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 р_г=ро[1+а_р (Г₂ — Т¹,)], где р₇ и р₀ — удель­ное сопротивление проводника соответственно при температурах Т₂ и Ti; a_p — средний температурный коэффициент удельного сопро­тивления, К-¹, в данном диапазоне температуры a_ft = (р_т — 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 R1_П), равному сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки R_п =р_б/б,где Р_б — 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		0,0265	4,1	4,25
Вольфрам	19,3		0,055	5,0	4,54
Железо	7,87		0,097	6,25	4,31
Золото	19,3		0,0225	3,95	4,3
Кобальт	8,85		0,064	6,0	4,41
Медь	8,92		0,0168	4,3	4,4
МолибдеЕ!	10,2		0,05	4,33	4,3
Никель	8,96		0,068	6,7	4,5
Олово	7,29		0,113	4,5	4,38
Платина	21,45		0,098	3,9	5,32
Ртуть	13,5	— 39	0,958	0,9	4,52
Свинец	11,34		0,190	4,2	4,0
Серебро	10,49		0,016	4,1	4,3
Хром	7,19		0,13	2,4	4,58
Цинк	7,14		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)		До 310
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
Латунь (70 % Си; 30 % Zn)		320 — 350

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).