2.10 Неметаллические проводящие материалы

Наряду с металлами и металлическими сплавами в качестве резистивных, контактных и токопроводящих элементов достаточно широко ис­пользуются различные композиционные материалы, некоторые окислы и проводящие модификации углерода. Как правило, эти материалы имеют узкоспециализированное назначение [8].

Среди твёрдых неметаллических провод­ников наиболее широкое применение в электротехнике получил гра­фит – одна из аллотропных форм чистого углерода. Наряду с малым удельным сопротивлением ценными свойствами графита являются зна­чительная теплопроводность, стойкость ко многим химически агрес­сивным средам, высокая нагревостойкость, легкость механической об­работки. Для производства электроугольных изделий используют при­родный графит, антрацит и пиролитический углерод.

Природный графит представляет собой крупнокристаллический материал с очень высокой температурой плавления (порядка 3900 С). При свободном доступе кислорода и высокой температуре он окисляется, образуя газообразные окислы СО и СО₂.

Пиролитический углерод получают путём термичес­кого разложения паров углеводородов в вакууме или в среде инертно­го газа (пиролиз). В качестве веществ, подвергаемых пиролизу, обычно выбирают соединения метанового ряда. Для получения плотной структуры требуется температура пиролиза не менее 900 °С. Пленки пиролитического углерода широко применяются для получения линей­ных резисторов поверхностного типа.

Мелкодисперсной разновидностью углерода является сажа или технический углерод. Её получают как продукт неполного сгорания или термического разложе­ния углеродсодержащих веществ. Будучи введёнными в связующее вещество, сажи проявляют склонность к структурообразованиям.

Производство большинства угольных изделий заключается в из­мельчении углеродистого сырья в порошок, смешении его со связую­щими веществами, формовании и обжиге, после которого изделия при­обретают достаточную механическую прочность и твёрдость, допускают механическую обработку.

Графит широко используется в технологии полупроводниковых материалов для изготовления разного рода нагревателей и экранов, лодочек, тиглей, кассет и т. п. В вакууме или защитных газовых сре­дах изделия из графита могут эксплуатироваться при температурах до 2500 °С.

Особую модификацию графита представляет стеклоуглерод, получаемый полимеризацией органических полимерных смол типа ба­келита, проводимой в атмосфере нейтральных газов в тече­ние длительного времени. Изготавливаемые изделия имеют блестящую поверхность, стеклоподобный вид и раковистый излом. Стеклоуглерод отличается от обычного графита повышенной химической стойкостью.

Композиционные проводящие материалы. Композиционные мате­риалы представляют собой механическую смесь проводящего наполни­теля с диэлектрической связкой. Путём изменения состава и характера распределения компонентов можно в достаточно широких пределах управлять электрическими свойствами таких материалов. Особенно­стью всех композиционных материалов является частотная зависимость проводимости и старение при длительной нагрузке. В ряде случаев заметно выражена нелинейность электрических свойств.

В качестве компонентов проводящей фазы используют металлы, графит, сажу, некоторые окислы и карбиды. Функции связующего вещества могут выполнять как органические, так и неорганические ди­электрики. К ним относятся композиты, например, Эком, Бетэл и Рапит [8-10].

Среди многообразия комбинированных проводящих материалов наибольшего внимания заслуживают контактолы и керметы.

Контактолы, используемые в качестве токопроводящих кле­ев, красок, покрытий и эмалей, представляют собой маловязкие либо пастообразные полимерные композиции. В качестве связующего ве­щества в них используют различные синтетические смолы (эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и др.), токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные порошки металлов (серебра, никеля, палладия). Необходимая вязкость контактолов перед их нанесением на поверхность обеспечивается введением растворителей (ацетон, спирт и т. п.).

Большую роль в формировании контактов между частицами металлов в композиции играют внутренние напряжения, возникающие при отверждении в результате усадки из-за улетучивания растворителя и полимеризации связующего вещества. Внутренние напряжения приводят к появлению контактного давления между частицами наполни­теля, что обусловливает резкое уменьшение контактных сопротивле­ний.

Контактолы используют для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов на диэлект­риках, экранирования помещений и приборов от помех, для токопроводящих коммуникаций на диэлектрических подложках, в гибких волноводах и других изделиях электронной промышленности.

Керметами называют металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим. Они предназначены для изготовления тонкоплёночных резисторов. Существенным преимуществом керметных плёнок является возможность варьирования их удельным сопротивле­нием в широких пределах. Наибольшее распространение получила микрокомпозиция Сr – SiO, тонкие плёнки которой изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме с последую­щей термообработкой для стабилизации свойств. При термообработке за счёт взаимодействия компонентов происходит вытеснение окисной прослойки между зёрнами с образованием фазы Cr₃Si. В результате сопротивление изоляционных прослоек между зёрнами заменяется сопротивлением контактирования.

В толстоплёночных микросхемах используют резисторы, получае­мые на основе композиции стекла с палладием и серебром. Для этой цели стекло размалывают в порошок до размера зёрен (3 – 5) мкм, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органичес­кой связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на керамичес­кую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротив­ление плёнок зависит от процентного содержания проводящих компонентов и режима спекания.

Проводящие материалы на основе оксидов. Подавляющее большин­ство чистых оксидов металлов в нормальных условиях является хорошими диэлектриками. Однако при неполном окислении (при наруше­нии стехиометрического состава за счёт образования кислородных ва­кансий), а также при введении некоторых примесей проводимость оксидов резко повышается. Такие материалы можно использовать в качестве контактных и резистивных слоев. Наибольший практический интерес в этом плане представляет двуокись олова. В радиоэлектрони­ке она используется преимущественно в виде тонких плёнок. Такие плёнки получают различными способами: термическим вакуумным испарением и конденсацией с последующим отжигом на воздухе, окисле­нием плёнок металлического олова, осаждённого на диэлектрическую подложку, реактивным катодным или ионно-плазменным распылением и др.