1. Физико-химические и потребительские свойства радиоматериалов

В ещество есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул. Материал - один из видов вещества, идущий на изготовление изделий. Вещество характеризуется исключительно химическим составом и массой. К веществу не предъявляются специальные требования по внутренней структуре. Примеры веществ: сталь, медь, кремний. Материал - промежуточный продукт переработки вещества в изделия, отвечающий потребностям конкретного производственного процесса и имеющий сложный химический состав, наперед заданную внутреннюю структуру и внешнюю форму. Примеры материалов: стальной прокат, медная фольга, монокристалл кремния. Материалы являются вещественной основой радиоэлектронных систем (РЭС).

Д

Рис. 1.1. Классификация основных свойств материалов

ля обеспечения интенсивного развития науки и техники необходимо все более глубокое изучение свойств материалов. Все свойства разделяют на физико-химические и потребительские [1,10] (рис. 1.1).

Физико-химические свойства радиоматериалов делятся на функциональные и технологические [1]. Функциональными называют свойства, определяющие пригодность материала для создания изделий высокого качества. В зависимости от принципы действия радиоэлектронной аппаратуры и ее назначения функциональные свойства делятся на электрические, механические, теплофизические, оптические, химические и магнитные.

Свойства, характеризующие поведение материала при обработке, называются технологическими. В зависимости от методов обработки (механическая, термическая, химическая, электрохимическая и т.п.) большое значение приобретают такие свойства, как твердость, пластичность, стойкость в химически агрессивных средах, пределы растворимости легирующих примесей и др.

Деление свойств и характеристик на функциональные и технологические во многом условно. Так, точка плавления (размягчения) может определять допустимую рабочую температуру прибора, то есть быть функциональной характеристикой и в то же время служить важным показателем обрабатываемости материала, особенно термическими методами.

Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение, когда в нем возникают внутренние напряжения. Количественная мера внутренних напряжений - нагрузка, отнесенная к площади поперечного сечения, а деформаций - относительное увеличение или уменьшение размеров. Способность материала противостоять разрушению называется прочностью, а его способность сопротивляться деформациям - жесткостью.

Достаточная прочность - важнейшее требование к конструкционному материалу. Однако во многих случаях работоспособность изделия определяется не прочностью материала, а его жесткостью. Жесткостью должны обладать несущие платы и каркасы радиоэлектронной аппаратуры, которые подвергаются длительным нагрузкам.

При конструировании радиоэлектронной аппаратуры важно иметь в виду, что источником внутренних напряжений могут быть не только внешние нагрузки, но и целый ряд других причин, таких как:

физико-химические процессы, происходящие в самом материале, - сушка, полимеризация, фазовые превращения;

температурные градиенты, возникающие в процессах получения материала, например при образовании кристалла, термообработке, термическом отвердении полимеров;

изменение температуры многослойных структур, состоящих из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР).

Именно эти скрытые источники внутренних напряжений представляют нередко большую угрозу для компонентов радиоэлектронной аппаратуры, изготовленных в виде микросборок, интегральных схем и для печатных плат. Отрицательное влияние механических напряжений состоит не только в том, что элементы конструкции могут разрушаться, но и в появлении дефектов, которые могут быть причиной деградации прибора. Особенно чувствительны к деформациям полупроводниковые диоды и транзисторы.

Наиболее распространенным для конструкционных материалов является испытание на растяжение. Это объясняется тем, что при многих видах деформаций: сжатии, кручении, изгибе - происходит также и растяжение, которое и в этих случаях играет определяющую роль.

Все материалы делятся на хрупкие и пластичные (вязкие). Совершенствуют их по-разному: у хрупких материалов - обеспечивают возможность пластического течения, чтобы уменьшить роль концентраторов напряжений и предупредить внезапное разрушение; у вязких - ограничивают движение дислокаций, чтобы поднять предел пропорциональности. Хотя возможности прогресса в этих направлениях во многом уже исчерпаны, даже небольшие сдвиги дают большие эффекты вследствие массовости применения конструкционных материалов.

Перспективным является сочетание в одном материале ценных качеств, присущих хрупким и пластичным материалам - создание композиций, то есть смесей двух специально подобранных разнородных материалов, один их которых - матрица (непрерывная фаза, играющая роль пластичного связующего), а другой - твердый наполнитель, повышающий разрывную прочность. Поиск композиций, их изучение, производство и применение стремительно расширяются, обеспечивая не только экономию дефицитных металлов, но и снижение массы конструкций.

К числу механических свойств относится твердость. Различают статическую твердость на вдавливание (сопротивление пластической деформации при статических нагрузках), динамическую твердость (твердость при динамических нагрузках).

Среди теплофизических свойств материалов наибольшее значение имеют:

1. Теплопроводность - способность отводить тепло, выделяющееся при работе радиокомпонента.

Известны три способа теплопередачи: излучение (без контакта источника тепла), конвекция и теплопроводность (контактные способы) (рис. 1.2).

М

Рис. 1.2. Виды теплопередачи

икрочастицы твердого тела участвуют в теплопроводности согласованно: при повышении температуры какого-либо участка возрастает амплитуда их колебаний относительно равновесных положений. За счет сил химических связей увеличивается также и амплитуда колебаний соседних микрочастиц, что эквивалентно передаче тепла в менее нагретую область. Такую теплопроводность называют фононной.

В полупроводниках, и особенно в металлах, вклад в теплопроводность вносят также свободные электроны (электронная теплопроводность), а при высокой температуре во всех веществах возможен и фотонный перенос тепла излучением. За счет вклада электронов проводимости теплопроводность металлов и полупроводников выше, чем у диэлектриков. Исключение составляют два диэлектрика - алмаз, отличающийся тем, что это чисто ковалентный кристалл, и оксид бериллия ВеО.

2. Тепловое расширение. Характеристикой теплового расширения является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) , [К^-1]:

 = dl/ldT . (1.1)

Чем больше сила связи между частицами твердого тела, тем выше . Поэтому материалы с сильной ковалентной связью (алмаз, кремний) имеют низкое значение  = (3 - 5)10^-6 К^-1, тогда как для полимеров характерны  = (3 - 7)10^-5 К^-1.

3. Устойчивость к воздействию повышенных температур.

Нагревостойкость материала - способность материала противостоять нагреву. Для веществ, не имеющих точки плавления (стекла, полимеры), под нагревостойкостью материала понимают его свойство сохранять без изменений химический состав и структуру молекул при повышенных температурах.

Стойкость к термоударам - способность хрупких материалов (керамики и стекол) выдерживать без нарушения резкие смены температур. Все металлы, поскольку они имеют высокую теплопроводность и прочность, обладают высокой стойкостью к термоударам. Среди керамик и стекол преимущество в этом отношении имеют плавленый кварц,  которого необычно мал (=0,510^-6 К^-1), и бериллиевая керамика - брокерит, имеющая высокую теплопроводность.

Знакомство с материалами начинается с внешнего осмотра, оценки простейших оптических свойств. Эти свойства специфичны, а глаз - совершенный инструмент, благодаря чему объем информации оказывается весьма существенным. С другой стороны, электромагнитная природа света тесно связывает между собой оптические и электрические свойства. Если использовать оптические приборы, то можно получить обширную количественную информацию как об оптических, так и об электрических свойствах. Взаимодействие света с веществом характеризуется пропусканием, отражением, преломлением (рис. 1.3).

П

Рис. 1.3. Взаимодействие света с веществом

розрачность материалов, характеризуемая светопропусканием и зависит прежде всего от природы материала, то есть пространственного распределения электронов. Диэлектрики прозрачны в видимом свете потому, что проходящий сквозь них свет может вызывать лишь колебания связанных в атомах электронов, не сопровождающиеся потерями световой энергии. Напротив, металлы практически непрозрачны. Световая энергия в них расходуется на повышение скорости хаотического движения свободных электронов, то есть превращается в тепло.

Количественной мерой поглощения света служит коэффициент поглощения К, равный обратному значению расстояния, на котором интенсивность света J падает в е раз. Совершенно прозрачной средой является вакуум, для него К = 0. Абсолютно непрозрачных тел не существует, поэтому значение К ограничено с верхней стороны: даже для металлов К < 10⁵. Это означает, что в очень тонком слое прозрачным может быть любой материал (серебро и золото прозрачны в пленке толщиной 5 - 10 нм).

Изучение и использование совместно оптических и электрических свойств материалов лежит в основе оптоэлектроники. Кроме того, снятие спектров поглощения служит удобным и точным методом исследования строения диэлектриков и полупроводников.

Любой материал имеет определенный цвет. Цвет непрозрачных материалов (металлов и большинства полупроводников) обусловлен зависимостью поглощения от длины волны. Цвет прозрачных материалов (диэлектриков и некоторых полупроводников) определяется либо шириной запрещенной зоны, либо видом и концентрацией примесей, образующих центры окрашивания. Непрозрачные материалы, в первую очередь металлы, характеризуются отражательной способностью. Электромагнитная теория твердого тела трактует, что чем лучше материал проводит ток, тем полнее он отражает свет. Количественно отражательная способность описывается коэффициентом отражения R:

R = J_ОТР/J_{0 ,} (1.2)

где J_ОТР - интенсивность отраженного излучения, J₀ - интенсивность падающего света. Так, для алюминия R = 0.8 - 0.9, для хрома - 0.6, для серебра - 0.9, для золота - 0.6. Коэффициент отражения зависит от длины волны света.

Свойство прозрачных и непрозрачных материалов специфически отражать падающий свет называется блеском. Блеск прозрачных и полупрозрачных тел зависит от показателя преломления, а непрозрачных - от коэффициента поглощения. Для блеска не существует численных параметров, и его оценивают по условной шкале, в основу которой положены эталоны.

Природа материалов зависит от пространственного распределения электронов (электрических свойств). Энергетический спектр электрона в вакууме является непрерывным. Электроны в изолированном атоме уже не могут обладать любыми значениями энергии. Энергия их вращательного движения квантована, то есть может изменяться лишь порциями и приобретать некоторые строго определенные значения. Низшие разрешенные энергетические уровни электроны занимают лишь при Т = 0 К, а при повышенных температурах возможен их переход на более высокие уровни. О таком атоме говорят, что он возбужден. Обратный переход атома в невозбужденное состояние сопровождается выделением энергии в виде тепла или света.

Взаимодействие атомов при образовании кристалла приводит к тому, что вместо отдельных уровней на шкале энергий образуются зоны - уровни расщепляются (группируются) в зоны (рис. 1.4, а). Количество уровней в каждой зоне настолько велико, что энергетический спектр в ней можно считать непрерывным. Как и в атоме, в кристалле идеальный порядок возможен только при Т= 0 К, когда все низшие энергетические уровни и валентная зона заняты (полупроводник, диэлектрик), а у металлов, валентная зона занята лишь ч астично. Большинство свойств материалов, включая электрические, зависят лишь от тех электронов, которые находятся в валентной зоне. У металлов эта зона не заполнена и электроны могут повышать энергию под действием электрического поля. Таким образом, металл - проводник и при 0 К.

В

Рис. 1.4, а - расщепление уровней в зоне при

сближении атомов в кристалле, б - схема

энергетических уровней полупроводников и

диэлектриков

полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны энергетическим промежутком, называемым запрещенной зоной - интервалом энергий, которыми не могут обладать электроны. Ширина запрещенной зоны Е_g - минимальная энергия, отделяющая валентную зону от ближайшей энергетической зоны, где имеются пустые уровни, от зоны проводимости. Следовательно, в полупроводниках и диэлектриках электрон становится носителем тока, только преодолев запрещенную зону, то есть получив дополнительную энергию. Самым универсальным источником ее является тепло. Полупроводники становятся диэлектриками при Т= 0 К, и в этом их принципиальное отличие от металлов. Количество тепла, необходимого для преодоления запрещенной зоны, равно ее ширине.

По ширине запрещенной зоны материалы делятся на три класса [10]:

• проводники (Е_g = 0),

• полупроводники (0,1 < Е_g < 3,0 эВ),

• диэлектрики (Е_g > 3,0 эВ).

Носителями зарядов в металлах и полупроводниках являются свободные электроны, в диэлектриках - слабосвязанные ионы. Концентрация носителей в металлах очень высока и достигает n = 10²¹ - 10²² см^-3. Подвижность носителей, в отличие от концентрации является качественной характеристикой, которая характеризует способность электронов и ионов транспортировать ток. Даже одни и те же носители зарядов в разных материалах по-разному реагируют на электрическое поле. Кроме того, в одном и том же материале поведение носителей зависит от концентрации примесей, структурных дефектов, температуры [6,10]. Величиной, характеризующей упорядоченное движение носителей заряда в веществе, является подвижность , которая представляет собой скорость v, приобретаемую свободным электроном или ионом в электрическом поле единичной напряженности E:

 = v/Е. (1.3)

Подвижность носителей в одном том же материале может изменяться в тысячи раз, но наиболее характерные ее значения для металлов - десятки, для полупроводников - тысячи см²/(В·с). Подвижность ионов в диэлектриках гораздо ниже:  = 10^-2 - 10^-7 см²/(Вс).

Подвижность носителей зарядов  и концентрация n взаимосвязаны следующим соотношением:

 = n  е , (1.4)

где e - заряд электрона,  - объемная удельная электрическая проводимость. Объемную удельную электропроводимость определяют как величину, обратную сопротивлению R куба материала со сторонами 1 см, к противоположным граням которого приложено напряжение:

R = (1/) (l/S), (1.5)

где l - длина стороны куба, S - площадь поперечного сечения граней.

Для характеристики электропроводности материалов часто используется величина, обратная удельной проводимости - удельное электрическое сопротивление  = 1/. В обычных условиях (при Т  300 К) удельные сопротивления материалов разных классов находятся в пределах 1,610^-6 Омсм (серебро) - 10²⁰ Омсм (фторопласт).

Потребительские свойства радиоматериалов вытекают из физико-химических и являются их следствием [1]. Так, малотехнологичный радиоматериал непременно будет дорогим.