Материалы с высокой проводимостью

К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления (ρ ≤ 0,1 мкОм·м); до­статочно высокие механические свойства (главным образом предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разры­ве); способность легко обрабатываться, что необходимо для изготов­ления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения проводов; коррозионная стойкость.

Основным является требование максимальной удельной прово­димости материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации металла, воз­никающей при штамповке или волочении, что приводит к разру­шению отдельных зерен металла. Влияние деформаций металла на его электропроводность устраняется при отжиге, во время которо­го уменьшается число дефектов в металле и увеличиваются средние размеры кристаллов металла. В связи с этим проводниковые мате­риалы используют в основном в отожженном (мягком) состоянии.

Наиболее распространенными современными материалами вы­сокой проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являют­ся цветные металлы (медь, алюминий, серебро, золото) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще шире используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими механическими свойствами и более дешевы по сравнению с чистыми ме­таллами.

Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термичес­кой обработке – отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мяг­кость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства.

Медь и ее сплавы

Медь. Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами:

- малым удельным электрическим сопротивлением (из всех метал­лов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);

- высокой механической прочностью;

- удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в услови­ях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно мед­леннее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди проис­ходит только при повышенных температурах);

- хорошей паяемостью и свариваемостью;

- хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).

Свойства медной проволоки приведены ниже.

Марка МТ ММ

Плотность, D, кг/м³ 8,96·10³ 8,90·10³

Удельное электрическое

сопротивление ρ, мкОм·м, не более 0,0179...0,0182 0,0175

Предел прочности при растяжении σ_р,

МПа, не менее 360...390 260...280

Относительное удлинение

при разрыве ∆l/l, % 0,5...2,5 18...35

Медь получают чаще всего в результате переработки сульфид­ных руд. Примеси снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содер­жание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопро­тивления на 1...5%. Поэтому медь, предназначенная для электро­технических целей, обязательно подвергается электролитической очистке. Катодные пластины меди, полученные в результате элект­ролиза, переплавляют в болванки массой 80...90 кг, которые про­катывают и протягивают, создавая изделия необходимого попереч­ного сечения.

Для изготовления проволоки болванки сначала подвергают го­рячей прокатке в катанку диаметром 6,5…7,2мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных попереч­ных сечений.

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 непригодна для слаботочных контактов. При высокой температуре в электрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение окисной пленки вызывает повышенный износ медных кон­тактов при сильных токах.

Значительное влияние на механические свойства меди оказывает водород. После водородного отжига твердость меди может уменьшить­ся в несколько раз. Разрушительное действие водорода сказывается особенно сильно при наличии кислорода, присутствующего в техни­ческой меди в виде закиси Сu₂О. Водород, легко проникая в глубь металла при повышенных температурах, вступает в реакцию:

Сu₂О + Н₂ = 2Сu + Н₂О

Давление образующегося в металле водяного пара из-за незначи­тельной скорости диффузии его может достигать нескольких тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, нарушающих вакуумную плотность материала и придающих ему хрупкость и лом­кость. В производстве это явление называют водородной болезнью.

В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и М0. Медь марки Ml содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно быть не более 0,08%. Медь марки М0 содержит примесей не более 0,05%, в том числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему со­держанию кислорода медь марки М0 обладает лучшими механи­ческими свойствами, чем медь марки Ml. Еще более чистым проводниковым металлом (не более 0,01% примесей) является ваку­умная медь марки MB, выплавляемая в вакуумных индукционных печах.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).

Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обес­печить высокую механическую прочность, твердость и сопротив­ляемость истиранию: для контактных проводов, шин распредели­тельных устройств, для коллекторных пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.

После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270 °С) с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3...5% выше, чем у твердой меди.

Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандар­том, по отношению к которому удельную электрическую проводи­мость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20°С. Удельная электрическая проводимость такой меди рав­на 58 мкСм/м, соответственно ρ = 0,017241 мкОм·м при значении ТКρ = 4,3·10^-3 К^-1.

Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабе­лях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет боль­шого значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнет­ронов, клистронов, некоторых типов волноводов и др.

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 температурный 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.

Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на электротех­нических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с дру­гими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было пере­плавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводни­ковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюми­нием.

В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей.

Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является ос­новным легирующим элементом, называют бронзами (таблица 2.2).

Таблица 2.2 – Основные свойства некоторых проводниковых бронз

Параметр	Кадмиевая	Бериллиевая	Фосфористая
Удельная электропроводность по отношению к электротехническому стандарту, %	95	37	(10.. .15) (10.. .15)
Предел прочности при рас­тяжении σр, МПа	До 310	(700... 790) (1620... 1750)	400
Относительное удлинение при разрыве ∆l/l, %	50	20	50

Примечание.

1. Состав кадмиевой бронзы 0,9% Cd, остальное Cu; бериллиевой - 2,25% Be, остальное Cu; фосфористой 0,1 % Р, 7% Sn, остальное Cu.

2. В числителе данные для отожженной бронзы, в знаменателе - для твердотянутой.

При правильно подобранном составе бронзы имеют значитель­но более высокие механические свойства, чем чистая медь (значе­ния предела прочности бронз могут доходить до 800...1200 МПа и более). Бронзы обладают малой объемной усадкой (0,6...0,8%) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка достигает 1,5...2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают из бронзы.

Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок. На­пример, бериллиевая бронза Бр.В2 (2% бериллия Be, остальное медь Cu); фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,15 фос­фора Р, остальное медь Cu).

Введение в медь кадмия дает существенное повышение механи­ческой прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости γ.

Кадмиевую бронзу БрК_д 0,9 (0,9% кадмия Cd, остальное Cu) применяют для контактных проводов и коллекторных пластин осо­бо ответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методах сварки.

Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза, механической прочностью, твердостью и стойкостью к механическому износу (пре­дел прочности при растяжении σ_p до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250°С. Она находит применение при изготовлении ответственных токоведущих пружин для электрических приборов, щеткодержателей, токоштепсельных и скользящих контактов.

Фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,15 фосфора Р, остальное медь Cu) отличается низкой электропроводностью. Из нее изготавливают различные малоответственные токоподводящие пружины в электроприборах.

Латуни. Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%).

Основные свойства некоторых латуней приведены ниже.

Сплав и его состав Л68 Л59-1

68% Cu, 32% Zn) (59% Cu, l% Pb, 40% Zn)

Удельная проводимость

по отношению к

электротехническому стандарту

меди, % 46/30 30/20

Предел прочности при

растяжении σ_р, МПа 380/880 350/450

Относительное удлинение

при разрыве ∆l/l,% 65/5 25/5

Примечание. В числителе данные для отожженной латуни, в знаменателе – для твердотянутой.

Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высо­ким относительным удлинением при повышенном пределе проч­ности на растяжение по сравнению с чистой медью, они имеют по­ниженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель, марганец.

Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпач­ки радиотехнических ламп).

В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозна­чение латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие ле­гирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1 % свинца Pb, остальное цинк Zn).

Алюминий и его сплавы

Алюминий. Алюминий относится к так называемым легким ме­таллам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного -2700 кг/м³).

Алюминий обладает следующими особенностями:

удельное электрическое сопротивление ρ алюминия (при содер­жании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;

алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;

из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плав­ления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавле­ния требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавле­ние такого же количества меди;

даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках сто­имость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако исполь­зование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, ко­торая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но созда­ет большое переходное сопротивление в местах контакта алюми­ниевых проводов, что затрудняет пайку Al обычными способами. Чтобы разрушить оксидную пленку AL, используется ультразвук. Оксидная пленка очень прочно сцеплена с поверхностью Al, содержащего незначительное количество примесей. Поэтому Al высокой чистоты чрезвычайно стоек к кислотам, морской воде и другим средам;

алюминий менее дефицитен, чем медь;

существенным недостатком алюминия как проводникового ма­териала является низкая механическая прочность, для ее повыше­ния алюминий подвергается механической обработке;

прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству­ющим операциям для меди;

примеси значительно снижают проводимость алюминия.

Применение Al:

алюминиевая фольга толщиной 6-7 мкм применяется в качестве обкладок в бумажных конденсаторах или пластины конденсаторов переменной емкости;

из тонкой алюминиевой фольги, учитывая ее отражательные способности, изготавливают экраны для защиты чувствительной измерительной аппаратуры от воздействия тепла, излучаемого телом человека;

промышленностью выпускаются с алюминиевой обмоткой провода с круглыми и прямоугольными жилами в волокнистой или резиновой изоляции, широко распространенные кабели с алюминиевыми жилами для прокладки в земле, под водой внутри туннелей и т.д. Алюминиевые провода легче проводов из Cu, но обладают меньшей прочностью, поэтому для обеспечения необходимой надежности используются сталеалюминевые многожильные провода с центральной стальной жилой;

из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной межвитковой и междуслойной изоляции. Но алюминиевые провода с оксидной изоляцией имеют недостатки: ограниченную гибкость и заметную гигроскопичность. В некоторых случаях, чтобы избежать последнего недостатка, изоляцию покрывают лаком;

алюминиевые пленки хорошо используются в ИС и ГИС в качестве контактов и тонкопленочных проводников. Алюминиевые пленки обычно на Si – пластины наносят методом вакуумного напыления. Алюминий хорошо напыляется, причем обладает хорошим сцеплением к Si и SiO₂, обеспечивает хорошие омические контакты (невыпрямляющие) с Si (с p^-Si и n⁺Si);

алюминиевые проволоки d=25 – 60 мкм используются для подсоединения контактной площадки кристалла ИС к выводам корпуса, причем подсоединенных ультразвуковой сваркой;

в качестве обкладок тонкопленочных конденсаторов ГИС;

Контакт Al + Cu должен быть хорошо заизолирован, недопустимо попадание воды, что приводит к образованию гальванического элемента, идет интенсивное разрушение контакта со стороны Al, как наиболее активного, стоящего в ряду активности гораздо левее, чем Cu.

Недостатки Al в производстве ИМС:

- на границе контакта Si - Al возникает растворение Si в Al на базе твердотельной диффузии при 577˚С, поэтому применяют в СБИС вместо чистого Al, сплав Al + 1,5% Si или барьерный слой из W, Pd, Pt;

- мягкость Al может приводить к царапинам, повреждению алюминиевой пленки;

- невозможность крепления выводов к алюминиевой пленке пайки;

- из-за разных скоростей диффузии Al и Au, возникают пустоты со стороны Au – проволоки и контакт Al-Au не надежен, возникают также интерметаллические соединения между Al и Au, которые уменьшают механическую прочность контактной области и увеличивают переходное сопротивление контакта.

Преимущества Al в производстве ИМС:

- металлизация в ИМС выполняется одним металлом, что упрощает технологию;

- Al дешев;

- пленки Al обладают высокой электропроводностью;

- испарение в вакууме легко осуществляется с W-испарителя;

- Al обладает хорошей адгезией SiO₂ и другими окислями;

- легко Al пленки обрабатываются методом фотолитографии, чтобы получить проводники, контактные площадки определенной конфигурации;

- поддается травлению, при этом эти травители действуют на Si и SiО₂;

- в системе Si-Al нет химических соединений;

- Al пластичен и выдерживает циклическое изменение температуры.

Алюминий высокой степени чистоты (примесей не более 0,001...0,01%) марок А999 и А995 используют для изготовления анодной и катодной фольги электролитических конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких пленок.

Менее чистый алюминий марок А97 и А95 (примесей не более 0,03%) используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алю­миниевой фольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следующих марок: АТП - твердая повышенной прочности, AT - твердая, АПТ - полутвердая, AM - мягкая.

Основные свойства алюминиевой проволоки приведены ниже.

Марка алюминия AT AM

Плотность D, кг/м³ 2600...2700 2600...2700

Удельное электрическое

сопротивление ρ, мкОм·м, не более 0,02 0,0290

Предел прочности при растяжении

σ_р, МПа, не менее 160...170 80

Относительное удлинение при разрыве ∆l/l, % 1,5...2,0 10...18

По мере снижения твердости проволоки в 1,9...2,7 раза уменьшает­ся предел ее прочности при растяжении. Максимальное значение пре­дела прочности σ_p алюминиевого провода более чем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения медного. Из-за низкой механической проч­ности правильная эксплуатация алюминиевых поводов сопряжена с выполнением следующих условий: их нельзя протаскивать по твердо­му грунту, скручивать медной проволокой, загрязнять поверхность.

Алюминиевые сплавы. Сплав альдрей (0,3...0,5% меди Cu, 0,4...0,7% кремния Si, 0,2...0,3% железа Fe, остальное алюминий Al) обладает следующими свойствами:

- повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алю­миния, приближаясь к твердотянутой меди σ_p = 350 МПа);

- сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному электрическому сопротивлению (ρ = 0,0317 мкОм·м);

- более высоким пределом вибрационной прочности по сравне­нию с чистым алюминием.

Применяется для изготовления проводов малонагруженных ли­ний электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плот­ностью. Применяется для изготовления стрелок различных элект­рорадиотехнических приборов.

Натрий

Натрий относится к перспективным проводниковым матери­алам, обладающим следующими свойствами:

- удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза больше, чем у меди, и в 1,7 раз больше, чем у алюминия;

- низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводимости на единицу длины при нормальной температуре значитель­но легче, чем провода из любого другого металла;

- химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бур­но реагирует с водой);

- мягок;

- малый предел прочности при растяжении и других деформациях.

Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэтиленовые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создает электрическую изоляцию.