Классификация проводниковых материалов по характеру применения в РЭА

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,1 мкОм·м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм·м).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных мате­риалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, обкладок конденсаторов, тонкопленочных проводников и контактных площадок в ИМС, выводов радиоэлементов

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов, материалов для нагревательных элементов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы ни­келя и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электри­ческим сопротивлением ρ при очень низких температурах называ­ются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

 

6. Медь: свойства, достоинства и недостатки, применение.

Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами:

- малым удельным электрическим сопротивлением (из всех метал­лов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);

- высокой механической прочностью;

- удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в услови­ях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно мед­леннее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди проис­ходит только при повышенных температурах);

- хорошей паяемостью и свариваемостью;

- хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).

Медь получают чаще всего в результате переработки сульфид­ных руд. Примеси снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содер­жание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопро­тивления на 1...5%. Поэтому медь, предназначенная для электро­технических целей, обязательно подвергается электролитической очистке.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной кор­розии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окис­ления быстро возрастает при нагревании, однако проч­ность сцепления окисной пленки с металлом невелика. Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных контактов. При высокой температуре в электрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение окисной пленки вызывает повышенный износ медных кон­тактов при сильных токах.

Значительное влияние на механические свойства меди оказывает водород. После водородного отжига твердость меди может уменьшить­ся в несколько раз. Разрушительное действие водорода сказывается особенно сильно при наличии кислорода, присутствующего в техни­ческой меди в виде закиси Сu₂О. Водород, легко проникая в глубь металла при повышенных температурах, вступает в реакцию:

Сu₂О + Н₂ = 2Сu + Н₂О

Давление образующегося в металле водяного пара из-за незначи­тельной скорости диффузии его может достигать нескольких тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, нарушающих вакуумную плотность материала и придающих ему хрупкость и лом­кость. В производстве это явление называют водородной болезнью.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).

Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обес­печить высокую механическую прочность, твердость и сопротив­ляемость истиранию: для контактных проводов, шин распредели­тельных устройств, для коллекторных пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.

После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270 °С) с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3...5% выше, чем у твердой меди.

Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандар­том, по отношению к которому удельную электрическую проводи­мость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20°С. Удельная электрическая проводимость такой меди рав­на 58 мкСм/м, соответственно ρ = 0,017241 мкОм·м при значении ТКρ = 4,3·10^-3 К^-1.

Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабе­лях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет боль­шого значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнет­ронов, клистронов, некоторых типов волноводов и др.

Кроме того, медь используют для изготовления фольгированного гетинакса и применяют в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.

Несмотря на большой температурный коэффициент линейного расширения по срав­нению с коэффициентом расширения стекол, медь применяют для спа­ев со стеклами, поскольку она обладает рядом замечательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и высокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному электроду придают специальную форму в виде тонкого рантика, благодаря чему такие спаи называют рантовыми.

Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на электротех­нических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с дру­гими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было пере­плавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводни­ковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюми­нием.

В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей.

 

7. Бронзы и латуни: свойства, особенности и применение.

Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является ос­новным легирующим элементом, называют бронзами.

При правильно подобранном составе бронзы имеют значитель­но более высокие механические свойства, чем чистая медь (значе­ния предела прочности бронз могут доходить до 800...1200 МПа и более). Бронзы обладают малой объемной усадкой (0,6...0,8%) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка достигает 1,5...2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают из бронзы.

Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок. На­пример, бериллиевая бронза Бр.В2 (2% бериллия Be, остальное медь Cu); фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,15 фос­фора Р, остальное медь Cu).

Введение в медь кадмия дает существенное повышение механи­ческой прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости γ.

Кадмиевую бронзу БрК_д 0,9 (0,9% кадмия Cd, остальное Cu) применяют для контактных проводов и коллекторных пластин осо­бо ответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методах сварки.

Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза, механической прочностью, твердостью и стойкостью к механическому износу (пре­дел прочности при растяжении σ_p до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250°С. Она находит применение при изготовлении ответственных токоведущих пружин для электрических приборов, щеткодержателей, токоштепсельных и скользящих контактов.

Фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,15 фосфора Р, остальное медь Cu) отличается низкой электропроводностью. Из нее изготавливают различные малоответственные токоподводящие пружины в электроприборах.

Латуни. Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%).

Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высо­ким относительным удлинением при повышенном пределе проч­ности на растяжение по сравнению с чистой медью, они имеют по­ниженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель, марганец.

Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпач­ки радиотехнических ламп).

В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозна­чение латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие ле­гирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1 % свинца Pb, остальное цинк Zn).

 

8. Алюминий и его сплавы: свойства, особенности и применение.

Алюминий относится к так называемым легким ме­таллам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м³).

Алюминий обладает следующими особенностями:

- удельное электрическое сопротивление ρ алюминия (при содер­жании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;

- алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;

- из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плав­ления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавле­ния требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавле­ние такого же количества меди;

- даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках сто­имость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако исполь­зование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

- алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, ко­торая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но созда­ет большое переходное сопротивление в местах контакта алюми­ниевых проводов, что затрудняет пайку Al обычными способами. Чтобы разрушить оксидную пленку AL, используется ультразвук. Оксидная пленка очень прочно сцеплена с поверхностью Al, содержащего незначительное количество примесей. Поэтому Al высокой чистоты чрезвычайно стоек к кислотам, морской воде и другим средам;

- алюминий менее дефицитен, чем медь;

- существенным недостатком алюминия как проводникового ма­териала является низкая механическая прочность, для ее повыше­ния алюминий подвергается механической обработке;

- прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству­ющим операциям для меди;

- примеси значительно снижают проводимость алюминия.

Применение Al:

- алюминиевая фольга толщиной 6-7 мкм применяется в качестве обкладок в бумажных конденсаторах или пластины конденсаторов переменной емкости;

- из тонкой алюминиевой фольги, учитывая ее отражательные способности, изготавливают экраны для защиты чувствительной измерительной аппаратуры от воздействия тепла, излучаемого телом человека;

- промышленностью выпускаются с алюминиевой обмоткой провода с круглыми и прямоугольными жилами в волокнистой или резиновой изоляции, широко распространенные кабели с алюминиевыми жилами для прокладки в земле, под водой внутри туннелей и т.д. Алюминиевые провода легче проводов из Cu, но обладают меньшей прочностью, поэтому для обеспечения необходимой надежности используются сталеалюминевые многожильные провода с центральной стальной жилой;

- из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной межвитковой и междуслойной изоляции. Но алюминиевые провода с оксидной изоляцией имеют недостатки: ограниченную гибкость и заметную гигроскопичность. В некоторых случаях, чтобы избежать последнего недостатка, изоляцию покрывают лаком;

- алюминиевые пленки хорошо используются в ИС и ГИС в качестве контактов и тонкопленочных проводников. Алюминиевые пленки обычно на Si – пластины наносят методом вакуумного напыления. Алюминий хорошо напыляется, причем обладает хорошим сцеплением к Si и SiO₂, обеспечивает хорошие омические контакты (невыпрямляющие) с Si (с p^-Si и n⁺Si);

- алюминиевые проволоки d=25 – 60 мкм используются для подсоединения контактной площадки кристалла ИС к выводам корпуса, причем подсоединенных ультразвуковой сваркой;

- в качестве обкладок тонкопленочных конденсаторов ГИС;

Алюминиевые сплавы. Сплав альдрей (0,3...0,5% меди Cu, 0,4...0,7% кремния Si, 0,2...0,3% железа Fe, остальное алюминий Al) обладает следующими свойствами:

- повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алю­миния, приближаясь к твердотянутой меди σ_p = 350 МПа);

- сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному электрическому сопротивлению (ρ = 0,0317 мкОм·м);

- более высоким пределом вибрационной прочности по сравне­нию с чистым алюминием.

Применяется для изготовления проводов малонагруженных ли­ний электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плот­ностью. Применяется для изготовления стрелок различных элект­рорадиотехнических приборов.

9. Манганин: состав, свойства и применение.

Манганин - сравнительно пластичный сплав, получивший свое название из-за содержания в нем марганца (от лат. manganum). Его примерный состав: медь Cu - 85% (большое содержание меди при­дает сплаву желтоватый цвет), марганец Мn - 12%, никель Ni - 3%.

Для обеспечения малого значения температурного коэффициен­та удельного электрического сопротивления ТКρ и стабильности удельного электрического сопротивления ρ манга­нин подвергают отжигу в вакууме при температуре примерно 550...600°С в течение 10 ч с последующим медленным охлаждени­ем. Иногда дополнительно отжигают намотанные катушки при тем­пературе 200°С.

После прокатки и волочения из манганина можно получить про­волоку диаметром до 0,02 мм. При температуре 60°С манганино­вая проволока начинает окисляться, поэтому ее применяют в стек­лянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляци­онными свойствами, повышенной нагрево- и влагостойкостью.

Микропровод используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов, в том числе прецизионных резисторов больших номиналов.

К недостаткам манганинового микропровода относят невысокую воспроизводимость характеристик и пониженную гибкость из-за хрупкости стеклянной изоляции.

10. Константан: состав, свойства и применение.

Константан представляет собой твердый раствор никеля и меди, получивший свое название за высокое постоянство удельного электрического сопротивления ρ (константа) при изме­нении температуры. Вредной примесью для константана является сера S, образующая с никелем эвтектику с низкой температурой плавления. При этом связь между зернами сплавляемых компонен­тов нарушается, и переработка слитков в проволоку становится не­возможной. Эвтектика способствует развитию межкристаллитной коррозии. Для устранения вредного влияния серы в состав сплава вводят марганец. После гомогенизации константановые слитки подвергают прокатке и волочению и протягивают в проволоку ди­аметром до 0,02 мм. Ориентировочный состав константана: медь Cu - 58,5%, никель Ni - 40%, марганец Мn - 1,5%.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина, предель­но допустимая температура при длительной работе достигает 500°С. При нагревании до высоких температур (примерно 900°С) константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, ре­зисторов и электронагревательных элементов без специальной межвитковой изоляции. Однако в паре с медью константан создает срав­нительно высокую термоЭДС, что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Но это же свойство константана позволяет использовать его в паре с ме­дью или железом для изготовления термопар. Константан приме­няют для изготовления потенциометров, гасящих резисторов.

Широкому применению константана препятствует его повышен­ная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.

К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования: высокое удельное электрическое сопротивление ρ, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, дли­тельная работа на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше), технологичность, невысокая стоимость и доступность компонентов.

 

11. Серебро: свойства и применение.

Серебро – белый блестящий металл со следующими свойствами:

- самый электропроводный металл (удельное электрическое сопро­тивление при нормальной температуре ρ = 0,016 мкОм·м);

- имеет высокие механические свойства (предел прочности при ра­стяжении σ_р = 200 МПа, относительное удлинение при разрыве ∆ l/l примерно 50%), что позволяет промышленно изготавливать про­водники различного диаметра, включая микропровода диаметром 20 мкм и менее;

- при вжигании или напылении образует прочные покрытия на диэлектриках;

- при повышенных температурах и влажности атомы серебра миг­рируют по поверхности и внутрь диэлектрика, вызывая нарушение работы устройства;

- химическая стойкость ниже, чем у других благородных металлов;

- образует окислы с высокой электропроводностью;

- образует пленки сернистых соединений Ag₂S с повышенным удельным сопротивлением, что требует защиты серебряных покрытий лака­ми или тонким слоем более стойкого металла, например палладия;

- остродефицитный материал.

Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в ап­паратуре разных мощностей. Высокие значения удельных теплоем­кости, теплопроводности и электрической проводимости серебра обес­печивают по сравнению с другими металлами наименьший нагрев кон­тактов и быстрый отвод теплоты от контактных точек. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики, в качестве электродов, в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этого применяют метод вжигания или испарения в вакууме. Серебром покрывают внутренние поверхности волноводов для получе­ния слоя высокой проводимости. С этой же целью серебрению подвер­гают проводники высокочастотных катушек. Ag входит в состав при­поев.

 

12. Вольфрам: свойства и применение.

Вольфрам – светло-серый металл, который обла­дает следующими свойствами:

- наиболее высокая температура плавления;

- очень большая плотность;

- наименьшее значение температурного коэффициента линейно­го расширения ТК l изо всех чистых металлов, применяемых в ваку­умной технике;

- сравнительно дорог, с трудом обрабатывается и поэто­му применяется только там, где его нельзя заменить.

Сравнительно толстые вольфрамовые изделия с мелкокристал­лической структурой очень хрупкие вследствие высокой прочнос­ти отдельно взятых кристаллов при очень слабом их сцеплении меж­ду собой.

Волокнистая структура металла, создаваемая ковкой и волоче­нием, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых может быть менее 10 мкм. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп на­каливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н.Лодыгиным в 1890 г.

Это свойство используют при изготовле­нии термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами. Основная область применения вольфрама - изготовле­ние нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и косвен­ного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок, размыкающих контактов реле, испарителей для нанесения в вакуу­ме тонких пленок различных материалов. Для контактов с больши­ми значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы на основе порошка вольфрама.

 

13. Легкоплавкие металлы: свойства и применение.

К легкоплавким металлам относятся металлы, у которых температура плавления не более 500˚С. Основные их параметры приведены в таблице 2.7.

Галлий Ga. Галлий – металл, который плавится почти при комнатной тем­пературе.

Применяют галлий в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия, он входит в состав низкотемпературных припоев. Сплавы индия с галлием с температурой плав­ления ниже комнатной используют как жидкие проводниковые ма­териалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы, а также в качестве жидкого кон­такта в установках шовной контактной сварки при герметизации корпусов микросхем.

Индий In. Индий – серебристо-белый металл с низкой температурой плав­ления.

Используется в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых при­боров, а также входит в состав низкотемпературных припоев и жид­ких токопроводящих контактов (например, в установках шовной контактной роликовой сварки).

Олово Sn. Олово – серебристо-белый металл, имеет ярко выраженное круп­нокристаллическое строение. Он обладает следующими свойствами:

- при изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга;

- при нормальной температуре олово на воздухе не окисляется;

- под действием воды не изменяется;

- разведенные кислоты действуют на олово медленно;

- устойчиво при температуре выше 13,2°С.

Олово, кристаллизующееся в тетрагональную систему с плотностью 7310 кг/м³, называют белым оловом. Белое олово обладает сле­дующими свойствами:

- предел прочности изменяется от 16 до 38 МПа;

- при низких температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение второй модификации серого олова с плотностью 5600 кг/м³), которые называют оловянной чумой;

- при нагревании серое олово снова переходит в белое;

- если нагреть олово до температуры выше 160°С, то оно перехо­дит в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким.

Олово является мягким, тягучим металлом, из которого в результате прокатки получают тонкую фольгу. Для облегчения прокатки и улучшения механической прочности в олово вводят присадки (до 15% свинца и до 1% сурьмы). Тонкую оловянную фольгу (6...8 мкм) с присадками применяют в производстве некоторых типов конден­саторов. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20...40 мкм приме­няют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.

Кадмий Cd. Кадмий – серебристо-белый металл, являющийся постоянным составным элементом цинка в его рудах и добываемый как побоч­ный продукт при получении цинка. Как и цинк, кадмий подверга­ется электролитической очистке. Наиболее чистый металл содер­жит 99,997% кадмия. Он входит в состав ряда припоев и бронз.

Применяется для изготовления фотоэлементов, покрытий СВЧ волноводов вместо серебра, гальванических элементов, а также в атомных реакторах в качестве замедлителя.

Свинец Рb. Свинец – мягкий металл сероватого цвета с высоким удельным электрическим сопротивлением и крупнокристаллическим строением. Его кристаллы становятся видны при протирании азотной кислотой даже невооруженным глазом. Он обладает следующими свойствами:

- на свежем срезе имеет сильный металлический блеск, но быстро тускнеет на воздухе вследствие поверхностного окисления;

- высокая пластичность;

- низкая прочность (предел прочности при растяжении σ_р пример­но 14 МПа при относительном удлинении ∆ l/l более 55%);

- высокая коррозионная стойкость (свинец не пропускает воду);

свинец и его соединения ядовиты.

Благодаря высокой коррозионной стойкости свинец в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, за­щищающих кабель от влаги. Его используют также для изготовле­ния плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и как материал, поглощающий рентгеновские лучи.

Цинк Zn. Цинк – пластичный металл светлого цвета, который обладает следующими свойствами:

- при нормальной температуре сравнительно стойкий к коррозии;

- при нагревании до температуры 200°С становится хрупким.

Получают металлургическими методами с последующей электро­литической очисткой. Высокоочищенный металл содержит 99,99% цинка.

Цинк применяют в качестве защитного покрытия для других металлов (например, железа), в фотоэлементах, а также для метал­лизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят в процессе испарения цинка в вакууме при температуре примерно 600°С.