Классификация проводников

К группе проводниковых материалов принято относить проводники с удельным электрическим сопротивлением в нормальных условиях ρ ≤ 10^-7 Ом×м. В электронной технике в качестве проводниковых используют три основные группы материалов: металлы, сплавы металлов и неметаллические проводящие материалы.

Металлы подразделяют на четыре группы:

1) Металлы с высокой удельной проводимостью (т.е. с низким значением удельного сопротивления). К ним относят медь и алюминий, у меди ρ = 1,7∙10^-8 Ом×м, у алюминия ρ = 2,6∙10^-8 Ом×м. Это наиболее широко применяемые в электронике металлы. Они применяются для изготовления радиомонтажных проводов и кабелей, а также в качестве тонких плёнок в интегральных микросхемах.

2) Благородные металлы. К ним относят золото, серебро, платину и палладий. Они обладают высокой химической стойкостью. Применяются в качестве контактных материалов и коррозиестойких покрытий.

3) Тугоплавкие металлы. Эти металлы имеют температуру плавления, превышающую 1700 °С. К ним относят вольфрам, молибден, хром, рений и др.

4) Металлы со средним значением температуры плавления. К ним относят железо, никель и кобальт, обладающие температурой плавления около 1500 °С Эти металлы имеют сильно выраженные магнитные свойства.

Основные физические свойства некоторых металлов приведены в Приложении 1.

Сплавы металлов подразделяют на три группы:

1) Сплавы высокого сопротивления. К ним относят манганин (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni), константан (60 % Сr, 40 % Ni), хромоникелевые сплавы. Эти сплавы имеют удельное электрическое сопротивление более 4∙10^-7 Ом×м. Они применяются для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.

2) Сверхпроводящие сплавы. Это сплавы, у которых при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Среди таких сплавов наилучшими параметрами обладают сплавы ниобия (Nb₃Ga, Nb₃Ge).

3) Припои. Это низкотемпературные сплавы, применяемые при пайке. Различают мягкие и твёрдые припои. Мягкие припои имеют температуру плавления ниже 300 °С. В их состав входит от 10 до 90 % олова, остальное – свинец. Наиболее распространенными твердыми припоями, имеющими температуру плавления более 300°С, являются медно-цинковые и серебряные.

Неметаллические проводящие материалы подразделяют на три группы:

1) Углеродистые материалы. Наиболее широкое применение среди этих материалов имеет графит – одна из разновидностей чистого углерода. К ценным свойствам графита относятся малое удельное сопротивление, хорошая теплопроводность, а также стойкость ко многим агрессивным химическим средам.

2) Композиционные проводящие материалы. Они представляют собой механическую смесь проводящего наполнителя с диэлектрической связкой. Наибольший интерес представляют контактолы и керметы. Контактолами называют маловязкие или пастообразные композиции, применяемые в качестве токопроводящего клея или краски. Связующим веществом в них являются синтетические смолы, а токопроводящим наполнителем – мелкодисперсные порошки металлов (серебра, никеля, палладия). Керметами называют металлодиэлектричекие композиции с неорганическим связующим веществом. Они обладают высоким удельным поверхностным сопротивлением, поэтому применяются для изготовления тонкопленочных резисторов. Наибольшее распространение получила микрокомпозиция Cr-SiO, тонкие пленки которой изготовляют путём напыления в вакууме на диэлектрическую подложку.

3) Проводящие материалы на основе оксидов. Подавляющее большинство чистых оксидов являются диэлектриками, однако при неполном окислении или при введении примесей проводимость оксидов резко повышается. Такие материалы можно использовать в качестве контактных и резистивных слоёв. Практический интерес представляют тонкие пленки диоксида олова SnO₂ и оксида индия In₂O₃.

Медь

Медь(Cu, от лат. Cuprum) – элемент побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Простое вещество медь – это пластичный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Медь на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет. Преимущества меди, обеспечивающие её широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев стойкость к коррозии (даже в условиях повышенной влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;

5) относительная легкость пайки и сварки.

Свойства меди.Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью, занимает второе место по электропроводности после серебра. Удельная проводимость меди (5,5 ÷ 5,8)∙10⁷ См/м при 20 °C, плотность 8,96 г/см³, температура плавления Т_пл = 1083 ^оС,

Существует ряд сплавов меди: латуни – с цинком, бронзы – с оловом и другими элементами, мельхиор – с никелем, баббиты – со свинцом и другие.

Удельная проводимость меди весьма чувствительна к наличию даже небольшого количества примесей и снижается в зависимости от вида примеси на 5 ÷ 55 %. В то же время присадки многих металлов повышают механическую прочность и твердость меди.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления окисной пленки с металлом невелика. Вследствие окисления медь не пригодна для слаботочных контактов. При высокой температуре в электрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Механическое отслаивание и термическое разложение вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

Получение меди.Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем, медь обязательно подвергают электролитической очистке. Можно получить различную по физическим свойствам медь:

– методом холодной протяжки получают твердую медь (ТМ), которая имеет высокий предел прочности при растяжении, твердость и упругость при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит, имеет малое относительное удлинение при изгибе;

– методом отжига получают мягкую медь (ММ), которая пластична, обладает малой твердостью и прочностью, весьма большим относительным удлинением при разрыве, более высокой удельной проводимостью.

Применение меди.Медь применяют в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используют в качестве экранов кабелей. Твердую медь употребляют в тех случаях, когда необходимо обеспечить особенно высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например, для изготовления неизолированных проводов. Если же требуется хорошая гибкость и пластичность, а предел прочности на растяжение не имеет существенного значения, то предпочтительнее мягкая медь (например, для монтажных проводов и шнуров).

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали клистронов, магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и резонаторов. Кроме того, медь используют для изготовления фольгированного гетинакса и применяют в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы. Несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол, медь применяют для спаев со стеклами, поскольку она обладает рядом замечательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и высокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному электроду придают специальную форму в виде тонкого рантика, благодаря чему такие спаи называют рантовыми.