Проводниковые материалы

Твердыми проводниками электрического тока являются метал­лы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают: материалы, обладаю­щие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей; проводящих соединений в микросхемах, обмоток трансформаторов, волноводов и т. д.; металлы и сплавы, обладаю­щие высоким сопротивлением, которые применяют для изготовления электронагревательных приборов, резисторов, реостатов ламп на­каливания и т. д.

Свойства проводниковых материалов. Основными электрически­ми параметрами проводниковых материалов являются удельная проводимость (или обратная ей величина — удельное сопротивле­ние) и температурный коэффициент удельного сопротивления. Ме­ханические свойства проводников характеризуются пределом проч­ности при растяжении и относительным удлинением при разрыве. Общеизвестны такие физические параметры, как плотность, темпе­ратура плавления и т. д.

Удельное сопротивление р проводника, имеющего постоянное поперечное сечение S к длину l, определяют по формуле p=RS/l и выражают в омах на метр (Ом-м). Для измерения удельного сопротивления проводников пользуются внесистемной единицей Ом-мм2/м (S измерено в мм2, l — в м); 1 Ом-м=106 Ом-мм2/м. Дольная от системной единицы 1 мкОм-м = 1 Ом-мм2/м. Будем .вы­ражать удельное сопротивление проводников в мкОм-м, при этом сохранятся привычные численные значения р.

Температурный коэффициент удельного сопротивления показы­вает, как изменяется сопротивление, равное 1 Ом, при изменении температуры на один градус. В .конце температурного диапазона удельное сопротивление рг=ро[1+ар (Г2 — Т1,)], где р7 и р0 — удель­ное сопротивление проводника соответственно при температурах Т2 и Ti; ap — средний температурный коэффициент удельного сопро­тивления, К-1, в данном диапазоне температуры aft = (рт — р )/ /Ро(T2-T1).

Физические параметры полупроводниковых материалов приве­дены в табл. 1.

Удельное сопротивление тонких металлических пленок (толщина которых соизмерима с длиной свободного пробега электрона) больше удельного сопротивления исходного металла и зависит от толщины и способа получения пленок. Оценивают проводящие свой­ства тонких пленок по удельному поверхностному сопротивлению (сопротивлению квадрата R1П), равному сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки Rп =рб/б,где Рб — удельное (объемное) сопротивление пленки толщиной 6.

Удельное сопротивление сплавов больше удельного сопротив­ления исходных компонентов. Увеличение р происходит при введе­нии в металл неметаллических примесей, а также при сплавлении двух металлов, образующих твердый раствор, в котором атомы од­ного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Таблица 1

Металл	Плот­ность, Мг/м3	Темпера, тура плавле- ния, °С	Удельное сопротив-ление, мкОм-м	Температур- ный коэффи­циент удель­ного сопро- тивления.	Работа выхода, эВ
Алюминий	2,7	660	0,0265	4,1	4,25
Вольфрам	19,3	3400	0,055	5,0	4,54
Железо	7,87	1540	0,097	6,25	4,31
Золото	19,3	1063	0,0225	3,95	4,3
Кобальт	8,85	1500	0,064	6,0	4,41
Медь	8,92	1083	0,0168	4,3	4,4
МолибдеЕ!	10,2	2620	0,05	4,33	4,3
Никель	8,96	1453	0,068	6,7	4,5
Олово	7,29	232	0,113	4,5	4,38
Платина	21,45	1770	0,098	3,9	5,32
Ртуть	13,5	— 39	0,958	0,9	4,52
Свинец	11,34	327	0,190	4,2	4,0
Серебро	10,49	961	0,016	4,1	4,3
Хром	7,19	1900	0,13	2,4	4,58
Цинк	7,14	419	0,059	4,1	4,25

Технические проводниковые материалы подразделяют на ма­териалы высокой проводимости, металлы и сплавы различного наз­начения, сплавы высокого сопротивления, проводящие модификации углерода и материалы на их основе.



Материалы высокой электрической проводимости. К наиболее распространенным материалам высокой электрической проводимо­сти относят медь и алюминий (см. табл. 1).

Медь обладает малым удельным сопротивлением, высокой ме­ханической прочностью, удовлетворительной стойкостью к коррозии, легко паяется, сваривается и хорошо обрабатывается, что позволяет прокатывать ее в листы, ленту и вытягивать в проволоку.

В качестве проводникового материала используется медь ма­рок Ml и МО. В марке Ml содержится 99,9 % чистой меди, а в об­щем количестве примесей (0,1 %) кислород составляет до 0,08 %« Лучшими механическими свойствами обладает вторая марка, в ко­торой содержится 99,95% меди, а в составе примесей (0,05%) имеется до 0,02 % кислорода. Лучшая бескислородная медь содер­жит 99,97 % чистого вещества, а вакуумная (выплавленная в ва­куумных индукционных печах) — 99,99. %. Твердотянутую медь, по­лученную методом холодной протяжки, используют, когда необхо­дима высокая механическая прочность, а мягкую (отожженную) — когда важна гибкость, например для изготовления монтажных про­водов и шнуров. Электровакуумная медь идет на изготовление де­талей электронных приборов. Медь используется также для изго­товления фольгированного гетинакса, а в микроэлектронике — для получения токопроводящих пленок на подложках, обеспечивающих соединение между функциональными элементами схемы. Наиболее употребительные марки обмоточных проводов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Марка провода	Характеристика изоляции	Диаметр провода, мм
ПЭЛ	Эмалевая лакостойкая	0,02 — 2,44
ПЭВ-1	Эмалевая с одинарным и двойным винифлексовым покрытием	0,06 — 2,44
ПЭЛБО	Эмалевая лакостойкая с одним сло-	0,2-2,1
	ем хлопчатобумажной обмотки
П-ЭЛБД	То же, но с двумя слоями хлопчато­бумажной обмотки	0,72 — 2,1
пэлшо	То же, но с одним слоем шелковой обмотки	0,05-2,1
пэлшд	Эмалевая лакостойкая с двумя слоя­ми шелковой обмотки	0,86
ПЭЛШКО	Эмалевая лакостойкая с одним сло­ем обмотки из капрона	0,05-2,1
пэлшкд	Эмалевая лакостойкая с двумя слоя­ми обмотки из капрона	0,86
ПЭЛБВ	Эмалевая лакостойкая с обмоткой из длинноволокнистой бумаги	0,51 — 1,45
ПВО	Один слой хлопчатобумажной обмот­ки	0,2 — 2,1
ПБД	Два слоя хлопчатобумажной обмот­ки	0,2 — 5,2

Бронза — сплав меди с небольшим количеством олова, крем­ния, фосфора, хрома, кадмия или других материалов, обладающий более высокими механическими свойствами, чем медь. Широко при­меняется для изготовления токопроводящих пружин.

Латунь — сплав меди с цинком и другими добавками, об­ладающий большим относительным удлинением, что важно при обработке штамповкой и глубокой вытяжке. Применяется для из­готовления различных токопроводящих деталей.

Состав и свойства некоторых медных электротехнических спла­вов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сплав	Удельная проводимость, % к меди	Предел прочности, МПа	Относитель­ное удлине­ние при разрыве, %
Кадмиевая бронза (0,9 % Cd)	95	До 310	50
Бронза (0,8 % Cd; 0,6 % Sn)	55 — 60 50—55	290 До 730	55 4
Фосфористая бронза (7 % Sn; 0,1 % Р)	10 — 15	До 400	60
Латунь (70 % Си; 30 % Zn)	25	320 — 350	70

Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Для элект­ротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий до 0,5 % примесей. Проволока, изготовленная из алю« миния АЕ и отожженная при температуре 350 °С, обладает удель­ным сопротивлением 0,028 мкОм*м. Алюминий высокой чистоты А97 (примесей до 0,03 %) используется для изготовления тонкой (до 6 мкм) фольги, электродов и корпусов электролитических кон­денсаторов.

Альдрей — сплав алюминия с магнием (0,3 — 0,5 %), крем­нием (0,4 — 0,7%). и железом (0,2 — 0,3 %). Сохраняет легкость чис­того алюминия (плотность 2,7 Мг/м3), обладает близким к нему удельным сопротивлением (0,0317 мкОм-м) и высокой (близкой к твердотянутой меди) механической прочностью.

Металлы и сплавы различного назначения. Ниже рассматривая ются металлы и сплавы, применяющиеся в электротехнике и радио­электронике. Исходя из температуры плавления, общности характе­ристик и области применения, различают тугоплавкие и благородные металлы, металлы со средней и низкой температурой плавления, припои и флюсы.



Тугоплавкие металлы обладают температурой плавления выше 1700 °С, химически устойчивы при низких и активны при высоких температурах, поэтому при повышенных температурах эксплуатиру­ются в вакууме или атмосфере инертных газов.

Тугоплавкими являются такие металлы, как вольфрам, молиб­ден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий. Основные фи­зические свойства некоторых из них были приведены в табл. 1. Тугоплавкие металлы используются для изготовления нитей ламп накаливания, электродо в электронных ламп, пленочных резисторов в микросхемах, контактов, обладающих высокой устойчивостью к эрозии (электроизносу) и образованию электрической дуги.

Помимо чистых тугоплавких металлов в электровакуумной тех­нике для арматуры приборов применяют сплавы W+Mo, Mo+Re, Ta+Nb, Ta+W и др., обладающие требуемыми пластичностью, электрическими и термическими свойствами.

К благородным металлам относят наиболее химически стойкие металлы (золото, серебро, платину).

Золото обладает высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве около 40%) и используется в электронной технике для нанесения коррозионно-устойчивых покрытий на резонаторы СВЧ, внутренние поверхности волноводов, электроды ламп и др. Основные парамет­ры золота были приведены в табл. 1.

Серебро — стойкий против окисления металл (при нормаль­ной температуре), обладающий наименьшим удельным сопротивле­нием (см. табл. 1). Используется для изготовления электродов и контактов на небольшие токи, для непосредственного нанесения на диэлектрики, внутренние поверхности волноводов, а также в произ­водстве керамических и слюдяных конденсаторов.

Платина — очень стойкий к химическим реагентам металл, хо­рошо поддается механический обработке, пластичен. Основные па­раметры плагины были приведены в табл. 1. Применяется для изго­товления термопар, подвесок, подвижных систем электрометров и контактных сплавов.

Металлы со средним значением температуры плавления (желе­зо, никель, кобальт), обладающие повышенным температурным



коэффициентом удельного сопротивления (в 1,5 раза выше меди), ферромагнитны.

Железо (сталь) — наиболее дешевый металл, обладающий высокой механической прочностью и относительно высоким (по сравнению с медью) удельным сопротивлением (около 0,1 мкОм-м). Удельное сопротивление стали, содержащей примеси углерода и других элементов, возрастает (рис. 1).



Рис. 1. График зависимости удельного сопротивления от содержания примесей

В качестве проводникового материала используется мягкая сталь, содержащая- 0,1 — 0,15 % углерода, имеющая предел прочности при растяжении 700 — 750 МПа, относительное удлинение при раз­рыве 5 — 8 % и удельную проводимость в 6 — 7 раз меньшую, чем меди. Основные параметры железа были приведены в табл. 1. Же­лезо используют для изготовления корпусов электронных приборов, работающих при температуре до 500°С, при которой газовыделение невелико. Из алюминированного железа (покрытого тонкой пленкой алюминия) изготовляют аноды, экраны и другие детали электронных ламп.

Никель обладает плотностью, равной плотности меди, легко поддается механической обработке, устойчив к окислению. Основ­ные свойства никеля были приведены в табл. 1. Применяется для изготовления арматуры электронных ламп, нагревательных элемен­тов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов и защитных покрытий изделий из железа.

Сплавы для электровакуумных приборов созданы на основе ме­таллов со средними значениями температуры плавления. Обладают такими температурными коэффициентами линейного расширения а1, при которых возможно сопряжение стекла с металлическими конст­рукциями электронных приборов.

Инвар Н-36 — сплав железа с 36 % никеля, обладает очень малым аг~10-6К-1 в диапазоне температуры от — 100 до + 100 °С,

Платинит Н-47 — сплав железа с 47% никеля. Имеет а?, близкий к ai платины и стекла.

Ковар — сплав железа с 29% никеля и 17% кобальта, об­ладает малым аi=4,8*10-6К-1 и примерно в 2 раза меньшим, чем инвар, удельным сопротивлением. Температура плавления 1450°С.



Рассмотренные сплавы применяются для изготовления токоот­водов электронных ламп, проходящих через стеклянные элементы.

Металлы с низкой (менее 500 °С) температурой плавления. Свинец — мягкий, пластичный металл, обладающий невысокой прочностью (предел прочности при растяжении 16 МПа, относитель­ное удлинение при разрыве 55 %), не стоек к вибрации; устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и других реагентов; под­вержен действию азотной и уксусной кислот, извести и гниющих ор­ганических веществ. Основные свойства свинца были приведены в табл. 1. Свинец и его сплавы используют для изготовления защит­ных (от влаги) оболочек кабелей, плавких вставок предохраните­лей, пластин кислотных аккумуляторов и в качестве материала, по­глощающего рентгеновское излучение. Свинец и его соединения ядо­виты.

Олово — мягкий, тягучий металл, не подвержен влиянию вла­ги, не окисляется на воздухе, разведенные кислоты действуют на него очень медленно. Основные свойства олова были приведены в табл. 1. Применяется в качестве защитных покрытий металлов (лу­жение), с примесью 15% свинца и 1% сурьмы — для получения оловянной фольги в производстве конденсаторов, входит в состав бронз и сплавов для пайки,

Ртуть — жидкий, химически стойкий металл, слабо взаимо­действует с водородом и. азотом. Платина, серебро, золото, щелоч­ные и щелочноземельные металлы, цинк, олово и алюминий раст­воряются в ртути, образуя амальгамы. Нерастворимы в ртути воль­фрам, железо, тантал; слабо растворимы медь и никель. Ртуть и ее соединения очень ядовиты. Основные свойства ртути были при­ведены в табл. 1. Ртуть применяется в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, газоразрядных приборах, лампах днев­ного света и др.

Припои представляют собой специальные сплавы, используемые при пайке. Обычно припой имеет более низкую температуру плав­ления, чем соединяемые металлы. Различают мягкие и твердые при­пои с температурой плавления ТПЛ соответственно до 300 и более 300 °С.



Мягкими припоями являются оловянно-свйнцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС 10) до 90 % (ПОС 90), ос­тальное — свинец. Некоторые оловянно-свйнцовые припои содержат небольшой процент сурьмы (например, ПОС 61-05). Твердыми являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСР) припои с раз« личным» легирующими добавками. Свойства некоторых марок мяг­ких припоев приведены в табл. 4.

Таблица 4

Припой	Марка и состав	Температура плавления, cc	Удельное сопро. тивление, мкОм*М	Удельная тепло-прово дность, Вт/(м-К)	Предел прочно­сти при растяже­нии, МПа
Оловянно-свинцовый	ПОС 61 (61 % Sn; 39% Pb) ПОС 40 (40 % Sn; 60 % Pb)	183 — 190 183 — 238	0,14 0,16	50  42	43 38
Оловянно-свинцово-кад-миевый	ПОСК 50-18 (50 % Sn; 18 % Cd; 32 % Pb)	142 — 145	0,13	54	40
Оловянно-свин-црво-сурьмя-нистый	ПОССу 40-2 (40 % Sn; 2% Sb; 58% Pb)	185 — 299	0,17	42	43

Флюсы, используемые для получения надежной пайки, должны растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаивае­мых металлов и защищать их от окисления. Бескислотными флю­сами являются канифоль, а также флюсы на ее основе с добавле­нием неактивных веществ (спирта, глицерина). Кислотные (актив­ные) флюсы приготавливают на основе соляной кислоты, хлористых и фтористых металлов, активно растворяющих оксидные пленки на поверхности металлов, благодаря чему обеспечиваются хорошая адгезия и высокая механическая прочность соединения. Пайка электроприборов с использованием активных флюсов не допуска­ется.

Сплавы высокого сопротивления. Сплавы, с высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления образцовых резисто­ров, реостатов, электроплиток, паяльников, электроизмерительных и электронагревательных приборов и должны длительно выдержи­вать температуры около 1000 °С. Наибольшее распространение по­лучили сплавы на медной основе (манганин, константен), хромо-никелевые и железохромоалюминиевые, основные свойства которых приведены в табл. 5.



Таблица 5

Сплав	Плотность, Мг/м»	Удельное сопротив­ление, мкОм м	Температурный коэффициент сопро­тивления а -10е, . к-1	Рабочая температу­ра, °С	Предел прочности при растяжении, МПа	Относительное уд­линение при разры­ве, %
Манганин	8,4	0.42 — 0,48	5 — 30	100 — 200	450 — 600	15 — 30
Константан	8.9	0.48 — 0,52	— (5 — 25)	450 — 500	400 — 500	20 — 40
Нихром Х15Н60	8,2	1-1,2	100 — 200	1000	650 — 700	25 — 30
Фехраль и хро-ыаль:
Х13Ю4	7,1-7,5	1.2 — 1,35	100 — 200	900	700	20
Х23Ю5	6,9-7,3	1.3-1,5	65	1200	800	10-15

Манганин — сплав на медной основе (86% Си, 12% Мп, 2 % Ni) используется для изготовления образцовых резисторов и электроизмерительных приборов. Хорошо вытягивается в проволоку диаметром до 0,02 мм или прокатывается в ленту толщиной 0,01 — 1 мм и шириной 10 — 300 мм.

Константан — сплав меди (60%) и никеля (40%). Хоро­шо поддается обработке (протягивается в проволоку и прокатыва­ется в ленту тех же размеров, что и манганин). Электронагрева­тельные элементы из константана допускают работу при темпера­туре до 450° С. При нагреве проволока покрывается оксидной пленкой, обладающей электроизоляционными свойствами, В паре с медью или железом константан дает большую термо-эдс, что за­трудняет использование резисторов из него в измерительных схемах, но позволяет изготовление термопары для измерения температуры до нескольких сотен градусов.

Нихром — сплав никеля (55 — 80%), хрома (15 — 20 %), мар­ганца (1,5 %). Термоустойчив на воздухе. Срок службы нихромовых нагревательных элементов возрастает, если их поместить в твердую инертную среду, затрудняющую доступ кислорода (например, в глину — шамот). Нанесенные на подложки пленки нихрома обес­печивают сопротивление квадрата Rо =50-300 Ом и мощность рассеивания Рдоп=1 Вт/см2 и применяются в качестве резисторов в микросхемах.



Железохромоникелевые сплавы (фехраль, хромаль) по сравнению с нихромом обладают большей твердостью и хруп­костью, с трудом вытягиваются в проволоку и ленту, имеют меньшую стоимость и используются в мощных электронагревательных устрой­ствах. .

Резистивный сплав РС-37-10 содержит 36,5% Сг, 8 — 11 % Ni, остальное — кремний, a PC30-01 — 32% Сг, 0,7 — 1,8%.Fe, остальное — кремний. Эти сплавы соответственно применяют для изготовления тонкопленочных и прецизионных тонкопленочных ре­зисторов. «

Многокомпонентные резистивные спла вы МЛТ для тонкопленочных резисторов, содержащие Si, Fe, Cr, Ni, Al, W, устойчивы к окислению и воздействию химически активных сред. Основные свойства резистивных сплавов приведены в табл. 6.

Таблица 6

Сплав	Плотность, Мг/м	Температура плав-ления, °С	Удельное сопротив­ление, мкОм-м	Температурный ко­эффициент сопро­тивления а*10-4, к-1	Со противление квад­рата пленки, Ом	Толщина аленки, нм
РC-37-10	4,5 — 5	1250	5 — 7	15 — 25	50 — 2000	15 — 300
РС-30-01	3,7 — 4	1350	25 — 35	5 — 15	800 — 3000	20 — 100
МЛТ	—	—	100 — 300	От — 2,5 до + 4	100 — 20 000	—

Двух компонентные материалы для тонкопле-ночных резисторов интегральных схем (дислициды молиб­дена и хрома и сплавы кремния и хрома) имеют следующие пара­метры:

	MoSiz	CrSi2	Si57Cr43	Si73Cr27
R0, Ом	200	1300	2000	20000
ар 10-4, К-1	— 1,25	+2	— 1,5	-14

Сплавы — копель (56 % Си, 44 % Ni); алюмёль (95 % Ni, остальное Al, Si, Mg), хромель (90 % Ni, 10 % Сг), платинородий (90% Pt, 10% Rh) — используют для изготовления термопар. Для измерения температуры до 1600°С применяются платинородий-платиновые термопары, до 900 — 1000 °С — хромель-алюмелевые, до 600 °С — железо-копелевые, хромель-копелевые и железо-константа-новые, а до 350 °С — медь-константановые и медь-копелевые.

Проводящие модификации углерода. Природный графит, пиро­литический углерод и углеродистые пленки применяют в качестве проводящих материалов при изготовлении непроволочных линейных резисторов, микрофонов и различных деталей разрядников теле­фонных сетей, электровакуумных приборов и др.



Природный графит — модификация чистого углерода; Мелко­ дисперсной разновидностью углерода является сажа. Пиролитичес­кий углерод получают термическим разложением без доступа кис­лорода (пиролиз) газообразных углеводородов (метана, бензина) в камере.

Боруглеродистые пленки с малым коэффициентом удельного сопротивления (порядка 10 мкОм-м) и температурным коэффици­ентом — 1*10-4К-1 получают пиролизом борорганических соедине­ний, например (С3Н7)зВ и др. Основные параметры графита и пиро-литического углерода приведены в табл. 7.

Таблица 7

Параметры	Поликри­сталли­ческий графит	Монокристалл графита		Пироли-тический
		вдоль	поперек
		базисных плоскостей
Плотность, Мг/м3	2,3	2,2		2,1
Температурный коэффи­циент линейного рас­ширения аi106, К-1	7,5	6,6	26	6,5 — 7
Удельное сопротивление, мкОм-м	8	0,4	100	10 — 50
Температурный коэффи­циент удельного сопро­тивления, К-1	— 1*10-3	+9-1 0-4	-4- 10-2	-2-10-4

 



Содержание раздела

---

---