1.3. Проводниковые материалы.
Свойства и функции.
Воздействие на электропроводность проводниковых материалов (ПМ).
Материалы высокой проводимости: медь, алюминий, серебро, золото; область применения.
Материалы высокого сопротивления: сплавы меди и марганца, меди и никеля, хрома и никеля; область применения.
Сплавы для тонкопленочных резисторов. Проводниковые пасты. Припои.
Сверхпроводящие материалы.
Литература [1, 7, 13, 46, 57 - 59].
Электрические характеристики полупроводниковых материалов оцениваются величиной объемной удельной электропроводности у или объемного удельного электрического сопротивления, определяемой, как правило, при нормальной температуре. Удельная электропроводность в общем случае зависит от концентрации электронов n, участвующих в проводимости, средней длины свободного пробега электронов - i и средней скорости теплового движения и :
Наибольшей электропроводностью обладают Ag, Сu, Аu и Аl, у которых n=1028m−3. Увеличение температуры n увеличивает незначительно, т.к. увеличивается ū и уменьшается Ī.
Подвижность уменьшается при появлении любых дефектов структуры, а также при наличии в решетках металла атомов других элементов, т.е. образовании твердых растворов.
Чистые металлы более чувствительны к температуре, поэтому используются в качестве термосопротивлений, а их твердые растворы Cu-Ni, Cu-Ni-Mn, Ni-Cr и другие — в качестве высокостабильных образцовых сопротивлений.
Все металлические ПМ делят на металлы высокой проводимости (ρπ 0,05мкОм · м), сплавы высокого сопротивления (ρф 0,ЗмкОм · м) и сверхпроводниковые материалы, имеющие чрезвычайно малое р.
По механизму прохождения тока выделяют ПМ с электронной электропроводностью (проводники первого рода) и проводники (электролиты, растворы кислот, щелочей и солей), прохождение тока через которые связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов вещества в соответствии с законом Фарадея (проводники второго рода).
Наибольшая проводимость наблюдается у Ag (ρ = 1,585·10 −8Ом·м при 20 °С); следующие в ряду - Сu (ρ = 1,673 ·10 −8 Ом· м) Аu (ρ = 2,084 • 10 −8 Ом·м) и А1 (ρ = 2,691·10-8 Ом·м). Электропроводность Сu определяется уровнем примесей. Применяют Сu марок МООб, МОб, Ml б (бескислородная), раскисленную М1р, М2р, МЗр, рафинированную М2, МЗ и некоторые другие сорта. В микроэлектронике используют медь, переплавленную в электронно-лучевой установке (МЭ), с содержанием 99,999 % Си по массе. Медь широко используется как в проводах, так и в виде фольги толщиной 5, 18, 50, 70, 105 мкм (чистота 99,5 %, высота микронеровностей 0,4 - 0,5 мкм).
Алюминий второй после меди проводниковый материал. По ГОСТ 11069-74 различают алюминий особо чистый А999, высокой чистоты А995-А95 и технической чистоты А85-АО. В микроэлектронике используют А999.
Серебро марок Ср999,9 и Ср999 используют в слабонагруженных контактах, в припоях и СВЧ-технике. Золото марок Зл999,9 и Зл999 в качестве микропроволоки и фольги применяются в интегральных микросхемах.
Материалы высокого сопротивления используют в ЭС при изготовлении образцовых резисторов, реостатов, нагревательных элементов в составе термопар (константан). Наибольшее распространение получили манганин (Cu-Mn-Ni), константан (Cu-Ni) и хромоникелевые сплавы. Нихром (Х20Н80) широко используется в микроэлектронике.
К проводниковым материалам относят и припои, которые предназначены для электрического и механического соединения проводников. Припои делят на две группы: мягкие, с температурой плавления до 300 °С и твердые, с температурой плавления свыше 300 °С. Предел прочности на разрыв у мягких 16 - 100 МПа, а у твердых 100 - 500 МПа. В припои входят различные компоненты: олово - О, свинец - С, серебро - Ср, палладий - Пд, медь - М, германий - Г, висмут - В, титан - Т, сурьма - Су, алюминий - А, никель - Н, индий - Ин, золото - Зл, кремний - Кр, кадмий - К.
Для тонкопленочных резисторов ИС (толщина резистивных пленок 0,01 - 0,1 мкм) используются тугоплавкие металлы и сплавы, композиционные материалы (силициды керметы), а также двуокись олова SnO2. Это хром, тантал, рений, нихром, кремниевые резистивные пленки (Si-Cr-Ni-Fe) марок PC 4800, PC 3710, PC 300, PC 1714 и др.; металосилицидные сплавы МЛТ (Si-SiO2-Fe-Cr-Ni-Al-W).
Для толстопленочных резисторов (толщина 10-20 мкм) используют серебропалладиевые и рутениевые пасты. Это дорогие пасты, поэтому разработаны более дешевые резистивные пасты на основе полупроводниковых оксидов ( SnO2 + SbO2, Te2O2).
Сверхпроводимость - эффект внезапного скачкообразного исчезновения электрического сопротивления постоянному электрическому току проводящего материала при охлаждении его до критической температуры сверх проводимости Тсп =0...82 0К. Удельное электрическое сопротивление сверхпроводников достигаетвеличины 5·10-24 Ом·м. Эффект сверхпроводимости наблюдается почти у половины элементов таблицы Менделеева и отсутствует у благородных металлов (Ag, Аu, Pt), металлов с высокой проводимостью (Сu, Rh), кроме А1 и Pd и у переходных металлов группы железа (Cr, Mn, Fe, Co, Ni), обладающих ферромагнетизмом.
Вопросы для самопроверки
1. Определение ПМ. Классификация.
2. Факторы, влияющие на электропроводность ПМ.
3. Определение ТКС.
4. Основные характеристики Си и А1 как ПМ.
5. Обмоточные и монтажные провода.
6. Классификация и характеристики припоев.
7. Характеристики материалов для резисторов ИС.
8. Определение сверхпроводимости. Основные сверхпроводящие материалы и их характеристики.
9. Определение криоэлектроники. Криоэлектронные приборы.
10.Констактан. Нихром. Манганин. Свойства и характеристики.
Литература [1, 2, 14, 57-59]