Металло-окисные резистивные материалы.
Из них используется двуокись олова. Получают такие плёнки путём термического разложения хлористого олова. Плёнки отличаются высокой адгезией к стеклу, ситаллу, керамике, высокой стойкостью к истиранию, поэтому применяется для изготовления как постоянных, так и переменных резисторов.
Интерметаллические сплавы.
Это сплавы на основе металлов и полупроводников. Для изготовления резисторов применяются в основном сплавы на основе хрома и кремния (хромосилицидные сплавы). Добавки Si повышают удельное сопротивление. Они отличаются высокой радиационной стойкостью, стабильностью к внешним воздействиям, у них хорошая воспроизводимость. Для изготовления плёночных резисторов ГИСов применяются марки РС3001, РС3710 (37%Cr; 10%Ni; остальное – Si ). РС3001 – 1%Те – применяется для прецизионных резисторов, РС3710 для общего применения. Для дискретных резисторов применяется сплав марки МЛТ-3М (Cr – 17%; Fe – 14%; остальное – кремний).
Механические композиции.
Это смесь резистивного материала и диэлектрика. Не должны вступать между собой в химическое взаимодействие. Для дискретных резисторов применяется композиция из графита и фенолоформальдегидной смолы (лакосажевые резисторы). Для изготовления резисторов тонкоплёночных ГИС применяют композицию на основе хрома и окисного кремния, называют эти материалы - керметы. В зависимости от соотношения диэлектрической и проводящей фаз температурный коэффициент удельного сопротивления может быть как положительным, так и меньше нуля. Чем больше содержание диэлектрической фазы, тем больше сопротивление, но при этом ТКr<0. Керметные плёнки имеют высокую стабильность параметров, адгезию, воспроизводимость плохая.
2.10. Материалы для толстоплёночных ГИС.
Эти толстоплёночные ГИС рассчитаны на высокую удельную мощность. Изготовляют их по методу трафаретной печати. Исходное состояние материала – паста. Эта паста – густо-вязкая композиция, которая через трафарет наносится на керамическое основание, после этого производят высокотемпературный отжиг и на поверхности диэлектрика остаётся твёрдая плёнка резистивного или проводящего элементов. Паста состоит из трёх компонетов:
1) функциональный – это порошок металла или оксида металла, может быть диэлектрика, определяет электрические свойства изделия.
2)Диэлектрический – порошок легкоплавкого стекла (стеклофритта) выполняет роль постоянного связующего, обеспечивает адгезию материала к подложке, так же влияет на rV и ТКr. Большой процент стеклофазы применяется в высокоомных резисторах и ТКr у них меньше нуля.
3)Органическая связующая, которую вводят для придания пасте соответствующей вязкости, чтобы можно было использовать материал для трафаретной печати.
Основные этапы для приготовления паст: размол раздробленного стекла, смешивают стеклянный и металлический порошок, пропитывают органическим связующим. Пасты бывают проводящими, они должны обладать низким удельным сопротивлением, должны допускать пайку и сварку, совместимы с резистивными пастами. В качестве функционального компонента используются порошки Ag, Au, Pt, Pa. Лучшими свойствами обладает паста: 55%Ag; 30%Pa. Температура отжига такой пасты Т=650¸680°С. Резистивные пасты должны обладать широким диапазоном удельного сопротивления, чтобы обеспечить перекрытие всего диапазона применяемых сопротивлений. Должны иметь хорошую воспроизводимость, стабильность, быть совместимыми с проводящими пастами. Для низкоомных резисторов применяют пасты на основе металлических порошков, для высокоомных – на основе оксидов металлов PdO, Te2O3, TlO, RnO, Nb2O3. На величину удельного сопротивления, а также на ТКr оказывает влияние диэлектрическая фаза, за счёт неё ТКr может быть меньше нуля.
2.11. Сплавы специального назначения.
Припой – специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайку производят для получения постоянного электрического контакта с малым проходным сопротивлением или для получения прочного герметичного шва.
Требования к припоям:
1) хорошая жидко текучесть в расплавленном состоянии, чтобы заполнять все узкие зазоры и швы;
2) малый интервал кристаллизации;
3) высокая механическая прочность;
4) высокая коррозийная стойкость;
5) высокая проводимость.
Наличие на поверхности металла загрязнений и оксидных плёнок затрудняет процесс пайки, поэтому перед пайкой поверхности очищают, а в процессе пайки необходимо обеспечить защиту этих поверхностей от окисления, для этого применяют флюсы. Припои делятся на мягкие ТПЛ<300°С и твёрдые с ТПЛ>300°С. Твёрдые припои имеют большую механическую прочность, чем мягкие. Маркируются припои буквами русского алфавита, где указывается основной состав припоя:
| П – припой; O– олово; C – свинец; Ср – серебро; | А – алюминий; Ви – висмут; Ин – индий; Су – сурьма; | К – кадмий; Ц – цинк; М – медь. |
Если в состав припоя входит редкий или драгоценный металл, то его содержание обязательно указывается в марке припоя.
Основную группу мягких припоев составляют: ПО, ПОС-10, ПОС-90. Цифра указывает содержание олова, остальное – свинец. Для пайки РЭ изделий применяют сурьмянистые оловянно-свинцовые припои Су до 5% ПОССу-40-2. Наличие сурьмы повышает прочность припоя и уменьшает его ползучесть под нагрузкой. Для пайки элементов, чувствительных к температуре, применяют легкоплавкие припои с ТПЛ<145°С. К таким относятся ПОСК-47-17. Для пайки изделий МЭА часто используется серебряно-индиевые припои ПСр-3Ин: 3% – Ag, остальное – индий. Для пайки Al и его сплавов применяют ПОКЦ. К твёрдым припоям относят медно-цинковые припои ЛМЦ и серебряные ПСр. Вспомогательные материалы флюсы, используемые при пайке должны:
1) хорошо смачивать поверхность металла и припоя;
2) защищать соединяемые поверхности и припой от окисления в процессе пайки;
3) иметь рабочую температуру не ниже ТПЛ припоя;
4) не вызывать коррозию соединяемых поверхностей;
5) легко удаляться после пайки.
Флюсы бывают:
1. Активные – раствор канифоли в соляной кислоте или в других активных элементах. Обеспечивают лучшую адгезию, но могут вызвать коррозию после пайки, поэтому после пайки их обязательно удалять спиртом.
2. Бескислотные флюсы – чистая канифоль или раствор канифоли в спирте и глицерине.
3. Активированные флюсы – канифоль с добавкой активаторов (салициловая кислота или солянокислые диэтиламин).
Биметаллы.
Комбинированные полупроводниковые материалы, получаемые на основе металлов с различными свойствами. Цель: для экономии драгоценных металлов. Применяют также комбинацию материалов с различными температурными коэффициентами линейного сопротивления ТКЛr, используют их обычно в виде термодатчиков.
ТКЛРАЭ>>ТКЛРПАС. ЭЛ-ТА
В качестве пассивного элемента используется сплав инвар (Fe c Ni). У него ТКЛР близок к нулю. Ещё меньше имеет ТКЛР суперинвар: Ni – 31%, Co – 5%, остальное – Fe. В качестве активного элемента используется также сплав Ni c Fe, но в другом процентном отношении, а так же сплавы цветных металлов. При нагревании, за счёт разности ТКЛР, проводник будет изгибаться, и, по величине изгиба, судят о температуре нагревания. Диапазон рабочих температур должен быть таким, чтобы не возникало остаточных деформаций.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
2.13.1. Удельное сопротивление меди при комнатной температуре равно 1,60×10-8Ом×м. Рассчитайте теплопроводность меди.
2.13.2. Удельное сопротивление золота 0,024мкОм×м, относительная атомная масса 197, плотность 19300кг/м3. Рассчитайте для этого металла концентрацию и подвижность свободных электронов, а также коэффициент теплопроводности.
2.13.3. Найдите электрическое сопротивление медного провода круглого сечения длиной 100м и поперечным сечением 1мм2, r=0,0168мкОм×м.
2.13.4. Адгезия, а, следовательно, и прочность оксидной пленки в структуре металл – собственный оксид зависит от разницы ТКЛР металла и оксида. Какая из двух пар Si – SiO2 или Al – Al2O3 предпочтительна в этом отношении? Значения ТКЛР приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
| Материал | Аl | Al2O3 | Si | SiO2 |
| ТКЛР, 1/К | 2,5×10-5 | 9×10-6 | 3×10-6 | 5×10-4 |
2.13.5. Удельное сопротивление пленочного алюминия значительно выше справочных значений для массивного образца. Почему? Определите соотношение rПЛ/rМАС, если известно, что сопротивление шины размером 1х100х1000мкм равно 6Ом, а rМАС=0,028мкОм×м.
2.13.6. Чем, помимо возможного обрыва проводника, опасна электромиграция алюминиевых коммутационных слоев в интегральных схемах? Какими способами можно снизить опасность электромиграции?
2.13.7. Сочетание каких материалов дает явление, называемое «пурпурной чумой»? В чем оно заключается и какие имеет последствия?
2.13.8. Почему алюминий в полупроводниковых интегральных схемах применяется для создания проводников и контактных площадок, а в тонкопленочных ГИС для контактных площадок используется ограниченно?
2.13.9. Контакт между пленками алюминия двух уровней разводки обычно имеет высокое сопротивление. Почему? Как обработать пленку алюминия, чтобы снизить ее сопротивление?
2.13.10. Удельное объемное сопротивление алюминиевой пленки толщиной 1мкм на 10% больше, чем удельное объемное сопротивление в массивном образце, rМАС=0,028мкОм×м. Каково rÿ пленки?
2.13.11. В пленочном состоянии rV алюминия на 10% выше, чем в массивном образце. При какой температуре замерено rÿ алюминиевой пленки, если его величина составляет 0,03Ом/ÿ, а ТКrÿ =4×10-3К-1?
2.13.12. При пайке компонентов печатной платы она нагревается до температуры около 2600С. Какие из коммутационных шин более критичны: прилегающие по поверхности плат или переходные с одной стороны на другую? Учесть, что предел прочности при удлинении меди около 5%. ТКЛР стеклотекстолита вдоль поверхности 2×10-5К-1, поперек 250×10-6К-1 в диапазоне температур 0…3000С.
2.13.13. Докажите, что уменьшение ширины шин коммутационных плат есть непременное условие уменьшения их длины.
2.13.14. Каким должен быть ТКR резистивного материала, пригодного для изготовления прецизионного резистора, сопротивление которого изменяется не более 2% в диапазоне температур –60…+1200С?
2.13.15. Нихром марки Н80Х20 при T=200С имеет r=1,03мкОм×м. Температурный коэффициент сопротивления в диапазоне температур 20…1000С равен 2,31 10-4К-1. Определите: а) удельное сопротивление при температуре 1000С; б) остаточное сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, используя правило Маттиссена.
2.13.16. Почему для терморезисторов более пригодны чистые металлы, чем сплавы?
2.13.17. ТКЛР меди, серебра, золота, алюминия заметно выше, чем у подавляющего большинства остальных металлов ((15...23)10-6К-1 против (5...10)10-6К-1). Чем это можно объяснить? Какими еще свойствами отличаются перечисленные металлы?
2.13.18. Сколько витков нихромовой проволоки диаметром 0,1мм надо навить на керамическое основание радиусом 2,5мм, чтобы получить резистор сопротивлением 100Ом?
2.13.19. Определите падение потенциала на медном проводе длиной 50м и диаметром 0,2мм, если сила тока в нем 2А.
2.13.20. По медному проводу течет ток плотностью j=104А/м2. Определите среднюю скорость упорядоченного движения электронов, полагая, что на каждый атом меди приходится один электрон проводимости.
2.13.21. Две проволоки – медная и алюминиевая – имеют одинаковую массу. Длина медной проволоки в 10 раз больше длины алюминиевой. Во сколько раз отличаются их сопротивления? Плотность меди в 3,3 раза больше плотности алюминия, удельное сопротивление в 1,65 раза меньше.
2.13.22. Докажите справедливость закона Видемана – Франца для стандартной меди при Т=293К. Параметры меди g=58мСм/м; Т=390Вт/м К.
2.13.23. Рассчитайте время безотказной работы алюминиевого проводника при температурах Т=250С и Т=1500С, S=10-7см2 и j=106А/см2. Сравните полученные результаты.
3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ