Проводниковые материалы и сплавы различного применения
Проводниковые материалы и сплавы различного применения используются в качестве специальных проводниковых материалов с особыми свойствами, например магнитными, или материалов, обладающих высокой тугоплавкостью или химической стойкостью.
Благородные металлы
Группу благородных металлов (серебро, платина, палладий, золото) составляют металлы, обладающие наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды и действию агрессивных сред (кислот, щелочей). Основные свойства благородных металлов приведены в таблице 2.5.
Таблица 2.5 – Основные свойства благородных металлов
| Параметр | Ag | Pd | Аu | Pt |
| Плотность D, кг/м3 | ||||
| Температура плавления Тпл, ˚С Удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм·м Температурный коэффициент: | 960,8 | 1554,5 | 1063,0 | 1773,0 |
| 0,016 | 0,011 | 0,024 | 0,105 | |
| удельного электрического сопротивления ТКρ, К-1 | 4,1·10-3 | 3,1·10-3 | 4,0·10-3 | 3,98·10-3 |
| линейного расширения ТКl, К-1 | 19·10-6 | 12·10-6 | 14·10-6 | 9·10-6 |
Серебро Ag. Серебро – белый блестящий металл со следующими свойствами:
- самый электропроводный металл (удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре ρ = 0,016 мкОм·м);
- имеет высокие механические свойства (предел прочности при растяжении σр = 200 МПа, относительное удлинение при разрыве ∆l/l примерно 50%), что позволяет промышленно изготавливать проводники различного диаметра, включая микропровода диаметром 20 мкм и менее;
- при вжигании или напылении образует прочные покрытия на диэлектриках;
- при повышенных температурах и влажности атомы серебра мигрируют по поверхности и внутрь диэлектрика, вызывая нарушение работы устройства;
- химическая стойкость ниже, чем у других благородных металлов;
- образует окислы с высокой электропроводностью;
- образует пленки сернистых соединений Ag2S с повышенным удельным сопротивлением, что требует защиты серебряных покрытий лаками или тонким слоем более стойкого металла, например палладия;
- остродефицитный материал.
Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в аппаратуре разных мощностей. Высокие значения удельных теплоемкости, теплопроводности и электрической проводимости серебра обеспечивают по сравнению с другими металлами наименьший нагрев контактов и быстрый отвод теплоты от контактных точек. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики, в качестве электродов, в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этого применяют метод вжигания или испарения в вакууме. Серебром покрывают внутренние поверхности волноводов для получения слоя высокой проводимости. С этой же целью серебрению подвергают проводники высокочастотных катушек. Ag входит в состав припоев.
Платина Pt. Платина – светло-серый металл со следующими свойствами:
- не соединяется с кислородом;
- наиболее химически стойкий (устойчив к большинству кислот);
- имеет высокую пластичность (предел прочности при растяжении после отжига σp примерно 150 МПа, относительное удлинение при разрыве ∆l/l 30...32%);
- легко поддается механической обработке;
- образует спаи с легкоплавкими стеклами благодаря близости коэффициентов линейного расширения;
- редко применяется по причине высокой стоимости.
Платину используют как материал для сеток в мощных генераторных лампах, при изготовления термопар в паре с платинородием для измерения высоких температур (до 1600°С), для особо тонких нитей (диаметром примерно 1 мкм) в подвижных системах электрометров. Платина входит в состав проводящих паст, вжигая которые на монолитные керамические конденсаторы, получают электроды.
Вследствие малой твердости платина редко используется для контактов в чистом виде, но служит основой для некоторых контактных сплавов. Наиболее распространенными являются сплавы платины с иридием; они не окисляются, имеют высокую твердость, малый механический износ, допускают большую частоту включений, однако дороги и применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую надежность контактов.
Палладий Pd. Палладий – белый пластичный металл, по многим свойствам близкий к платине, в ряде случаев служит его заменителем, так как дешевле ее в 4–5 раз. Использование палладия в электровакуумной технике обусловлено его способностью интенсивно поглощать водород. Последний в отличие от других газов диффундирует в палладий при сравнительно низких температурах (150–300°С) и избыточном давлении 0,015–0,1 МПа, а затем вновь выделяется в чистом виде при нагревании палладия в вакууме до температур 350–500°С. Твердый палладий поглощает более чем 850-кратный объем водорода по отношению к собственному объему. Выделенным из палладия чистым водородом наполняют некоторые типы газоразрядных приборов.
Благодаря высокой проницаемости для водорода его применяют в электровакуумной технике для очистки водорода.
Золото Аu. Золото – металл желтого цвета со следующими свойствами:
- имеет высокую пластичность (относительное удлинение при разрыве ∆l/l 40%), что позволяет получать фольгу толщиной 0,08 мкм и менее (это в 250 раз тоньше человеческого волоса);
- коррозионную стойкость к образованию сернистых пленок при комнатной температуре и при нагревании;
- химическую стойкость.
Золото в чистом виде и в виде сплавов с платиной, серебром, никелем, цирконием, имеющими повышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стойкость, применяют для изготовления прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов фотоэлементов, для вакуумного напыления тонких пленок полупроводниковых и гибридно-пленочных интегральных схем, золочения контактных поверхностей электронных ламп СВЧ, корпусов микросхем.
Тонкие пленки золота применяются в качестве полупрозрачных электродов в фоторезисторах и полупроводниковых фотоэлементах, а также в качестве межсоединений и контактных площадок в пленочных микросхемах. В последнем случае из-за плохой адгезии к диэлектрическим подложкам пленки золота наносят обычно с адгезионным подслоем (чаще всего хрома). В контактах золота с алюминием происходит постепенное образование ряда интерметаллических соединений, обладающих повышенным удельным сопротивлением и хрупкостью. Поэтому контакты тонких пленок золота и алюминия ненадежны.
Тугоплавкие металлы
К тугоплавким относят металлы с температурой плавления более 1700°С. Эти металлы, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при повышенных температурах активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них эксплуатируют в вакууме или среде инертных газов (аргон Аr, азот N2 и др.). Механическая обработка тугоплавких металлов затруднена из-за их повышенной твердости и хрупкости.
Тугоплавкие металлы (вольфрам W, рений Re, молибден Мо, тантал Та, титан Ti, ниобий Nb, цирконий Zr) применяют в электровакуумной технике, полупроводниковом производстве и микроэлектронике, для подвижных контактов и в качестве материала для сверхпроводников. Основные свойства некоторых тугоплавких металлов приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.6 – Основные свойства тугоплавких металлов
| Параметр | Ti | Zr | Nb | Mo | Та | Re | W |
| Плотность D, кг/м3 | |||||||
| Температура плавления | |||||||
| Удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм • м | 0,42 | 0,41 | 0,18 | 0,050 | 0,135 | 0,21 | 0,055 |
| Температурный коэффициент: удельного электрического сопротивления | 44·10-4 | 45·10-4 | 30·10-4 | 46·10-4 | 38·10-4 | 32·10-4 | 46·10-4 |
| ТКρ, К-1 | |||||||
| линейного расширения ТКl, К-1 | 8·10-6 | 5,4·10-6 | 7,2·10-6 | 5,1·10-6 | 6,5·10-6 | 4,7·10-6 | 4,4·10-6 |
Вольфрам W. Вольфрам – светло-серый металл, который обладает следующими свойствами:
- наиболее высокая температура плавления;
- очень большая плотность;
- наименьшее значение температурного коэффициента линейного расширения ТКl изо всех чистых металлов, применяемых в вакуумной технике;
- сравнительно дорог, с трудом обрабатывается и поэтому применяется только там, где его нельзя заменить.
Сравнительно толстые вольфрамовые изделия с мелкокристаллической структурой очень хрупкие вследствие высокой прочности отдельно взятых кристаллов при очень слабом их сцеплении между собой.
Волокнистая структура металла, создаваемая ковкой и волочением, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых может быть менее 10 мкм. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н.Лодыгиным в 1890 г.
Это свойство используют при изготовлении термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами. Основная область применения вольфрама - изготовление нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и косвенного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок, размыкающих контактов реле, испарителей для нанесения в вакууме тонких пленок различных материалов. Для контактов с большими значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы на основе порошка вольфрама.
Рений Re. Рений – серовато-белый редкоземельный металл. В природе рений встречается в виде примеси в сульфидных минералах. Он обладает следующими свойствами:
- коррозионная стойкость (до температуры 1000°С не окисляется);
- малая испаряемость при высоких температурах в среде технического вакуума.
Рений применяется для покрытия вольфрамовых нитей с целью повышения срока службы. Покрытие наносят разложением летучих соединений рения в атмосфере водорода над вольфрамовой нитью, нагретой до температуры 2000°С.
Молибден Мо. Молибден – близкий по своим свойствам к вольфраму металл, но почти в 2 раза легче последнего. Он обладает следующими свойствами:
- самое низкое удельное электрическое сопротивление ρ из всех тугоплавких металлов;
- допустимая рабочая температура ниже, чем у вольфрама;
- окисление начинается с температуры 500°С.
Структура кованого и тянутого молибдена сходна со структурой образца вольфрама. Однако отожженный мелкозернистый молибден обладает хорошей пластичностью и его механическая обработка не вызывает особых затруднений.
Молибден применяют для изготовления анодов и сеток генераторных ламп, крючков для поддерживания вольфрамовых нитей, теплоотводов в корпусах мощных ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов, в качестве разрывных электрических контактов, в паре с вольфрамом для изготовления термопар, рассчитанных на измерения температур до 2000°С в инертных средах и вакууме.
Тантал Та. Тантал – серовато-белый металл, который обладает следующими свойствами:
- ковкость;
- вязкость;
- высокая пластичность даже при комнатной температуре;
- в отличие от вольфрама и молибдена допускает холодную механическую обработку и сварку;
- в качестве электровакуумного конструкционного материала выдерживает температуру до 1200°С;
- способен поглощать газы в электровакуумном приборе.
Прокатываниием получают танталовую фольгу для электролитических конденсаторов толщиной в несколько микрон.
Применяют также в качестве различных нагревателей и испарителей, используемых в технологии вакуумного нанесения тонких пленок. Ввиду высокой стоимости тантал используют для изготовления ответственных изделий сложной формы, работающих в вакууме в напряженном тепловом режиме.
Титан Ti. Титан обладает следующими свойствами:
- пластичность;
- сравнительно высокая механическая прочность;
- высокая газопоглощающая способность, особенно при нагревании до температуры 500°С.
Он получается термической диссоциацией йодистых соединений.
Титан применяется для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых электродов электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.
Титановые сплавы образуются в результате легирования титана алюминием, железом, хромом, марганцем, оловом и другими и обладают следующими свойствами: низкая плотность, высокая коррозионная стойкость, прочность, жароупорность, низкие литейные свойства, удовлетворительно обрабатываются резанием твердо-сплавным инструментом, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Некоторые титановые сплавы упрочняют термической обработкой.
Ниобий Nb. Ниобий - металл серовато-белого цвета, который обладает следующими свойствами:
- пластичность;
- хорошо поддается механической обработке;
- в слитках при комнатной температуре не корродирует, но его порошок заметно окисляется на воздухе.
Ниобий применяется для изготовления катодов генераторных ламп, анодов, управляющих сеток.
Цирконий Zr. Цирконий – металл, который в слитках похож на сталь, хорошо куется. Высокая концентрация циркониевой пыли в воздухе пожароопасна, так как порошкообразный цирконий при температуре свыше 75°С легко воспламеняется.
Тугоплавкие соединения циркония (карбиды, нитриды), обладающие сравнительно высокой электропроводностью, применяют для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок для печатного монтажа.
Ртуть Hg
Ртуть – единственный чистый металл, который при нормальной температуре находится в жидком состоянии. Он обладает следующими свойствами:
- легко испаряется даже при комнатной температуре, и пары ее очень вредны;
- применение паров ртути в газоразрядных приборах обусловлено более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами;
- чистая ртуть и ее соединения относятся к ядовитым веществам;
- в ртути хорошо растворяются щелочные и редкоземельные металлы (магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, серебро, золото);
- слабо растворяются в ртути медь и никель;
- не растворяются в ртути железо и титан.
Получают ртуть металлургическим способом, подвергая ее многократной очистке. Завершающей операцией является вакуумная перегонка при температуре примерно 200 °С.
Применяют ртуть в лампах дневного света, для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах.
Основные свойства ртути приведены в таблице 2.7.
Таблица 2.7 – Основные свойства металлов различного применения
| Параметр | Hg | Ga | In | Sn | Cd | Pb | Zn |
| Плотность D, кг/м3 | |||||||
| Температура плавления Тпл, °С | 38,9 | 29,7 | |||||
| Удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм·м | 0,958 | 0,56 | 0,09 | 0,12 | 0,076 | 0,21 | 0,059 |
| Температурный коэффициент, К-1: | |||||||
| ТКρ | 9·10-4 | – | 47·10-4 | 44·10-4 | 42·10-4 | 37·10-4 | 40·10-4 |
| ТКl | 61·10-6 | 183·10-6 | 25·10-6 | 23·10-6 | 30·10-6 | 29·10-6 | 31·10-6 |
Легкоплавкие металлы
К легкоплавким металлам относятся металлы, у которых температура плавления не более 500˚С. Основные их параметры приведены в таблице 2.7.
Галлий Ga. Галлий – металл, который плавится почти при комнатной температуре.
Применяют галлий в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия, он входит в состав низкотемпературных припоев. Сплавы индия с галлием с температурой плавления ниже комнатной используют как жидкие проводниковые материалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы, а также в качестве жидкого контакта в установках шовной контактной сварки при герметизации корпусов микросхем.
Индий In. Индий – серебристо-белый металл с низкой температурой плавления.
Используется в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых приборов, а также входит в состав низкотемпературных припоев и жидких токопроводящих контактов (например, в установках шовной контактной роликовой сварки).
Олово Sn. Олово – серебристо-белый металл, имеет ярко выраженное крупнокристаллическое строение. Он обладает следующими свойствами:
- при изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга;
- при нормальной температуре олово на воздухе не окисляется;
- под действием воды не изменяется;
- разведенные кислоты действуют на олово медленно;
- устойчиво при температуре выше 13,2°С.
Олово, кристаллизующееся в тетрагональную систему с плотностью 7310 кг/м3, называют белым оловом. Белое олово обладает следующими свойствами:
- предел прочности изменяется от 16 до 38 МПа;
- при низких температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение второй модификации серого олова с плотностью 5600 кг/м3), которые называют оловянной чумой;
- при нагревании серое олово снова переходит в белое;
- если нагреть олово до температуры выше 160°С, то оно переходит в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким.
Олово является мягким, тягучим металлом, из которого в результате прокатки получают тонкую фольгу. Для облегчения прокатки и улучшения механической прочности в олово вводят присадки (до 15% свинца и до 1% сурьмы). Тонкую оловянную фольгу (6...8 мкм) с присадками применяют в производстве некоторых типов конденсаторов. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20...40 мкм применяют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.
Кадмий Cd. Кадмий – серебристо-белый металл, являющийся постоянным составным элементом цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при получении цинка. Как и цинк, кадмий подвергается электролитической очистке. Наиболее чистый металл содержит 99,997% кадмия. Он входит в состав ряда припоев и бронз.
Применяется для изготовления фотоэлементов, покрытий СВЧ волноводов вместо серебра, гальванических элементов, а также в атомных реакторах в качестве замедлителя.
Свинец Рb. Свинец – мягкий металл сероватого цвета с высоким удельным электрическим сопротивлением и крупнокристаллическим строением. Его кристаллы становятся видны при протирании азотной кислотой даже невооруженным глазом. Он обладает следующими свойствами:
- на свежем срезе имеет сильный металлический блеск, но быстро тускнеет на воздухе вследствие поверхностного окисления;
- высокая пластичность;
- низкая прочность (предел прочности при растяжении σр примерно 14 МПа при относительном удлинении ∆l/l более 55%);
- высокая коррозионная стойкость (свинец не пропускает воду);
свинец и его соединения ядовиты.
Благодаря высокой коррозионной стойкости свинец в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, защищающих кабель от влаги. Его используют также для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и как материал, поглощающий рентгеновские лучи.
Цинк Zn. Цинк – пластичный металл светлого цвета, который обладает следующими свойствами:
- при нормальной температуре сравнительно стойкий к коррозии;
- при нагревании до температуры 200°С становится хрупким.
Получают металлургическими методами с последующей электролитической очисткой. Высокоочищенный металл содержит 99,99% цинка.
Цинк применяют в качестве защитного покрытия для других металлов (например, железа), в фотоэлементах, а также для металлизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят в процессе испарения цинка в вакууме при температуре примерно 600°С.