Проводниковые материалы

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Металлы и сплавы с высокой электропроводимостью

К этой группе материалов относят проводники с 1010^-8 Омм. Среди металлов наиболее электропроводным является серебро, у которого при 20С = 1.58510^-8 Омм , медь - = 1.67310^-8 Омм , золото - = 2.08410^-8 Омм, алюминий - = 2.69110^-8 Омм . Серебро и золото применяют в качестве проводников лишь в специальных случаях. Наибольшее распространение имеют проводники из меди, алюминия и их сплавов.

М е д ь обладает следующими достоинствами:

- малым удельным сопротивлением;

- достаточно высокой механической прочностью;

- удовлетворительной в большинстве случаев стойкостью к коррозии;

- хорошей обрабатываемостью;

- относительной легкостью пайки и сварки.

Медь, применяемая в радиоэлектронике, по содержанию химических примесей разделяется на марки М1 (99,90% Cu), МО (99,95% Cu), МООб (99,99% Сu) и др.

Медь МООб не содержит кислорода (бескислородная). Ее получают в вакуумных индукционных печах и она обладает высокой плотностью. Удельная проводимость меди в большой степени определяется количеством и составом примесей. Содержание 0,5 % примеси Zn, Cd, Ag снижает проводимость меди на 5%, Ni, Sn, Al - на 25 - 40%, Be, As, Fe, Si, P - на 55% и более. В то же время присадки многих металлов повышают механическую прочность и твердость меди.

На поверхности меди легко образуются непрочные окисные и сульфидные пленки. Поэтому медь непригодна для слаботочных контактов. При сильных токах происходит термическое разложение окислов меди, что вызывает повышенный износ медных контактов. Значительное влияние на механические свойства меди оказывает водород. Он может вступать в реакцию с кислородом, присутствующим в закиси меди Cu₂O, образуя пары воды. Давление паров воды может достигать несколько тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, придающих материалу хрупкость и ломкость.

Медь применяется для изготовления проводов, кабелей, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов и т.д. Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали приборов СВЧ, аноды мощных генераторных ламп, волноводы, резонаторы, экраны. Медь используют для изготовления фольгированного гетинакса и применяют в микроэлектронике для изготовления проводников и контактных площадок в ГИС.

При отсутствии жестких требований к электропроводимости и необходимости повышенной прочности и стойкости к истиранию используют сплавы меди - латунь и бронзу. В качестве электропроводящих применяют лишь отдельные марки латуней и бронз, обладающих оптимальным сочетанием прочности, упругости, твердости с электропроводностью.

Бронза - это сплав меди с оловом, кадмием, бериллием, алюминием и другими легирующими добавками. В электро-радиотехнике наибольшее применение находят фосфористая, бериллиевая и кадмиевая бронзы.

Кадмиевая бронза обладает хорошей электропроводимостью (на 10% ниже чем у меди), высоким сопротивлением износу, нагрев до 250С не влияет на ее механические свойства. Она нашла применение в скользящих контактах.

Бериллиевая бронза отличается высокой упругостью, механической прочностью, твердостью и хорошей стойкостью к износу. Это позволяет получать из нее электропроводящие пружины, скользящие контакты, зажимы рубильников, выключателей и т.п. изделий.

Латуни - это сплавы меди с цинком. Латунь окисляется меньше, чем медь, при удлинении сохраняет большую механическую прочность, чем медь и вследствие этого обладает рядом технологических преимуществ перед медью. Из латуни изготавливают детали, требующие глубокой вытяжки (экраны контуров и т.п.), токопроводящие винты, гайки, шайбы, детали коммутирующих узлов и штепсельных разъемов, проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек.

А л ю м и н и й является вторым после меди проводниковым материалом. Он имеет меньшую прочность и твердость. Удельное сопротивление алюминия в 1.6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3.5 раза легче меди. При одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных. Алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью.

Алюминий активно окисляется и покрывается тонкой пленкой окиси Аl₂О₃ с большим электрическим сопротивлением ( = 10¹⁴ Омм). Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычным способом. Поэтому для пайки алюминия применяют специальные пасты и припои или используют ультразвуковые паяльники.

Различают алюминий особо чистым (ОЧ) марки А999 (99.999% Аl), высокой частоты (ВЧ) марки А995-А95 и технической чистоты марок А85-АО с содержанием алюминия в последней 99.0%. Содержание 0.5% примеси Ni, Si, Zn, Fe, As, Sb, Pb, Bi снижает удельную проводимость алюминия не более чем на 2-3%, Ag, Mg - на 5-10%, V, Ti, Mn на 10 - 50%. В технически чистом алюминии главными примесями являются кремний и железо.

Алюминий применяется для изготовления проводов, токоведущих шин и др.; как конструкционный материал, для изготовления экранов, корпусов конденсаторов, пластин конденсаторов переменной емкости; для изготовления фольги, применяемой в качестве обкладок конденсаторов; в производстве интегральных микросхем (алюминий ОЧ) для изготовления контактов и межсоединений. Алюминий легко напыляется, обладает хорошей адгезией к кремнию и пленкам SiO₂, образует хорошие химические контакты с кремнием, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии, но при малых размерах элементов (единицы мкм) подвержен электромиграции, что может привести к разрыву межсоединений.

Из сплавов алюминия в электротехнике применяют сплав альдрей (0.3% Fe, 0.5% Mn, 0.7% Si), из которого изготавливают проволоку. Он имеет несколько меньшую электропроводимость, но в 2 раза большую механическую прочность, чем алюминий. Остальные сплавы (дюралюминий - сплав алюминия с медью, силумин - сплав алюминия с кремнием и др.) используют как конструкционные материалы. Силумины применяются для отливок деталей корпуса и арматуры различных приборов.

Среди металлов с е р е б р о наиболее низкоомный проводник, стойкий к окислению при нормальной температуре. Серебро отличается небольшой твердостью и высокой пластичностью. Серебро применяют для изготовления контактов, для непосредственного нанесения на диэлектрики, в качестве обкладок при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов методом вжигания или нанесения в вакууме. Серебром покрывают внутренние поверхности волноводов, проводники высококачественных катушек индуктивности, детали вакуумных приборов, СВЧ приборов, резонаторов для уменьшения сопротивления поверхностного слоя. Серебро является компонентом различных сплавов и контактных материалов.

Недостатком серебра является склонность к миграции внутрь диэлектрика, на который оно нанесено при высоких температурах. По сравнению с другими благородными металлами серебро обладает пониженной химической стойкостью. Серебро легко образует на поверхности темные не проводящие пленки сульфида Ag₂S в присутствии в воздухе сернистых соединений. Поэтому серебряные контакты не рекомендуется пременять по соседству с резиной , эбонитом и др. материалами, содержащими серу. Для защиты серебряного покрытия на него наносят лаки или тонкий слой (доли мкм) палладия.

Серебро хорошо паяется обычными припоями. Широкое применение серебра сдерживается его большим природным дефицитом.

З о л о т о - блестящий металл желтого цвета , обладающий высокой пластичностью. Золото обладает очень высокими антикоррозионными свойствами, не образовывает окисных и сернистых пленок. Поэтому его используют как материал для контактов, материал для покрытий резонаторв СВЧ ,внутренних поверхностей волноводов. Тонкие пленки золота применяются в качестве полупрозрачных электродов в фоторезисторах и полупроводниковых фотоэлементах, а также в качестве межсоединений и контактных площадок в гибридных интегральных микросхемах. Золото в виде тонких проволок используется для выводов малогабаритных бескорпусных активных и пассивных компонентов, а также для межсоединений в интегральных микросхемах. При контакте алюминия и золота возможно образование хрупких интерметаллических соединений, обладающих повышенным сопротивлением.

2. Сплавы высокого сопротивления

Сплавами высокого сопротивления называют проводниковые материалы, у которых в нормальных условиях 0.3 мкОмм. Их применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов и электронагревательных устройств. Поэтому от них требуется возможно меньшее значение ТКС, а также малое значение термо-э.д.с. относительно меди. Проводниковые материалы в электронагревательных приборах должны длительно работать при температурах порядка 1000С. Для указания цепей наибольшее применение нашли: манганин, константан, нихром, фехраль.

Манганин - основной сплав желтоватого цвета на медной основе (86% Сu, 12% Mn, 2% Ni) для электроимзмерительных приборов и образцовых резисторов. Изготавливают в виде проволоки и лент. Имеет = 0.42 - 0.46 мкОмм, = (5-30)10^-6 K^-1 , термо-э.д.с. относительно меди (1-2)мкВ/К. Характеризуется высокой стабильностью до 60С. Применяется для изготовления прецизионных резисторов. Предельная допустимая рабочая температура не более 200С.

Константан - сплав меди и никеля (60% Сu, 40% Ni). Хорошо обрабатывается. Имеет = 0.48 - 0.52 мкОмм, = -(5-25)10^-6 K^-1, стабилен во времени, нагревостойкость выше, чем у манганина, поэтому можно применять для изготовления реостатов, работающих при температуре 450 С. Недостатком константана является большая термо-э.д.с. в паре с медью и железом - 44 - 55 мкВ/К, но это позволяет применять его для изготовления термопар.

Нихромы представляют собой хромоникелевые сплавы, например, Х20Н80 (75 - 78% Ni, 20-23% Cr, 1.5% Mg, остальное Fe) и Х15Н60 (55-61%Ni, 15-18% Cr, 1.5% Mg, остальное Fe)Эти сплавы используются как жаростойкие для изготовления нагревательных элементов с максимальным значением температуры 1100С. Нихромы весьма технологичны, их можно протягивать в тонкую проволоку и ленту. При нагреве на поверхности нихромов образуется окисная пленка, обладающая ТКЛР близким к ТКЛР нихрома. Поэтому окислы не растрескиваются и не отделяются от сплавов . Однако при резких изменениях температуры может происходить растрескивание слоя окислов; при последующем нагреве сплава кислород проникает в трещины и производит дополнительное окисление сплава, площадь сечения проводника уменьшается и он перегорает.

Фехраль - сплавы железа с хромом и алюминием. Они намного дешевле, так как не содержит дефицитного никеля, но более твердые и хрупкие, из них могут быть получены проволоки и ленты с поперечным сечением большим, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы используют для электронагревательных устройств большой мощности.

3. Припои

Припои - это специальные сплавы, применяющиеся при пайке. Пайку осуществляют для создания механически прочного (иногда герметичного) шва или для получения электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой нагревают. Припой имеет температуру плавления значительно ниже, чем соединяемые материалы и он плавится; растекается по металлу и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом припой диффундирует в основной металл, а основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое. Припои делят на две группы - мягкие (с температурой плавления T_пл 300С) и твердые, ( T_пл 300С) .Припои различаются по механической прочности.

Мягкими являются оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС-10) до 90% (ПОС-90), остальное свинец. Проводимость этих припоев составляет 9-15% проводимости чистой меди.

Большое количество оловянно - свинцовых припоев содержит небольшое количество сурьмы.

Существуют мягкие припои с добавлением алюминия, серебра. При необходимости пайки при пониженных температурах используют припои, в состав которых входят висмут и кадмий.

Наиболее распространенными твердыми припоями являются медноцинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с различными добавками.

Вспомогательным материалом для получения надежной, качественной пайки являются - флюсы. Они должны: растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаиваемых материалов; защищать в процессе пайки поверхность, а также расплавленный припой от окисления; улучшать растекаемость припоя и смачивать им соединяемые детали.

Флюсы подразделяют на активные (кислотные), бескислотные, активированные, актикоррозийные. При монтажной пайке электрорадиоприборов использование активных флюсов недопустимо. Наиболее часто применяют бескислотные флюсы - это канифоль и флюсы, приготавливаемые на ее основе с добавлением активных веществ (спирта, глицерина).

4. Проводниковые и резистивные материалы в микроэлектронике

Проводниковые и резистивные материалы используются для изготовления элементов коммутации и пассивных элементов ГИС.

Элементы коммутации (проводники и контактные площадки) служат для электрического соединения компонентов и элементов ГИС между собой, а также для присоединения к выводам корпуса.

Для выводов бескорпусных активных и пассивных компонентов и для присоединения к выводам корпуса ИМС используют микропровод из алюминия и золота Зл999. При этом недостатком является высокая стоимость золота и низкая механическая прочность алюминия, снижающая прочность соединения.

К материалам, которые используются в качестве пленочных проводников и контактных площадок предъявляются следующие требования: высокая электропроводимость; хорошая адгезия к подложке , высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого контактного сопротивления; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов, проволочных перемычек; совместимость технологии нанесения пленочных коммутационных элементов с технологией изготовления других элементов и т.д. В ГИС повышенной надежности используется золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото - нужную электропроводность, высокую коррозийную стойкость, возможность пайки и сварки. При менее высоких требованиях к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома, ванадия или титана. Для предотвращения оксидирования меди и улучшения условия пайки или сварки медные контактные площадки покрывают хромом, никелем, золотом или ванадием. Алюминий обладает достаточно высокой коррозийной стойкостью и может использоваться как с защитным покрытием из никеля или ванадия для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и создание внешних контактов осуществляется сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников - 1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия - десятые - сотые доли микрометра.

К материалам для высокоомных пленок предъявляют повышенные требования по величине и , их временной стабильности, рассеиваемой мощности и др.

В качестве резистивных материалов тонкопленочных резисторов используют чистые металлы , сплавы, а также специальные материалы.

Из чистых металлов для получения пленочных резисторов наиболее применимы хром и тантал. Из сплавов более часто используют нихром (Х20Н80), который обладает достаточно широким диапазоном удельного поверхностного сопротивления, возможностью обеспечения низкого , относительной простотой нанесения пленки. Наиболее стабильные характеристики получают у нихрома при R = 10 - 100 Ом/ , = (-2...1) 10^-4С ^-1 . Для повышения R и снижения нихром легируют кремнием, алюминием, медью и другими элементами.

Удельное поверхностное сопротивление пленок из чистых металлов и сплавов ограничивается величиной порядка несколько кОм/, что во многих случаях недостаточно. В связи с этим широкое распространение получили металлосилицидные и керметные пленки.

Керметные (керамико-металлические) пленки представляют собой смеси диэлектрических (керамических) составляющих SiO₂, MgO, Al₂O₃, стекла, ситалла и др. с проводниковой фазой, состоящие из металлов Au, Cr, Re, нихрома и др. Проводящие частицы в пленке окружены прослойками аморфных и кристаллических окислов. В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки, обладающие высокой стабильностью с удельным сопротивлением от сотен до десятков килоОм на квадрат. Однако свойства керметных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость и больший по сравнению с металлическими.

Металлосилицидные пленки состоят из сплавов системы Cr-Si, легированных добавками Fe, Ni, Co, W - это так, называемые, "резистивные сплавы" (РС3001, РС3710, РС-5404К, МЛТ-3М). Структура пленок может быть различной - от аморфной до крупнокристаллической. При сравнительно малом и высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов R сплавов РС достаточно широк: 0,5 - 50 кОм/ . Наиболее часто используют сплавы: РС3001, РС3710 (37,9 Cr, 9,4% Ni, 52,7% Si).

Для создания элементов коммутации и элементов схемы в толстопленочных ГИС используют проводящие и резистивные пасты. Паста состоит из электропроводящего материала (наполнителя) - порошков металлов, сплавов, окислов с диаметром частиц до 5 мкм; связующего диэлектрика (фритты) - порошков легкоплавких свинцово-боросиликатных стекол с примесями Bi, Cd и других элементов; органического пластификатора, обеспечивающего необходимую вязкость паст. Пасту наносят, сушат и вжигают. В результате получается металлокерамическая механическая смесь, электрофизические свойства которой зависят от соотношения объемов проводящей и диэлектрической фаз, размера функциональных частиц, расстояния между ними.

В проводниковых толстых пленках в качестве наполнителя используют порошки благородных металлов Au, Pt, Ag, Pd. Толстые резистивные пленки имеют широкий диапазон R - от 1 до 10 ⁷Ом/ , =(0.5)10^-4 - (3 10^-4)1/С. В качестве наполнителя в них используются порошки твердых растворов Рd+ Ag, Ru + Ir, механические смеси Ag + PdO, Pt + IrO₂ и др. Широко используются резисторы на основе оксида рутения RuO₂, имеющего положительный ТКС и R = 60-10⁵ Ом/.

Литература

1. Суриков В.С. - Основы электродинамики - М. "Протон" - 2000 г.

2. Карков И.С. - Физика элементарных частиц. - М. - 1999 г.

3. Синджанов И.К. Электродинамика - М. 1998 г.

4. Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.

5. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.

6. Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1997. - 352с.

7. Справочник по электрическим конденсаторам / Под ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1993. - 576с.

8. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы. - М.: Радио и связь, 1994. - 88с.