Проводники

Проводники с малым удельным сопротивлением

В электронике проводниковые материалы применяются для прово­дов, сопротивлений и контактов. Материалы должны обладать следующими особенностями: малым удельным сопротивлением с целью уменьшения потерь энергии при передаче по проводам, коррозионной стойкостью при изменении температуры и влажности окружающей среды, лёгкой пайкой и свариваемостью при монтаже аппаратуры, высокой пластичностью для получения проволоки диаметром до 1 микрона, необходимой прочностью во избежание провисания.

Чем меньше в проводнике примесей, тем выше его эл. свойства. С развитием радиоэлектроники возникла необходимость получения возможно чистых полупроводниковых материалов.

К основным проводниковым материалам относятся медь, алюминий и серебро. Наименьшим сопротивлением ( р = 0,0150 мкОм∙м) обладает серебро, но в связи с дефицитностью оно находит ограниченное применение.

Медь.

Первым по значению проводниковым материалом является медь марок М1 (содержание примесей не более 0,1%) и МО (содержание примесей менее 0.5%). Электросопротивление стандартной проводниковой меди составляет 0,0172 мкОм-м. Примеси существенно ухудшают проводимость меди (см. рис, 4.1 ). Особенно нежелательны примеси А1, Ве, Ре, Si и Р, содержание которых около 0,5% приводит к повышению р на 40... 50%.

Высокая проводимость меди сочетается с хорошей деформируемостью, достаточно высокими механическими свойствами, удовлетворительной технологичностью при сварке и пайке.

Существенным недостатком меди является склонность к атмосферной коррозии и чувствительность к водородному охрупчиванию ("водородная болезнь» меди). Медь применяется для изготовления проводников (проводов, кабелей, шин),токоведущих деталей приборов и аппаратов.

Бронза Литейный сплав меди с кадмием, бериллием, алюминием, фосфором и другими элементами.

Кадмиевая бронза содержат кадмия 0,9%. Удельное сопротивление ее 0,019 ом∙мм² /м. Прочность на разрыв до 48 кг/мм", относительное удлинение 5-50%. Кадмиевая бронза применяется для изготовления коллекторных пластин, токопроводящих пружин, контактов.

Бериллиевая бронза содержит до 2% бериллия. После термической обработки ее прочность на разрыв достигает 135 кг/мм² при твердости по Бринелю 370. Бериллиевая бронза применяется для скользящих контактов, токопроподящих пружин, ножей выключателей и переключателей.

Латунь .Сплав меди с цинком. В электронике применяются следующие марки: Л62, "168, ЛС59-1. Прочность латуни изменяется от 30 до 70 кг/мм². Отн. удлинение от 5 до 70%. Изделия из латуни изготовляют обработкой давлением. В электронике латунь применяется для волноводов (с серебрением внутренней поверхности), экранов, кожухов, штепсельных вилок, контактных лепестков, деталей шасси.

Алюминий

Лёгкий металл, удельный вес 2,7. Наиболее чистый алюминий содержит не более 0,05% примесей. Прочность алюминия невысокая 7,5-18 кг/мм2. Удельное сопротивление р = 0,028 ом∙мм2/м. Алюминий уступает меди по проводимости, его удельное электросопротивление в 1,65 раза выше, чем у меди. Однако у алюминия имеется ряд положительных качеств. Благодаря меньшей плотности алюминиевый проводник при равных длине и электросопротивлении, вдвое легче медного. Алюминий дешевле и больше распространён в природе. Оксидная пленка защищает

алюминий от атмосферной коррозии и является электроизоляционной.

Примеси снижают проводимость алюминия. В этом отношении нежелательны медь, магний, титан, марганец, ванадий.

Для проводников используют алюминий с содержанием других элементов не более 0,5% в том числе меди, марганца и магния менее 0,015; 0,01; 0,02%, соответственно.

Удельное электросопротивление алюминия прмышленных марок А5 и АЕ 0,028 – 0,0283мкОм∙м.

Необходимо отметить, что при низких температурах разница удельного электросопротивления алюминия и меди сокращается, а при температурах менее 75К проводимость алюминия_становится_ лучше.

Области применения проводникового алюминия: провода, обкладки конденсаторов, тонкие (напыляемые) пленки в полупроводниковых интегральных микросхемах.

При разработке приборов следует учитывать возможность коррозионного поражения контактных участков алюминий-медь, во избежание чего требуется тщательная зашита от влаги подобных участков электросхем.

Алюминий с содержанием примесей от 0,03 до до 0.07% применяется в качестве фольги для бумажных и электролитических конденсаторов. Алюминий с содержанием примесей от 0,2 до 0,3% применятся для проводников и фольги, а с содержанием примесей 0,5% применяется для изготовления кабелей и электропроводов. Алюминий активно окисляется с образованием тонкой пленки А1₂0₃ толщиной 0,04 мм с пробивным напряжением 250 в. Из алюминия можно изготовлять катушки индуктивности.

Для защиты одного контура от воздействия другого при высоких частотах лучшее экранирование магнитных полей дают экраны из меди и алюминия. Магнитный поток катушки индуктирует в экране токи, которые по закону Ленца создают свой магнитный поток противоположного направления, уничтожающий основной магнитный поток за пределами экрана.

Для повышения прочности в алюминии вводят медь (до 4%), магний (0,5-1,8%),марганец (0,4-1,0%). Получают сплавы – дуралюмина: Д1Т; Д6Т и Д16Т. После термообработки сплавов их прочность достигает 60 кг/мм2. Дуралюмин применяется для изготовления экранов, рефлекторов, деталей разъёмов, панелей, роторов магнитных барабанов, вычислительных машин. Детали изготовляют путем штамповки и прессования.

Для деталей, изготавливаемых методом литья применяют высококремнистые силумины (АЛ2, АЛ4 и АЛ9), сплавы на основе алюминий- медь, алюминий-цинк. Сплав АЛ9 применяется в вычислительных машинах для_изготовления станин, кронштейнов, корпусов блоков магнитных головок.

Железо

Имеет удельное сопротивление 0,1-0,13 ом∙мм2/м. Прочность на разрыв - 15 кг/мм2. Применяется для изготовления шин и проводов. При переменном токе в железных проводниках возникают потери мощности на гестерезис. Железо также применяется для экранирования при низких частотах, т. к магнитные линии втягивает и замыкает. Железная проволока применяется для бареттеров-стабилизаторов тока электронных ламп.

В электронном приборостроении находят широкое применение олово, свинец, вольфрам, серебро, платина, никель, цинк, молибден и индий.

Сверхпроводники и криопроводники.

За исключением меди, серебра, золота платины, щелочных, щелочно-земельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлов является сверхпроводниками. Элементы Si, Ge, Bi становятся сверхпроводниками при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются сверхпроводниками.

Криопроводники

. Значительный интерес для использо­вания в качестве криопроводника по­мимо обычных проводниковых мате­риалов — алюминия и меди — пред­ставляет бериллий. Срав­нительно более распространенные и дешёвые алюминий и медь могут ра­ботать в качестве криопроводников при охлаждении жидким водородом, что требует преодоления определен­ных технических трудностей и, в ча­стности, учета взрывоопасности сме­сей водорода с воздухом в некоторых пределах соотношения компонентов смеси. Бериллий и его соединения то­ксичны; но бериллий при охлаждении жидким азотом имеет наименьшее возможное значение р, а работа с жидким азотом значительно проще, чем работа с жидким водородом.

Сплавы - проводники с высоким сопротивлением ( ρ > 0,3 мкОм∙м)

Сплавы-проводники с высоким сопротивлением находят применение в приборостроении для изготовления образцовых сопротивлений, реостатов и нагревательных приборов.

В зависимости от назначения они должны иметь:

- высокое удельное сопротивление,

- малый температурный коэффициент удельного сопротивления;

- высокую жаростойкость при температурах до 1270°К;

- малый температурный коэффициент линейного расширения;

- высокие технологические свойства, легкость пайки и сварки, возможность получения проволок малых сечений.

Материалы резисторов

Резистивные материалы, предназначенные для сопротивлений электрических и электронных схем, должна обладать следующим комплексом свойств:

- высокое удельное электросопротивление и его стабильность во времени;

- низкий температурный коэффициент электросопротивления (в пределе стремящийся к нулю) ;

- малая ТермоЭДС в контакте с медью;

- высокая износостойкость и низкое контактное сопротивление_для переменных сопротивлений;

Этим требованиям удовлетворяют некоторые сплавы меди, марганца, и благородных металлов.

Константан - сплав системы Сu - 39-41Ni - 1-2Мn. Состав сплава соответствует сочетанию максимального значения р и минимального значения α_ρ (рис-4.5 ). Гарантируемые характеристики сплава р ==0,45.. -0,52 мкОм-м, α_ρ = -2...+6∙10^-5 1/К для диапазона 293... 373К. Оба указанных свойства константана имеют сложную температурную зависимость (рис» 4.6 ), что необходимо учитыватъ при анализе условий работы. Недостатком константана является высокая ТДЭС с медью, составляющая 40-50 мкВ/К.

Константан применяется для проволочных резисторов с рабочей температурой до 650 град.К и компенсационных проводов термопар. Манганин- сплав (марка МНМц12-3 имеет состав: 85%Сu, 12%М, 3%Ni) со структурой_твердого раствора. В отожженном состоянии прочность на разрыв 45-50 кг/мм2, относительное удлинение 10-20%, удельное сопротивление 0,40-0,50 ОМ.мм2/м, температурный коэффициент сопротивления 4-10 ^-6/^оС. Малая зависимость сопротивления от температуры и незначительная термоэ.д.с. в контакте с медью - 0,9-1,0 мкв/градус обеспечивают постоянство величины сопротивления в точных измерительных устройствах из манганина. Для стабилизации свойств манганиновую проволоку подвергают термообработке - искусственному старению. Из манганина изготовляют точные сопротивления с рабочей температурой до 60^оС для электроизмерительных приборов.

Изабеллин

Не содержит дефицитного никеля (Сu - 13Мn - ЗА1) и имеет исключительно низкие значения α = 0,1∙ 10^-5 1/К и ТДЭС с медью (-0,2 мкВ/К при высоком абсолютном значении р = 0,5 мкОм∙м. Изабеллин термически обрабатывают аналогично манганину… только при температуре 800градС. Недостатком