2. Классификация материалов, применяемых для изготовления элементов радиоэлектронных систем

Материалы электронной техники бывают [1,2,10,16]:

1. Радио- и электротехнические:

а) слабомагнитные (диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые);

б) сильномагнитные (проводящие, полупроводящие, непроводящие).

2. Конструкционные и специальные.

Все радиоматериалы по электропроводности (способности материалов проводить электрический ток) делятся на полупроводниковые, проводниковые, диэлектрические.

2 .1. Полупроводниковые материалы [6,8,10,16]. Важнейшая роль полупроводников в радиоэлектронике обусловлена прежде всего тем, что они служат основой активных полупроводниковых приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один вид энергии в другой. Эта группа материалов по своей способности проводить электрический ток занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным свойством полупроводников является очень сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности). Используемые в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на группы (рис. 2.1).

П

Рис. 2.1. Классификация

полупроводниковых материалов

ростых полупроводников существует около десяти: бор (B), кремний (Si), германий (Ge), фосфор (P), мышьяк (As), сера (S), селен (Se), теллур (Te), йод (I). Для современной техники особое значение имеют германий, кремний и селен. Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения, соответствующие общим формулам A^IVB^IV (SiC), A^IIIB^V (InSb, GaAs), A^IIB^VI (CdS, ZnSe), а также некоторые окислы (Cu₂O) и вещества сложного состава.

К многофазным полупроводниковым материалам можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния, графита, сцепленных специальной керамической связкой.

2.2. Проводниковые материалы [1,8,10,16] - материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение обусловлено в основном этим свойством. Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают:

1. Материалы, обладающие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей, проводящих соединений в микросхемах, обмоток, трансформаторов, волноводов.

2. Металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые применяют в электронагревательных приборах, лампах накаливания, резисторах.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состоянии обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводимостью, проводниками первого рода.

Электролитами, или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов) в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукт электролиза.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако если напряженность поля выше некоторого критического значения, обеспечивающего начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой равновесную проводящую среду, называемую плазмой.

Технические проводниковые материала подразделяются на [10,16]:

1. Проводниковые материалы высокой проводимости. К наиболее распространенным материалам этой группы относятся медь и алюминий. Малое удельное сопротивление меди (Сu), достаточно высокая механическая прочность, удовлетворительная стойкость к коррозии, хорошая обрабатываемость обеспечивает ей широкое применение в качестве проводникового материала. В некоторых случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяют ее сплавы, содержащие небольшое количество олова, кремния, фосфора и т.д. Такие сплавы, называемые в практике бронзами, при правильном подобранном составе обладают более высокими механическими свойствами, чем медь. Бронзы широко применяют для изготовления токоведущих пружин. Латуни - сплавы меди с цинком и другими добавками - обладают достаточно высоким относительным удлинением по сравнению с чистой медью, что обеспечивает латуни технологическое преимущество по сравнению с медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой. Поэтому латунь применяют в радиоэлектронике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

Вторым по значению (после меди) проводниковым материалом является алюминий (Аl). Алюминий в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди. Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой пленкой окиси с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами. Оксидная изоляция весьма прочна механически и нагревостойка. Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной межвитковой и междуслойной изоляции. Недостатком оксидной изоляции проводов является ее ограниченная гибкость и заметная гигроскопичность. Наибольшее применение оксидная изоляция получила в электролитических конденсаторах.

2. Металлы и сплавы различного назначения. Учитывая температуру плавления, общность некоторых характеристик, а также области применения данный тип материалов можно подразделить следующим образом:

1. тугоплавкие металлы,

2. благородные металлы,

3. металлы со средним значением температуры плавления,

4. металлы с невысокой и низкой температурой плавления,

5. припои.

К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления Т_ПЛ  1700 ⁰С. Такие материалы химически не активны при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или в вакууме. В плотном виде эти металлы чаще всего получают методом порошковой металлургии - прессовкой и спеканием порошков. Основными тугоплавкими металлами являются вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений.

Одним из важнейших материалов электронно-вакуумной техники является вольфрам. Из него изготавливаются нити ламп накаливания, а также электроды, пружины в электронных лампах, в рентгеновских трубках.

Благодаря высокому удельному сопротивлению вольфрам используется иногда для изготовления бареттеров, то есть приборов, в которых используется зависимость электрического сопротивления от тока, нагревающего помещенную в них проволочку, для поддержания постоянства тока при колебаниях напряжения. Вольфрамовые бареттеры обладают повышенной способностью выносить значительные токовые перегрузки. Вольфрам применяют и для изготовления контактов. В электровакуумной технике применяется также молибден, рений, титан.

Помимо чистых тугоплавких металлов, в электровакуумной технике для арматуры приборов применяют сплавы вольфрама с молибденом, молибдена с рением и т.д. Меняя содержание компонентов, удается получить необходимые механические свойства и пластичность при требуемых электрических и термических свойствах изделия.

К благородным относятся наиболее химически стойкие металлы: золото, серебро, платина, палладий. В электронной технике золото используют как контактный материал, материал для коррозийно-устойчивых покрытий резонаторов СВЧ, внутренних поверхностей волноводов, электродов фотоэлементов. Для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи, используют также серебро. Серебро применяют для непосредственного нанесения на диэлектрик, в качестве электродов, в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Недостатком серебра является его склонность к миграции внутрь диэлектрика, на котором нанесено серебро, в условиях высокой влажности и/или при высоких температурах окружающей среды. По сравнению с другими благородными металлами серебро обладает пониженной химической стойкостью.

Для изготовления термопар, рассчитанных на рабочие температуры до 1600 ⁰С, применяют платину. Вследствие малой твердости платина редко используется для контактов в чистом виде, но служит основой для некоторых контактных сплавов. Наиболее распространенными являются сплавы платины с иридием. Они не окисляются, имеют высокую твердость, малый механический износ, однако дороги и применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую надежность контактов. По ряду свойств близок к платине и часто служит ее заменителем палладий.

Металлы со средним значением температуры плавления, имеющие наибольшее значение в электронной технике - железо, никель, кобальт. При любом применении их в электроаппаратуре и приборах следует иметь в виду, что они ферромагнетики. Кроме того, они обладают повышенным значением температурного коэффициента удельного сопротивления.

Наиболее распространенными в радиоэлектронике металлами с невысокой и низкой температурой плавления (менее 500 ⁰С) являются свинец, олово, кадмий, индий, галлий, ртуть, цинк.

3. Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления образцовых резисторов, реостатов. При этом от проводника требуется возможно большее удельное сопротивление, малая величина температурного коэффициента удельного сопротивления _ и малая величина термо-ЭДС относительно меди. Среди большого числа сплавов для указанных целей наиболее распространенными в практике являются сплавы на медной основе: манганин, константан, хромоникелевые и железо-хромо-алюминиевые сплавы.

Манганин - основной сплав на медной основе для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов. Для получения малого _ и высокой стабильности сопротивления во времени манганин подвергают специальной термической обработке - отжигу при 350 - 550 ⁰С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.

Константан - сплав меди и никеля, хорошо поддается обработке. Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает 400-450 ⁰С. При нагреве до достаточно высокой температуры на поверхности константана образуется пленка окисла, которая обладает электроизоляционными свойствами. Покрытую такой изоляцией константановую проволоку можно мотать плотно, виток к витку, без особой изоляции между витками, если напряжение между соседними витками не превосходит 1 В. Таким образом изготавливают реостаты. Константан в паре с медью или железом дает большую термо-ЭДС. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах: за счет разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-ЭДС, которые могут явиться источником ошибок при измерениях.

Хром-никелевые сплавы (нихромы) используются для изготовления нагревательных элементов, электрических печей, плиток, паяльников. Высокая жаростойкость этого сплава объясняется значительной стойкостью этого сплава к прогрессирующему окислению на воздухе при высоких температурах. Пленки нихрома, нанесенные термическим вакуумным испарением и конденсацией на подложках, нашли применение в микроэлектронике в качестве резисторов в микросхемах.

Железо-хромо-алюминиевые сплавы являются более дешевыми сплавами, применяющимися для электронагревательных устройств и промышленных печей. По сравнению с хромоникелевыми сплавами эти сплавы более тверды и хрупки.

4. Проводящие модификации углерода и материалы на их основе. Среди этих материалов можно выделить резистивные сплавы, содержащие кремний (РС-37-10 и РС-30-01). Они применяются для изготовления тонкопленочных резисторов в микросхемах и для получения тонкопленочных прецизионных резисторов. Многокомпонентные резистивные сплавы, содержащие кремний, железо, хром, никель, вольфрам (МЛТ) также используются для изготовления тонкопленочных, образцовых резисторов. Эти сплавы обладают высокой стойкостью к окислению и воздействию химически активных сред. Пленки сплавов МЛТ различных номеров при толщине в пределах 0,1 - 1 мкм позволяют получить сопротивления R = 100 Ом-200 кОм. В качестве проводящих материалов на основе углерода, которые применяются для изготовления непроволочных линейных резисторов, можно выделить природный графит, сажу, пиролитический углерод, бороуглеродистые пленки.

2.3. Магнитные материалы [1,6,10,16]. Разделение радио- и электротехнических материалов на проводники, полупроводники, диэлектрики было произведено по их способности проводить электрический ток. Однако это свойство материалов не является единственным. В соответствии с магнитными характеристиками различают диамагнитные, парамагнитные и сильномагнитные вещества (в технике их чаще называют магнитными материалами или просто магнетиками).

Диамагнетиками называют вещества с магнитной проницаемостью  < 1 (чаще всего 0.9 - 1) , величина которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся водород, инертные газы, каменная соль и ряд металлов: медь, серебро, цинк, золото, ртуть, галлий и т.д.

Парамагнетики - вещества с  > 1 (чаще всего 1 - 1.1), не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. Из их числа можно выделить кислород, окись азота, соли редких земель, соли железа и т. д.

Магнетиками называют вещества, для которых магнитная проницаемость  >> 1 (достигая порядка 10⁵) и зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся железо, никель, кобальт, ферриты.

Причиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Макроскопическое проявление магнитных свойств материала оказывается заметным при согласованной ориентации элементарных магнитных моментов, которая наблюдается у магнетиков.

Магнитные свойства материала могут выражаться в виде ферромагнетизма, магнитной анизотропии и магнитострикции [10,17].

Магнитные материалы применяются для создания среды с малым магнитным сопротивлением (магнитопроводы, сердечники). По отношению к электрическому току большинство магнитных материалов являются проводниками (чистое железо и сплавы на основе железа), но некоторые из магнитных материалов (ферриты) относятся к полупроводникам и диэлектрикам. Ферриты обладают большим электрическим сопротивлением, что обеспечивает им малые потери при работе в переменном поле и способствует использованию на высоких частотах.

Среди магнитных материалов различают магнитомягкие, то есть легко намагничивающиеся материалы, и магнитотвердые, которые намагничиваются с трудом, но способные длительное время сохранять сообщенную им магнитную энергию (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Классификационная схема магнитных материалов

Магнитомягкие материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используют при изготовлении магнитопроводов (сердечников) в электрических машинах, аппаратах и приборах и в других случаях, когда необходимо при наименьшей затрате энергии получить наибольшую индукцию. Среди магнитомягких материалов могут быть выделены низкочастотные и высокочастотные материалы с повышенным или высоким значением удельного сопротивления. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с высоким значением удельного сопротивления, собирая магнитопроводы из отдельных пластин. К магнитомягким материалам относят железо, магнитодиэлектрики, ферриты и т.д. (рис. 2.2).

Магнитотвердые материалы отличаются от магнитомягких высокой коэрцитивной силой, большими потерями на гистерезис.. Магнитотвердые материалы по применению делят на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи информации и ее хранения (рис. 2.2).

2.4. Диэлектрические материалы [1,10,16] - материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации. В радиотехнике применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 2.3).

Под электроизоляционным материалом понимают диэлектрик, применяемый в технике с целью создания условий, препятствующих нейтрализации электрических зарядов, то есть не допускающих утечки тока. В этом случае его роль чисто пассивна. Среди материалов, используемых для изготовления электрической изоляции, значительное место занимают некоторые типы высокомолекулярных веществ, в том числе органические соединения, содержащие атомы углерода. К ним относятся газы (этилен), жидкости (конденсаторное масло), разнообразные твердые вещества – канифоль, волокнистые материалы (бумага, хлопчатобумажное волокно), каучуки, пластические массы, стекла, керамика (рис. 2.3).

Один и тот же диэлектрический материал можно употреблять и для электрической изоляции, и как диэлектрик в электрическом конденсаторе (слюда, керамика, стекла, полистирольные пленки), но предъявляемые к ним требования имеют существенные различия. Если для электроизоляционного материала желательна меньшая величина относительной диэлектрической проницаемости материала , то для диэлектрика конденсатора  должна иметь большое значение.

В классификационной схеме (рис. 2.3) управляемые диэлектрики подразделены по принципу управления. Особое место занимают электреты - вещества с большой и длительно сохраняющейся остаточной поляризацией; сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, пьезоэлектрики. К диэлектрикам, управляемым светом, и излучающим материалам относятся вещества, обладающие фотоэффектом, люминофоры и активные элементы лазеров. Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физических процессов и генерации колебаний.

Деление всех диэлектрических материалов осуществлено на основе особенностей их строения и особенностей их свойств. К таким особенностям относятся:

• инертная высокополимерная структура материалов - пластмассы,

• высокоэластичное состояние полимерных материалов - эластомеры (каучуки),

• волокнистое строение,

• монокристалличность,

• поликристалличность, стеклообразное состояние (многофазность).

Из-за большого разнообразия применяемых на практике диэлектриков такую классификацию материалов не всегда удается строго выдерживать. В последнее время широкое распространение получили кремнийорганические материалы самого различного строения (жидкости, пластмассы, эластомеры), появились пластмассы с органической связкой и содержащие кварцевые и другие минеральные наполнители, слюдяные материалы, склеиваемые органическими лаками, и т.д. Поэтому классификация электроизоляционных материалов с каждым годом становится все более сложной.

Рис. 2.3. Квалификационная схема диэлектрических материалов