Лекция №6

Проводниковые материалы и провода

Основные свойства металлических проводниковых материалов

Металлические проводниковые материалы должны обладать высокой электропроводностью, достаточной механической прочностью, а также плас-тичностью, позволяющей получать тонкие провода, ленты, фольги; стой-костью против окисления кислородом воздуха.

Большинство металлических проводниковых материалов обладает вы-сокой электропроводностью (ρ = 0,015 ÷ 0,028 мкОм·м). Это преимущес-твенно чистые металлы, которые используют для изготовления обмоточных и радиомонтажных проводов и кабелей.

Наряду с этим в радиоэлектронике применяют проводники с большим электрическим сопротивлением – сплавы различных металлов. У металличес- ких (резистивных) ρ = 0,4 ÷ 2,0 мкОм·м. Эти сплавы составляют группу металлических материалов с малым температурным коэффициентом удельного сопротивления (ТК ρ) и применяются для изготовления проволоч- ных резисторов и других радиокомпонентов.

Большое значение имеют также и механические характеристики про-водниковых материалов: разрушающее напряжение при растяжении (σ_р), от- носительное удлиннение при растяжении (е_р). Пластическая деформация (прокатка, волочение) вызывает увеличение удельного сопротивления. При-ведение повышенного удельного сопротивления к его прежней величине дос-тигается рекриссталлизацией металла путем отжига. Так, медные изделия от- жигают при 450 – 650°С, аллюминиевые – при 350 - 400°С в зависимости от диаметра проволоки или толщины лент. Все металлические проводники об-ладают высокой пластичностью, позволяющей получать провода Ø до 0,01мм и ленты толщиной 0,05 – 0,1 мм.

Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике

Медь – главный материал, обладающий высокой пластичностью, доста- точной механической прочностью и высокой электропроводностью (на вто-ром месте после серебра). Очищение меди от примесей производится в элек-тролитической ванне (с помощью постоянного тока).

Температура плавления меди 1083°С, коэффициент температурного расширения КТР = 17· 10^-6 1/°С. Для изготовления изделий (обмоточные, ра-диомонтажные провода и кабели) применяют чистую медь марок М00к; МОКу; Мок; М1к (катодная медь) и М00б; Моб; М1б (бескислородная медь). Содержание меди 99,99 – 99,90%. У изделий из мягкой меди (при 20°С) пло- тность 8900 кг/м³; σ_р = 200÷280 МПа; е = 6÷35%; ρ = 0,072÷0,01724 мкОм·м. Температурный коэффициент удельного сопротивления для всех марок меди

ТК ρ = 0,004 1/°С.

Бронза представляет собой сплавы меди с оловом (оловянная бронза), алюминием (алюминиевая), бериллием (бериллиевая) и другими легирующи-ми элементами. В отношении электропроводности бронза уступает меди, но превосходит ее по механической прочности, упругости, сопротивлению исти- ранию и коррозионной стойкости.

При изготовлении деталей из бронзы производят термическую обрабо-тку – закалку. Из бронзы изготовляют пружинящие контакты, токопроводя-щие пружины, контактные части разъемов и другие деталей.

Латунь – сплав меди с цинком, в котором наибольшее содержание цинка может составлять 45% (по массе). Из листовой латуни изготовляют ра-зличные детали: зажимы, контакты, крепежные детали. Основные харак-теристики бронзы, латуни и меди приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Материал	Обработка	Проводи- мость %	Разрушаю- щее напря- жение при растяжении, МПа	Относитель- ное удлинне- ние при растяжении, %
Проводниковая медь (99,95% меди)	Мягкая Твердая	100 88	200 – 250 360 – 420	40 3
Фосфористая Бронза (6-7 % олова, 0,15 % фосфора)	Мягкая Твердая	15 10	400 – 450 950 – 1050	60 3
Бериллиевая бронза (2 % бериллия, 0,5% никеля)	Мягкая Твердая	36 26	700 – 790 1600 –1750	20 9
Латунь Л62	Мягкая Твердая	25 24	400 880	60 5

Ковар – сплав никеля (около 29% по массе), кобальта (около 18%), же-леза (остальное). Характерной особенностью ковара является близость значе-ний его КТР=(4,3÷5,4) · 10^-6 1/°С к значениям КТР стекла и керамики в интер- вале температур 20 – 200°С. Это позволяет производить согласованные, гер- метичные спаи ковара со стеклом и керамикой.

Плотность ковара 8350 кг/м³; температура плавления 1450°С, удельное сопротивление (при 20°С) ρ = 0,45⁷ мкОм·м. Ковар хорошо поддается пайке и электросварке, достаточно пластичен для получения проволоки Ø0,2 – 3мм.

Его применяют для изготовления корпусов ИС и полупроводниковых приборов.

Алюминий является вторым после меди проводниковым материалом благодаря его сравнительно большой электропроводности и стойкости к ат-мосферной коррозии.

Плотность алюминия 2700 кг/м³, т.е. он в 3,3 раза легче меди, темпе-ратура плавления 658°С. Алюминий отличается малой твердостью и неболь- шой прочностью при растяжении (σ_р = 80÷180 МПа) и больший по сравне-нию с медью КТР= 24·10^-6 1/°С. Это является недостатком алюминия.

При увлажнении мест соединению алюминиевых проводов с прово-дами из других металлов могут образовываться гальванические пары. При этом алюминиевый провод разрушается местными гальваническими токами.

Из марок алюминия особой чистоты изготовляют обкладки электроли- тических конденсаторов, а также фольгу. Алюминиевую проволоку выпуска- ют Ø0,08 – 8мм трех разновидностей: мягкую (АМ), полутвердую (АПТ), твердую (АТ). Алюминиевые провода и токопроводящие детали можно сое- динять горячей или холодной сваркой, а также пайкой с применением специ- альных припоев и флюсов. Листовой алюминия применяют для экранов и корпусов микросхем, шасси, электродов и др.

Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся в воздухе при комнатной температуре. Окисление начинается при 200°С. Серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку Ø до 0,01мм, и наивысшей электропроводностью.

Основные характеристики серебра: плотность 1050 кг/м³; температура плавления 960,5 °С; σ_р = 150÷180 Мпа (мягкое серебро); σ_р = 200÷300 Мпа (твердое серебро); ρ = 0,0158 мкОм·м; ТКρ =0,00369 1/°С; КТР= 24·10^-6 1/°С.

Из серебра выполняют защитные слои на медных жилах радиомонтаж- ных проводов, используемых при температуре до 250°С. Серебро наносят на внутреннюю поверхность волноводов для получения слоя с высокой электро-провдностью, а также вводят в припои (ПСр10, ПСр50), применяемые для пайки токопроводящих частой в РЭА.

Золото – в отличие от серебра не окисляется в воздухе даже при высо-ких температурах. Оно обладает весьма высокой пластичностью, из него получают фольгу толщиной до 0,005 мм и проволоку Ø до 0,01мм.

Основные характеристики золота: плотность 1930 кг/м³; температура плавления 1063°С; σ_р = 150÷180 Мпа, ρ = 0,0224 мкОм·м; ТКρ = 0,00369 1/°С;

КТР= 14,2·10^-6 1/°С.

Золото применяют для тонкопленочных контактных покрытий при коммутации малых токов в микросхемах, а также для покрытия стенок волноводов и резонаторов СВЧ.

Хром – металл, который очень медленно окисляется на воздухе при комнатной температуре, относится к группе тугоплавких металлов, его тем-пература плавления колеблется в пределах 1800 – 1903°С в зависимости от структуры и содержания примесей. Плотность хрома 7180 кг/м³.

Благодаря тому, что хром обладает очень высокой адгезией к стеклам, ситаллам и керамике, его широко применяют в тонкопленочных микро-схемах в качестве подслоя. На подслой хрома наносят распылением в вакууме металлы с большой электропроводностью (серебро, золото, медь и др.), но не обладающие хорошой адгезией к диэлектрическим подложкам.

Кроме того, хром широко используют для получения тонкопленочных резисторов, поскольку он обладает повышенным значением удельного сопротивления ρ = 0,25÷0,30 мкОм·м. Тонкие пленки хрома в микросхемах имеют поверхностное сопротивление R_ = 100 ÷ 500 Ом /_ .

Сплавы большого удельного электрического сопротивления

Основными представителями этой группы проводниковых материалов являются манганин и константан.

Манганин – сплав 85 – 89% меди, 2 – 3% никеля, и 11 – 13% марганца. Манганин, как и все сплавы с большим удельным сопротивлением,имеет неупорядоченную кристаллическую структуру, плотность 8400 кг/м³; темпе-ратура плавления 960°С; КТР= 18·10^-6 1/°С.

Основные характеристики изделий из манганина: σ_р = 400 ÷ 580 Мпа,

ρ = 0,42÷0,52 мкОм·м; ТКρ = (1÷3) ·10^-5 1/°С.

Достоинством манганиновых изделий является очень малая зависи-мость удельного сопротивления от температуры, а также малая термо-ЭДС при контакте манганина с медью (0,9 – 1 мкВ/°С). Для стабилизации электрических характеристик манганиновые изделия подвергают термической обработке в вакууме при 450°С.

Из манганина изготовляют мягкие (ПММ), и твердые (ПМТ) проволоки

Ø 0,02 – 6 мм и ленты толщиной до 0,08 мм. Кроме того, выпускают мангани-новые обмоточные провода с эмалевой изоляцией (ПЭВММ и ПЭВМТ) с изоляцией из натурального шелка (ПШДММ и ПШДМТ), с эмалевой изоля-цией и одним слоем натурального шелка (ПЭШОММ и ПШОМТ). Мангани- новые провода применяют при производстве резисторов высокого класса.

Константан – сплав 58 – 59% меди, 39 – 41% никеля, и 1 – 2% марган-ца. Плотность 8900 кг/м³; температура плавления 1260°С; КТР= 14·10^-6 1/°С.

Основные характеристики изделий из манганина: σ_р = 400 ÷ 638 Мпа,

ρ = 0,45÷0,52 мкОм·м; ТКρ = (0÷6) ·10^-6 1/°С. У многих составов константана удельное сопротивление не изменяется с изменением его температуры.

Существенным недостатком константана является образование в паре с медью значительной термо-ЭДС (40 – 45 мкВ/°С), что ограничивает приме-нение константана в стабильных резисторах, но обусловливает применение его в термопарах в спае с медью.

Из константана изготовляют мягкие и твердые изделия – проволоку Ø 0,03 – 8 мм и ленты толщиной до 0,1 мм. Константановые изделия использу-ют при температурах, не превышающих 500°С.

К сплавам с большим удельным электрическим сопротивлениям отно-сится резистивный сплав МЛТ. В его состав входят 43,6% (по массе) крем-ния, 17,6% хрома, 14,1% железа и 24,7% вольфрама. Электрические характе- ристики сплава МЛТ: ρ = 0,052 мкОм·м; ТКρ = 5·10^-5 1/°С. Сплав выпускают в виде порошка. Основная область применения сплава МЛТ – производство металлопленочных резисторов.

Жаростойкие проводниковые материалы

Жаростойкими материалами являются сплавы на основе никеля, хрома и некоторых других компонентов. Жаростойкость этих сплавов, т.е. их нео-кисляемость даже при высоких температурах обусловлена образованием на их поверхности оксидной пленки большой сплошности, исключающей дос-туп кислорода к сплаву. Основой жаростойких оксидных пленок является ок- сид хрома CrO₃ и закись никеля NiO, которые не испаряется с поверхности сплава при высоких температурах.

Жаростойкие материалы на основе никеля и хрома называются нихромами, а на основе железа, хрома и алюминия – фехралями и хромалями.

В марках сплавов буквы обозначают главные компоненты сплава: хром (Х), никель (Н), алюминий (Ю) и титан (Т). Цифра, стоящая за буквой указы-вает среднее количество этого металла в сплаве. Например, в нихроме марки Х20Н80 содержится 20% хрома и 80% никеля (по массе).

Областями применения жаростойких сплавов и изделий из них (неизо-лированная и изолированная проволока и ленты) являются проволочные резисторы и нагревательные элементы. Кроме того, их применяют в интегральных микросхемах с целью получения тонкопленочных резисторов.