Проводниковые электрорадиоматериалы
Проводниковые электрорадиоматериалы
Проводниковые материалы Твердыми проводниками электрического тока являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают: материалы, обладающие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей; проводящих соединений в микросхемах, обмоток трансформаторов, волноводов и т. д.; металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые применяют для изготовления электронагревательных приборов, резисторов, реостатов ламп накаливания и т. д.
Свойства проводниковых материалов. Основными электрическими параметрами проводниковых материалов являются- удельная проводимость (или обратная ей величина — удельное сопротивление)
- температурный коэффициент удельного сопротивления.
Механические свойства проводников характеризуются пределом прочности при растяжении и относительным удлинением при разрыве. Общеизвестны такие физические параметры, как плотность, температура плавления и т. д.
Удельное сопротивление р проводника, имеющего постоянное поперечное сечение S к длину l, определяют по формуле p=RS/l и выражают в омах на метр (Ом-м). Для измерения удельного сопротивления проводников пользуются внесистемной единицей Ом-мм2/м (S измерено в мм2, l — в м); 1 Ом-м=106 Ом-мм2/м. Дольная от системной единицы 1 мкОм-м = 1 Ом-мм2/м. Будем выражать удельное сопротивление проводников в мкОм-м, при этом сохранятся привычные численные значения р.
Температурный коэффициент удельного сопротивления показывает, как изменяется сопротивление, равное 1 Ом, при изменении температуры на один градус. Физические параметры полупроводниковых материалов приведены в табл. 1.
|
Металл
|
Плотность,
Мг/м3
|
Темпера, тура плавления, °С
|
Удельное сопротивление,
мкОм-м
|
Температурный коэффициент
удельного сопротивления.
|
Работа выхода,
эВ
|
|
Алюминий
|
2,7
|
660
|
0,0265
|
4,1
|
4,25
|
|
Вольфрам
|
19,3
|
3400
|
0,055
|
5,0
|
4,54
|
|
Железо
|
7,87
|
1540
|
0,097
|
6,25
|
4,31
|
|
Золото
|
19,3
|
1063
|
0,0225
|
3,95
|
4,3
|
|
Кобальт
|
8,85
|
1500
|
0,064
|
6,0
|
4,41
|
|
Медь
|
8,92
|
1083
|
0,0168
|
4,3
|
4,4
|
|
Молибден
|
10,2
|
2620
|
0,05
|
4,33
|
4,3
|
|
Никель
|
8,96
|
1453
|
0,068
|
6,7
|
4,5
|
|
Олово
|
7,29
|
232
|
0,113
|
4,5
|
4,38
|
|
Платина
|
21,45
|
1770
|
0,098
|
3,9
|
5,32
|
|
Ртуть
|
13,5
|
— 39
|
0,958
|
0,9
|
4,52
|
|
Свинец
|
11,34
|
327
|
0,190
|
4,2
|
4,0
|
|
Серебро
|
10,49
|
961
|
0,016
|
4,1
|
4,3
|
|
Хром
|
7,19
|
1900
|
0,13
|
2,4
|
4,58
|
|
Цинк
|
7,14
|
419
|
0,059
|
4,1
|
4,25
|
Удельное сопротивление тонких металлических пленок (толщина которых соизмерима с длиной свободного пробега электрона) больше удельного сопротивления исходного металла и зависит от толщины и способа получения пленок. Оценивают проводящие свойства тонких пленок по удельному поверхностному сопротивлению (сопротивлению квадрата ), равному сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки Rп =рб/б,где Рб — удельное (объемное) сопротивление пленки . Удельное сопротивление сплавов больше удельного сопротивления исходных компонентов. Увеличение р происходит при введении в металл неметаллических примесей, а также при сплавлении двух металлов, образующих твердый раствор, в котором атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.
Технические проводниковые материалы подразделяют на
- материалы высокой проводимости,
- металлы и сплавы различного назначения,
- сплавы высокого сопротивления,
- проводящие модификации углерода и материалы на их основе.
Материалы высокой электрической проводимости. К наиболее распространенным материалам высокой электрической проводимости относят медь и алюминий (см. табл. 1).
Медь обладает малым удельным сопротивлением, высокой механической прочностью, удовлетворительной стойкостью к коррозии, легко паяется, сваривается и хорошо обрабатывается, что позволяет прокатывать ее в листы, ленту и вытягивать в проволоку.
В качестве проводникового материала используется медь марок Ml и МО. В марке Ml содержится 99,9 % чистой меди, а в общем количестве примесей (0,1 %) кислород составляет до 0,08 %« Лучшими механическими свойствами обладает вторая марка, в которой содержится 99,95% меди, а в составе примесей (0,05%) имеется до 0,02 % кислорода. Лучшая бескислородная медь содержит 99,97 % чистого вещества, а вакуумная (выплавленная в вакуумных индукционных печах) — 99,99. %. Твердотянутую медь, полученную методом холодной протяжки, используют, когда необходима высокая механическая прочность, а мягкую (отожженную) — когда важна гибкость, например для изготовления монтажных проводов и шнуров. Электровакуумная медь идет на изготовление деталей электронных приборов. Медь используется также для изготовления фольгированного гетинакса, а в микроэлектронике — для получения токопроводящих пленок на подложках, обеспечивающих соединение между функциональными элементами схемы. Наиболее употребительные марки обмоточных проводов приведены в табл. 2. |
Марка провода
|
Характеристика изоляции
|
Диаметр провода, мм
|
|
ПЭЛ
|
Эмалевая лакостойкая
|
0,02 — 2,44
|
|
ПЭВ-1
|
Эмалевая с одинарным и двойным винифлексовым покрытием
|
0,06 — 2,44
|
|
ПЭЛБО
|
Эмалевая лакостойкая с одним сло
ем хлопчатобумажной обмотки
|
0,2-2,1
|
|
П-ЭЛБД
|
То же, но с двумя слоями хлопчатобумажной обмотки
|
0,72 — 2,1
|
|
пэлшо
|
То же, но с одним слоем шелковой обмотки
|
0,05-2,1
|
|
пэлшд
|
Эмалевая лакостойкая с двумя слоями шелковой обмотки
|
0,86
|
|
ПЭЛШКО
|
Эмалевая лакостойкая с одним слоем обмотки из капрона
|
0,05-2,1
|
|
пэлшкд
|
Эмалевая лакостойкая с двумя слоями обмотки из капрона
|
0,86
|
|
ПЭЛБВ
|
Эмалевая лакостойкая с обмоткой из длинноволокнистой бумаги
|
0,51 — 1,45
|
|
ПВО
|
Один слой хлопчатобумажной обмотки
|
0,2 — 2,1
|
|
ПБД
|
Два слоя хлопчатобумажной обмотки
|
0,2 — 5,2
|
Бронза — сплав меди с небольшим количеством олова, кремния, фосфора, хрома, кадмия или других материалов, обладающий более высокими механическими свойствами, чем медь. Широко применяется для изготовления токопроводящих пружин. Латунь — сплав меди с цинком и другими добавками, обладающий большим относительным удлинением, что важно при обработке штамповкой и глубокой вытяжке. Применяется для изготовления различных токопроводящих деталей.
Состав и свойства некоторых медных электротехнических сплавов приведены в табл. 3.Таблица 3
|
Сплав
|
Удельная проводимость, % к меди
|
Предел прочности, МПа
|
Относительное удлинение при разрыве, %
|
|
Кадмиевая бронза (0,9 % Cd)
|
95
|
До 310
|
50
|
|
Бронза (0,8 % Cd; 0,6 %
Sn)
|
55 — 60 50—55
|
290 До 730
|
55 4
|
|
Фосфористая бронза (7 % Sn; 0,1 % Р)
|
10 — 15
|
До 400
|
60
|
|
Латунь (70 % Си; 30 % Zn)
|
25
|
320 — 350
|
70
|
Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий до 0,5 % примесей. Проволока, изготовленная из алю« миния АЕ и отожженная при температуре 350 °С, обладает удельным сопротивлением 0,028 мкОм*м. Алюминий высокой чистоты А97 (примесей до 0,03 %) используется для изготовления тонкой (до 6 мкм) фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов.
Альдрей — сплав алюминия с магнием (0,3 — 0,5 %), кремнием (0,4 — 0,7%). и железом (0,2 — 0,3 %). Сохраняет легкость чистого алюминия (плотность 2,7 Мг/м3), обладает близким к нему удельным сопротивлением (0,0317 мкОм-м) и высокой (близкой к твердотянутой меди) механической прочностью.
Металлы и сплавы различного назначения. Ниже рассматривая ются металлы и сплавы, применяющиеся в электротехнике и радиоэлектронике. Исходя из температуры плавления, общности характеристик и области применения, различают тугоплавкие и благородные металлы, металлы со средней и низкой температурой плавления, припои и флюсы.
Тугоплавкие металлы обладают температурой плавления выше 1700 °С, химически устойчивы при низких и активны при высоких температурах, поэтому при повышенных температурах эксплуатируются в вакууме или атмосфере инертных газов. Тугоплавкими являются такие металлы, как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий. Основные физические свойства некоторых из них были приведены в табл. 1. Тугоплавкие металлы используются для изготовления нитей ламп накаливания, электродо в электронных ламп, пленочных резисторов в микросхемах, контактов, обладающих высокой устойчивостью к эрозии (электроизносу) и образованию электрической дуги. Помимо чистых тугоплавких металлов в электровакуумной технике для арматуры приборов применяют сплавы W+Mo, Mo+Re, Ta+Nb, Ta+W и др., обладающие требуемыми пластичностью, электрическими и термическими свойствами.
К благородным металлам относятнаиболее химически стойкие металлы (золото, серебро, платину).
Золото обладает высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве около 40%) и используется в электронной технике для нанесения коррозионно-устойчивых покрытий на резонаторы СВЧ, внутренние поверхности волноводов, электроды ламп и др. Основные параметры золота были приведены в табл. 1.
Серебро — стойкий против окисления металл (при нормальной температуре), обладающий наименьшим удельным сопротивлением (см. табл. 1). Используется для изготовления электродов и контактов на небольшие токи, для непосредственного нанесения на диэлектрики, внутренние поверхности волноводов, а также в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.
Платина — очень стойкий к химическим реагентам металл, хорошо поддается механический обработке, пластичен. Основные параметры плагины были приведены в табл. 1. Применяется для изготовления термопар, подвесок, подвижных систем электрометров и контактных сплавов.
Металлы со средним значением температуры плавления (железо, никель, кобальт), обладающие повышенным температурным коэффициентом удельного сопротивления (в 1,5 раза выше меди), ферромагнитны.
Железо (сталь) — наиболее дешевый металл, обладающий высокой механической прочностью и относительно высоким (по сравнению с медью) удельным сопротивлением (около 0,1 мкОм-м). Удельное сопротивление стали, содержащей примеси углерода и других элементов, возрастает
В качестве проводникового материала используется мягкая сталь, содержащая- 0,1 — 0,15 % углерода, имеющая предел прочности при растяжении 700 — 750 МПа, относительное удлинение при разрыве 5 — 8 % и удельную проводимость в 6 — 7 раз меньшую, чем меди. Основные параметры железа были приведены в табл. 1. Железо используют для изготовления корпусов электронных приборов, работающих при температуре до 500°С, при которой газовыделение невелико. Из алюминированного железа (покрытого тонкой пленкой алюминия) изготовляют аноды, экраны и другие детали электронных ламп.
Никель обладает плотностью, равной плотности меди, легко поддается механической обработке, устойчив к окислению. Основные свойства никеля были приведены в табл. 1. Применяется для изготовления арматуры электронных ламп, нагревательных элементов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов и защитных покрытий изделий из железа.
Сплавы для электровакуумных приборов созданы на основе металлов со средними значениями температуры плавления. Обладают такими температурными коэффициентами линейного расширения а1, при которых возможно сопряжение стекла с металлическими конструкциями электронных приборов.
Инвар Н-36 — сплав железа с 36 % никеля, обладает очень малым аг~10-6К-1 в диапазоне температуры от — 100 до + 100 °С, Платинит Н-47 — сплав железа с 47% никеля. Ковар — сплав железа с 29% никеля и 17% кобальта, обладает малым аi=4,8*10-6К-1 и примерно в 2 раза меньшим, чем инвар, удельным сопротивлением. Температура плавления 1450°С. Рассмотренные сплавы применяются для изготовления токоотводов электронных ламп, проходящих через стеклянные элементы.
Металлы с низкой (менее 500 °С) температурой плавления.
Свинец — мягкий, пластичный металл, обладающий невысокой прочностью (предел прочности при растяжении 16 МПа, относительное удлинение при разрыве 55 %), не стоек к вибрации; устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и других реагентов; подвержен действию азотной и уксусной кислот, извести и гниющих органических веществ. Основные свойства свинца были приведены в табл. 1. Свинец и его сплавы используют для изготовления защитных (от влаги) оболочек кабелей, плавких вставок предохранителей, пластин кислотных аккумуляторов и в качестве материала, поглощающего рентгеновское излучение. Свинец и его соединения ядовиты.
Олово — мягкий, тягучий металл, не подвержен влиянию влаги, не окисляется на воздухе, разведенные кислоты действуют на него очень медленно. Основные свойства олова были приведены в табл. 1. Применяется в качестве защитных покрытий металлов (лужение), с примесью 15% свинца и 1% сурьмы — для получения оловянной фольги в производстве конденсаторов, входит в состав бронз и сплавов для пайки,
Ртуть — жидкий, химически стойкий металл, слабо взаимодействует с водородом и. азотом. Платина, серебро, золото, щелочные и щелочноземельные металлы, цинк, олово и алюминий растворяются в ртути, образуя амальгамы. Нерастворимы в ртути вольфрам, железо, тантал; слабо растворимы медь и никель. Ртуть и ее соединения очень ядовиты. Основные свойства ртути были приведены в табл. 1. Ртуть применяется в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, газоразрядных приборах, лампах дневного света и др.
Припои представляют собой специальные сплавы, используемые при пайке. Обычно припой имеет более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Различают мягкие и твердые припои с температурой плавления ТПЛ соответственно до 300 и более 300 °С.
Мягкими припоями являются оловянно-свйнцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС 10) до 90 % (ПОС 90), остальное — свинец. Некоторые оловянно-свйнцовые припои содержат небольшой процент сурьмы (например, ПОС 61-05). Твердыми являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСР) припои с раз« личным» легирующими добавками. Свойства некоторых марок мягких припоев приведены в табл. 4. Таблица 4
|
Припой
|
Марка и состав
|
Температура плавления,
cc
|
Удельное сопро. тивление, мкОм*М
|
Удельная теплопроводность, Вт/(м-К)
|
Предел прочности при растяжении, МПа
|
|
Оловянно-свинцовый
|
ПОС 61 (61 % Sn; 39% Pb)
ПОС 40 (40 % Sn; 60 % Pb)
|
183 — 190
183 — 238
|
0,14
0,16
|
50
42
|
43
38
|
|
Оловянно-свинцово-кадмиевый
|
ПОСК 50-18 (50 % Sn; 18 % Cd; 32 % Pb)
|
142 — 145
|
0,13
|
54
|
40
|
|
Оловянносвинцрвосурьмянистый
|
ПОССу 40-2 (40 % Sn; 2% Sb; 58% Pb)
|
185 — 299
|
0,17
|
42
|
43
|
Флюсы, используемые для получения надежной пайки, должны растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов и защищать их от окисления. Бескислотными флюсами являются канифоль, а также флюсы на ее основе с добавлением неактивных веществ (спирта, глицерина). Кислотные (активные) флюсы приготавливают на основе соляной кислоты, хлористых и фтористых металлов, активно растворяющих оксидные пленки на поверхности металлов, благодаря чему обеспечиваются хорошая адгезия и высокая механическая прочность соединения. Пайка электроприборов с использованием активных флюсов не допускается.
Сплавы высокого сопротивления. Сплавы, с высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления образцовых резисторов, реостатов, электроплиток, паяльников, электроизмерительных и электронагревательных приборов и должны длительно выдерживать температуры около 1000 °С. Наибольшее распространение получили сплавы на медной основе (манганин, константен), хромо-никелевые и железохромоалюминиевые, основные свойства которых приведены в табл. 5.
Таблица 5
|
Сплав
|
Плотность, Мг/м»
|
Удельное сопротивление, мкОм м
|
Температурный коэффициент сопротивления а -10е,к-1
|
Рабочая температура,°С
|
Предел прочности при растяжении, МПа
|
Относительное удлинение при разрыве, %
|
|
Манганин
|
8,4
|
0.42 — 0,48
|
5 — 30
|
100 — 200
|
450 — 600
|
15 — 30
|
|
Константан
|
8.9
|
0.48 — 0,52
|
— (5 — 25)
|
450 — 500
|
400 — 500
|
20 — 40
|
|
Нихром Х15Н60
|
8,2
|
1-1,2
|
100 — 200
|
1000
|
650 — 700
|
25 — 30
|
|
Фехраль и хромаль
|
|
|
|
|
|
|
|
Х13Ю4
|
7,1-7,5
|
1.2 — 1,35
|
100 — 200
|
900
|
700
|
20
|
|
Х23Ю5
|
6,9-7,3
|
1.3-1,5
|
65
|
1200
|
800
|
10-15
|
Манганин — сплав на медной основе (86% Си, 12% Мп, 2 % Ni) используется для изготовления образцовых резисторов и электроизмерительных приборов. Хорошо вытягивается в проволоку диаметром до 0,02 мм или прокатывается в ленту толщиной 0,01 — 1 мм и шириной 10 — 300 мм.
Константан — сплав меди (60%) и никеля (40%). Хорошо поддается обработке (протягивается в проволоку и прокатывается в ленту тех же размеров, что и манганин). Электронагревательные элементы из константана допускают работу при температуре до 450° С. При нагреве проволока покрывается оксидной пленкой, обладающей электроизоляционными свойствами, В паре с медью или железом константан дает большую термо-эдс, что затрудняет использование резисторов из него в измерительных схемах, но позволяет изготовление термопары для измерения температуры до нескольких сотен градусов.
Нихром — сплав никеля (55 — 80%), хрома (15 — 20 %), марганца (1,5 %). Термоустойчив на воздухе. Срок службы нихромовых нагревательных элементов возрастает, если их поместить в твердую инертную среду, затрудняющую доступ кислорода (например, в глину — шамот). Нанесенные на подложки пленки нихрома обеспечивают сопротивление квадрата Rо =50-300 Ом и мощность рассеивания Рдоп=1 Вт/см2 и применяются в качестве резисторов в микросхемах.
Железохромоникелевые сплавы (фехраль, хромаль) по сравнению с нихромом обладают большей твердостью и хрупкостью, с трудом вытягиваются в проволоку и ленту, имеют меньшую стоимость и используются в мощных электронагревательных устройствах. . Резистивный сплав РС-37-10 содержит 36,5% Сг, 8 — 11 % Ni, остальное — кремний, a PC30-01 — 32% Сг, 0,7 — 1,8%.Fe, остальное — кремний. Эти сплавы соответственно применяют для изготовления тонкопленочных и прецизионных тонкопленочных резисторов. Многокомпонентные резистивные спла вы МЛТ для тонкопленочных резисторов, содержащие Si, Fe, Cr, Ni, Al, W, устойчивы к окислению и воздействию химически активных сред. Основные свойства резистивных сплавов приведены в табл. 6.
|
Сплав
|
Плотность, Мг/м
|
Температура плавления, °С
|
Удельное сопротивление, мкОм-м
|
Температурный коэффициент сопротивления а*10-4,
к-1
|
Со противление квадрата пленки, Ом
|
Толщина пленки, нм
|
|
РC-37-10
|
4,5 — 5
|
1250
|
5 — 7
|
15 — 25
|
50 — 2000
|
15 — 300
|
|
РС-30-01
|
3,7 — 4
|
1350
|
25 — 35
|
5 — 15
|
800 — 3000
|
20 — 100
|
|
МЛТ
|
—
|
—
|
100 — 300
|
От — 2,5 до + 4
|
100 — 20 000
|
—
|
Двух компонентные материалы для тонкопленочных резисторов интегральных схем (дислициды молибдена и хрома и сплавы кремния и хрома) имеют следующие параметры:
|
|
MoSiz
|
CrSi2
|
Si57Cr43
|
Si73Cr27
|
|
R0, Ом
|
200
|
1300
|
2000
|
20000
|
|
ар 10-4, К-1
|
— 1,25
|
+2
|
— 1,5
|
-14
|
Сплавы — копель (56 % Си, 44 % Ni); алюмёль (95 % Ni, остальное Al, Si, Mg), хромель (90 % Ni, 10 % Сг), платинородий (90% Pt, 10% Rh) — используют для изготовления термопар. Для измерения температуры до 1600°С применяются платинородий-платиновые термопары, до 900 — 1000 °С — хромель-алюмелевые, до 600 °С — железо-копелевые, хромель-копелевые и железо-константа-новые, а до 350 °С — медь-константановые и медь-копелевые.
Проводящие модификации углерода. Природный графит, пиролитический углерод и углеродистые пленки применяют в качестве проводящих материалов при изготовлении непроволочных линейных резисторов, микрофонов и различных деталей разрядников телефонных сетей, электровакуумных приборов и др.
Природный графит — модификация чистого углерода; Мелкодисперсной разновидностью углерода является сажа. Пиролитический углерод получают термическим разложением без доступа кислорода (пиролиз) газообразных углеводородов (метана, бензина) в камере.
Боруглеродистые пленки с малым коэффициентом удельного сопротивления (порядка 10 мкОм-м) и температурным коэффициентом — 1*10-4К-1 получают пиролизом борорганических соединений, например (С3Н7)зВ и др. Основные параметры графита и пиро-литического углерода приведены в табл. 7.
Таблица 7
|
Параметры
|
Поликристаллический
графит
|
Монокристалл графита
|
Пиролитический
|
|
|
вдоль
|
поперек
|
|||
|
базисных плоскостей
|
||||
|
Плотность, Мг/м3
|
2,3
|
2,2
|
2,1
|
|
|
Температурный коэффициент линейного расширения аi106, К-1
|
7,5
|
6,6
|
26
|
6,5 — 7
|
|
Удельное сопротивление, мкОм-м
|
8
|
0,4
|
100
|
10 — 50
|
|
Температурный коэффициент удельного сопротивления, К-1
|
— 1*10-3
|
+9-1 0-4
|
-4- 10-2
|
-2-10-4
|