- •1 Физико-химические основы материаловедения 5
- •2 Проводниковые материалы 39
- •3 Полупроводниковые материалы 114
- •4 Диэлектрические материалы 136
- •5 Магнитные материалы 188
- •Введение
- •1 Физико-химические основы материаловедения
- •1 .1 Общие сведения о строении вещества
- •1.1.1 Типы химических связей
- •1.1.2 Агрегатные состояния вещества
- •1.1.3 Кристаллическое строение вещества
- •1.1.4 Анизотропия кристаллов. Индексы Миллера
- •1.1.5 Процесс кристаллизации веществ
- •1.1.6 Полиморфизм (аллотропия)
- •1.1.7 Виды дефектов в кристаллах
- •1.1.8 Влияние термической обработки на структуру свойства материалов
- •1.1.9 Влияние пластической деформации на структурные свойства материалов
- •1.2 Основные cbeдения о сплавах
- •1.2.1 Понятие о сплавах
- •1.2.2 Диаграммы состояния двойных сплавов
- •1.2.3 Диаграмма "состав-свойство"
- •1.2.4 Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.
- •1.3.Основные свойства и параметры материалов.
- •1.3.1 Механические и технологические свойства материалов и методы их определения
- •1.3.1.1 Определение твердости металлов и сплавов
- •1.3.2 Тепловые характеристики
- •1.3.3 Физико-химические характеристики
- •1.3.4 Электрофизические характеристики
- •1.3.5 Зонная структура твердых тел
- •2 Проводниковые материалы
- •2.1 Классификация проводниковых материалов
- •2.2 Электрические свойства проводниковых материалов
- •2.3 Материалы с высокой проводимостью
- •2.3.1 Медь и ее сплавы
- •2.3.2 Алюминий и его сплавы
- •2.3.3 Натрий
- •2.4 Материалы с высоким сопротивлением
- •2.4.1 Проволочные резистивные материалы
- •2.4.2. Пленочные резистивные материалы
- •2.4.3. Материалы для термопар
- •2.5 Проводниковые материалы и сплавы различного применения
- •2.5.1 Благородные металлы
- •2.5.2 Тугоплавкие металлы
- •2.5.3 Ртуть Hg
- •2.5.4. Легкоплавкие металлы
- •2.6 Сверхпроводники и криопроводники
- •2.6.1 Сверхпроводники
- •2.6.2 Криопроводники
- •2.7 Неметаллические проводниковые материалы
- •2.7.1 Материалы для электроугольных изделий
- •2.7.2 Проводящие и резистивные композиционные материалы
- •2.7.3 Контактолы
- •2.8 Материалы для подвижных контактов
- •2.8.1 Материалы для скользящих контактов
- •2.8.2 Материалы для разрывных контактов
- •2.9 Припои
- •2.10 Металлокерамика
- •2.11 Металлические покрытия
- •2.12 Проводниковые изделия
- •2.14 Порошковые конструкционные материалы
- •2.15 Композиционные конструкционные материалы
- •2.16 Металлы и сплавы для элементов конструкции полупроводниковых приборов и микросхем
- •3 Полупроводниковые материалы
- •3.1 Собственная и примесная электропроводность полупроводников
- •3.2 Примеси в полупроводниках
- •3.3 Основные параметры полупроводников
- •3.3.2 Удельное электрическое сопротивление - параметр, характеризующий способность материала проводить электрический ток:
- •3.3.6. Концентрация носителей заряда.
- •3.4 Влияние различных факторов на электропроводность полупроводников
- •3.4.1 Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •3.4.2 Зависимость электропроводности полупроводников от внешнего электрического поля.
- •3.4.3 Влияние деформации на проводимость полупроводников
- •3.4.4 Влияние света на проводимость полупроводников
- •3.5 Производство полупроводниковых материалов
- •3.5.1. Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского
- •3.5.2. Зонная плавка кремния и германия
- •3.6 Свойства полупроводниковых материалов и их применение
- •3.6.1 Классификация полупроводниковых материалов
- •3.6.2 Применение полупроводниковых материалов
- •3.6.3 Германий
- •3.6.4 Кремний
- •3.6.5 Карбид кремния
- •3.6.6. Полупроводниковые соединения aiii bv
- •3.6.7. Соединения aiibvi и другие халькогенидные полупроводники
- •4 Диэлектрические материалы
- •4.1 Общие сведения о диэлектриках
- •4.2 Поляризация диэлектриков
- •4.2.1 Электронная поляризация
- •4.2.2 Ионная поляризация
- •4.2.3 Дипольно-релаксационная поляризация
- •4.2.4 Ионно-релаксационная поляризация
- •4.2.5 Самопроизвольная (спонтанная) поляризация
- •4.3 Классификация диэлектриков по виду поляризации
- •4.4 Диэлектрическая проницаемость
- •4.4.1 Зависимость ε от температуры для полярных диэлектриков
- •4.4.2 Зависимость ε от температуры для неполярных диэлектриков
- •4.4.3 Зависимость ε от влажности
- •4.4.4 Зависимость ε от частоты f
- •4.5 Электропроводность диэлектриков
- •4.6 Диэлектрические потери
- •4.6.1 Виды диэлектрических потерь
- •4.7 Пробой диэлектриков
- •4.7.1 Основные понятия пробоя диэлектрика
- •4.7.2 Виды пробоев в диэлектриках
- •4.8 Физико-химические свойства диэлектриков
- •4.8.1 Теплопроводность
- •4.8.2 Химические свойства диэлектриков
- •4.9 Газообразные диэлектрические материалы
- •4.10 Жидкие диэлектрические материалы
- •4.11 Активные диэлектрики
- •4.11.1 Сегнетоэлектрики
- •4.11.2 Пьезоэлектрики
- •4.11.3 Электреты
- •4.11.4 Диэлектрики для оптической генерации
- •4.11.5 Электрооптические материалы
- •4.11 Твердые органические диэлектрики
- •4.11.1 Основные понятия о высокомолекулярных соединениях (полимерах)
- •4.11.2 Пластмассы
- •4.11.3 Компаунды
- •4.11.4 Лаки
- •4.11.5 Эпоксидные смолы
- •4.11.6 Клеи
- •4.12 Твердые неорганические диэлектрики
- •4.12.1 Неорганические стёкла
- •4.12.1.1 Классификация неорганических стекол
- •4.12.1.2 Кварцевое стекло
- •4.12.2 Ситаллы
- •4.12.3 Керамика, свойства, типы, применение
- •4.13 Диэлектрические материалы в микроэлектронике.
- •5 Магнитные материалы
- •5.1 Природа магнетизма
- •5.2 Основные параметры магнитных веществ
- •5.3 Классификация магнитных материалов
- •5.3.1 Слабомагнитные вещества
- •5.3.2 Сильномагнитные вещества
- •5.4 Магнитомягкие материалы
- •5.4.1 Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь)
- •5.4.2 Пермаллои
- •5.4.3 Аморфные магнитные материалы
- •5.4.4 Магнитодиэлектрики
- •5.4.5 Ферриты
- •5.5 Магнитотвёрдые материалы
- •5.5.1 Литые высококоэрцитивные сплавы
- •5.5.3 Магнитотвердые ферриты
- •5.5.4 Сплавы на основе редкоземельных металлов
- •5.5.5 Другие магнитотвердые металлы
- •5.6 Материалы специального назначения
2.16 Металлы и сплавы для элементов конструкции полупроводниковых приборов и микросхем
Это те же металлы и сплавы, что для электронно-вакуумных и газонаполненных приборов. Элементы корпусов полупроводниковых приборов и ИМС (фланцы, баллоны, держатели, выводы, термокомпенсаторы, переходы, кольца, втулки, колпачки, металлические жгуты) изготавливают из Си, Ni, W, Mo, Та, Nb, низкоуглеродистых и нержавеющих сталей, ковара, платинита и эльканайта.
Требования к конструкционным материалам:
- механическая прочность в сочетании с пластичностью, малой пластичностью;
- высокая чистота, не выделять загрязняющих примесей внутри баллона корпуса;
- высокая теплопроводность и электропроводность;
- быть коррозионно-стойкими;
- при соединении со стеклом ТКЛР должен быть приближенный к ТКЛР стекла, образовывать механически прочные и герметичные металлостеклянные спаи;
- обеспечение надежного электрического соединения электродных выводов;
- хорошо обрабатываться механическим способом для обеспечения необходимой геометрической формы;
- для внешних выводов: высокая пластичность, не образовывать трещин при многократном перегибе выводов;
- для баллонов и крышек корпусов должны соединяться между собой сваркой и пайкой.
Медь находит широкое применение для фланцев, держателей, баллонов, выводов теплоотводящих пластин для мощных диодов и транзисторов. Кроме этого медь используют для облицовки с одной стороны полиамидной перфорированной пленки, которая применяется при механизированной сборке ИМС для выполнения рамочных выводов.
Ni легко протягивается и механически обрабатывается. Хорошо сваривается, в атмосфере, паяется твердыми и мягкими припоями. Ni используют в виде лент и проволоки. Используется Ni лента с полоской Аu, получается методом накатки Аu-фольги. Аu-полоса шириной 5 мкм, из такой ленты можно вырубать детали и терми-чески обрабатывать их при температуре 550˚С, за 30 мин. Лента Ni-Cu-Ni (основа Си-лента, на которую наносятся Ni-слои 15 – 75 мкм) выдерживает термообработку при температуре 700 – 800˚C в тече-нии 3 – 5 мин.
Стали – это железоуглеродистые сплавы, при чем содержание С должно быть меньше 2,14%. Если содержание С больше, то это чугуны. В полупроводниковом производстве используют ннзкоуглеродистые и нержавеющие стали (Ст10 содержит 0,1%С) для изготовления корпусов и крепежных деталей. Это сталь хорошо обрабатывается резанием, сваривается. При горячей штамповке, ковке и прокатке она упрочняется.
Сталь вакуумной плавки применяется для изготовления металлокерамических корпусов полупроводниковых приборов, давая вакуумно-плотные спаи с форстеритовыми, стеатитовыми керамическими материалами.
Нержавеющие стали (хромоникелевые 18%Сr, 10-12%Ni) тоже применяются в металлокерамической конструкции корпусов в паре с Сu или коваром. Перед пайкой стальные детали покрываются Ni и паяются Сu твердыми припоями.
Ковар – сплав Ni (28 – 29%), Со (17%) и остальное Fe 29Н18К. У ковара ТКЛР приблизительно такой же как у стекла и керамики. У ковара в 3 – 4 раза больше твердость, чем у стали 10, предел прочности в 2,5 – 3 раза больше, относительное удлинение в 1,5 раза меньше, поэтому он труднее штампуется. Ковар обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению тепловых характеристик корпусов, но имеет достаточно высокое удельное сопротивление до 1 мкОм·м, что позволяет осуществлять электросварку ковара друг с другом, а также с Ni, стальными деталями. По сравнению со сталью 10 ковар коррозионностоек. При окислении он образует плотную и прочную окисную пленку. Детали из ковара хорошо покрываются гальваническим способом Sn, Сu, Ni, Ag, Аu, Cd, Pb. Коваровые выводы можно подсоединять электросваркой, можно паять мягкими и твердыми припоями. Ho ковару присущи недостатки: склонность к образованию микротрещин при холодной штамповке, вытяжке, которые при пайке деталей из ковара подвергаются межкристаллитной коррозии. Поэтому ковар перед пайкой покрывается защитным покрытием Сu или Ni.
Платинит – 47НД это сплав в виде проволоки состоящей из Fe-Ni сердечника (сплав изначально – 43%Ni+57%Fe) и медной оболочки. Этот сплав, заменяет платину, для спаев в мягкие стекла. Но чтобы было лучше сцепление Сu-оболочки со стеклом на поверхность платинита наносят слой бората (безводный борнокислый калий). Очень надежный сплав получается при использовании стекла Pt-группы С-87-1 (ТКЛР стекла равен ТКЛР Pt), так как ТКЛР платинита лежит в пределах 80…90·10-7.
Железоникелевые сплавы 42Н, 46Н, содержащие, соответственно, 42 и 46% никеля, остальное Fe, имеют ТКЛР равный 9·10-6˚С-1. По сравнению с коваром эти сплавы «фени» более пластичны, детали из них хорошо свариваются.