. Например, резисторы, изготовленные на основе паст марок 5045 и 5061 имеют удельное электросопротивление 5×104 Ом/кв и 1×106 Ом/кв, соответственно. Разработана также рецептура резистивных паст на основе дешевых полупроводниковых оксидов SnO2+SbO5 (rкв=5...100000 Ом, ТКС=(9... ...12)×10-4 1/К), In2O3+Sb2O3 (rкв=100... 1000 Ом, ТКС=(9...13)×10-4 1/К), Te2O3 (rкв=0,05...1300 Ом, ТКС=-(8... 17)×10-4 1/К). В качестве проводниковых паст в толстопленочных ИС используются Ag-Pd пасты марок ПП-1, ПП-3 (rкв=0,05 Ом) с высоким содержанием дисперсного серебра, пасты на основе меди (ПМП, rкв=0,01 Ом), пасты на основе алюминия (АП-2, rкв=0,03 Ом). Особенностью проводниковых паст является повышенная температура вжигания, достигающая 780...900 оС