Материалы высокой проводимости. Медь

Медь в электронике применяют для изготовления проводов, кабелей, шин, токоведущих деталей приборов, анодов, обмоток трансформаторов, магнетронов, волноводов, резонаторов. В микроэлектронике для изготовления фольгированного диэлектрика - гетинакса для производства печатных плат.

Преимущества – малое удельное сопротивление (ещё меньше только у Ag), а также

- высокая механическая прочность,

- относительно высокая теплопроводность,

- удовлетворительная стойкость к коррозии,

- хорошая обрабатываемость (может быть изготовлена проволока толщиной тысячные доли мм),

- относительная лёгкость пайки и сварки.

Получение: - переработка сульфидных руд → черновая медь → электрорафинирование → катоды весом 80-90 кг.

Методом холодной протяжки получают твердотянутую медь (марка МТ). Имеет высокий предел прочности при растяжении, малое относительное удлинение, твердость и упругость при изгибе (пружинит).

Отожженная медь (нагрев до нескольких сот °С) с последующим охлаждением (марка ММ) – пластична, имеет меньшую прочность, твердость, более высокую удельную проводимость. Стандартная отожжённая медь имеет =0,017241 мкОм·м

Наиболее распространены в стране марки меди М1 и МО. М1 содержит 99,9% Cu, кислорода должно быть не больше 0,08%. О₂ – вредная примесь в Cu. Ухудшает механические свойства, затрудняет пайку и лужение. При [O₂]>0,1% при горячей обработке давлением Cu разрушается.

Марка МО – 99,95% Cu, кислорода должно быть не > 0,02%. Она имеет лучшие механические свойства.

Бескислородная медь, содержит 99,97% Cu – получают переплавкой в восстановительной атмосфере СО (О₂+2СО→2СО₂). Используется в электровакуумной технике.

Ещё более чистая – вакуумная медь, выплавленная в вакуумных индукционных печах при остаточном давлении газа ~ 10^-3 Па. Содержит 99,99% Cu. Основное преимущество – высокая пластичность, такое же, как у отожженной меди.

Свойства меди: удельная проводимость меди сильно зависит от примесей:

0,5% Zn, Cd, Ag уменьшают проводимость на 5%. Ni, Sn, Al уменьшают проводимость на 25-40%. Be, As, Fe, Si, P уменьшают проводимость на 55% и больше.

Коррозионная стойкость сильно уменьшается с повышением температуры (окисные и сульфидные плёнки). Из-за этого медь непригодна для слаботочных контактов. Сильно ухудшает механические свойства Cu примесь водорода (в несколько раз), особенно если в Cu есть кислород в виде Cu₂O:

Cu₂O+H₂=2Cu+H₂O

Присутствие воды обеспечивает повышение давления за счет парообразования до нескольких тысяч атмосфер, что приводит к микротрещинам и хрупкости меди. Это называются водородной болезнью. При наличии в Cu водорода он и сам способен выделяться из твердого раствора с медью под большим давлением, разрывая металл и скапливаясь на границах зерен.

Алюминий

Применение: в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений. Последние дают связь между элементами схемы и обеспечивают внешние присоединения. Наносят испарением в вакууме. Рисунок выполняется с помощью фотолитографии. Имеет хорошую адгезию к Si и SiO₂. Даёт хорошие омические контакты с Si.

Дает хорошее разрешение при фотолитографии. Недостаток - подвержен электромиграции, что может приводить к увеличению электрического сопротивления межсоединений.

Сравнение Al с Cu: плотность Al в 1,6 раза больше чем у Cu, но Al в 3,5 раза легче, то есть при одинаковой проводимости Al в 2 раза легче Cu, а также дешевле. Прочность на разрыв в 3 раза меньше Cu. При температуре ниже жидкого азота проводимость Al выше, чем у Cu.

Получают: электролизом глинозема Al₂O₃ в расплаве криолита Na₂AlF₆ при 950˚С.

Марки Al. Для электротехнических целей АЕ (0,5% примесей) технической чистоты. Отожженная проволока АЕ имеет .

Al высокой чистоты А 97 (0,03% примеси) используют для изготовления фольги (6-7 мкм), электродов, конденсаторов электролитических.

Al особой чистоты А 999 (0,001% примеси).

Примеси увеличивают электрическое сопротивление. Так 0,5% Ni, Si, Zn, Fe, As, Sb, Pb, Bi увеличивают сопротивление на 2-3%. 0,5% Cu, Ag, Mg увеличивают сопртивление на 5-10%.V, Ti, Mn увеличивают сопртивление еще больше.

Перспективен Al как криопроводник (лучше Cu). Поверхность Al покрыта тонкой окисной пленкой с большой плотностью. Пленка предохраняет от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах электрических контактов. Это делает невозможным пайку Al без использования специальных паст, припоев или УЗ-паяльников. Иногда электрохимической обработкой увеличивают толщину пленки для повышения изоляции. Пленка толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение 100 В, а толщиной 0,04 мм примерно 250 В. Это позволяет делать катушки без дополнительной изоляции. Правда пленка имеет плохую гибкость и гигроскопична. Места контакта Al и Cu подвержены сильной гальванической коррозии, особенно в присутствии воды (алюминиевый проводник может быть разрушен). Поэтому места контакта с Cu защищают от воды лаком.