Классификация проводниковых материалов

Кафедра микроэлектроники
тема: 9
Материалы и элементы электронной техники Ч.I
доц. Лазарева

Н.П.

проводники с удельным электрический сопротивлением ρ в нормальных условиях не

более 0,1 мкОм∙м. Наиболее распространенными среди этих материалов –
медь и алюминий

малое удельное сопротивление (только серебро имеет меньшее удельное сопротивление);
достаточно высокая механическая прочность;
удовлетворительная в большинстве случаев стойкость к коррозии даже в условиях высокой влажности
хорошая обрабатываемость – медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
относительная легкость пайки и сварки

Отличительные особенности:

переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе.

Медь, предназначаемую

для электротехнических целей, обязательно подвергают электролитической очистке.

Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80 – 90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требуемого поперечного сечения.

Методом холодной протяжки получают твердую (твердотянутую) медь (маркируется МТ), которая имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение, а также твердость и упругость при изгибе; проволока из твердой меди пружинит.

т. е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим медленным

охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (маркируется ММ), которая сравнительно пластична, обладает малой твердостью и небольшой прочностью, но весьма большим относительным удлинением при разрыве и более высокой удельной проводимостью.
Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Стандартная медь, по отношению к которой выражают в процентах удельные проводимости металлов и сплавов в отожженном состоянии при 20 °С, имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е. ρ = 0,0172 мкОм∙м.

в стране марок стандартной меди в качестве проводникового материала используют

медь Ml и МО.
Маркировка произведится по содержанию примесей в основном металле.
Медь Ml содержит 99,90% Cu, а в общем количестве примесей (0,10%) кислорода должно быть не более 0,08%.
Кислород является одной из наиболее вредных примесей в меди. При повышенном его содержании заметно ухудшаются механические и технологические свойства меди, а также затрудняется пайка и лужение. Медь, содержащая более 0,1% кислорода, легко разрушается при горячей обработке давлением, т. е. обладает красноломкостью.
Лучшими механическими свойствами обладает медь МО (99,95% Cu), в составе которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Такую медь получают путем специального режима плавки. Из меди МО может быть изготовлена наиболее тонкая проволока.

меди весьма чувствительна к наличию примесей
При содержании в меди

0,5% примеси Zn, Cd или Ag удельная проводимость ее снижается на 5%.
При том же содержании Ni, Sn или А1 удельная проводимость меди падает на 25 – 40%.
Еще более сильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Si или Р, снижающие ее удельную проводимость на 55% и более.
!Но присадки многих металлов повышают механическую прочность и твердость меди как в холоднотянутом, так и отожженном состояниях.

подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок.
Скорость

окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления оксидной пленки с металлом невелика.
Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных контактов.
При высокой температуре в электрической дуге оксид меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность.
Металлическое отслаивание и термическое разложение оксидной пленки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

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 оксида Cu2О.
Водород, легко проникая в глубь металла при повышенных температурах, вступает в реакцию:
Cu2O + Н2 = 2Cu + 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 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).

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.

цвета, важнейший из легких металлов.
Удельное сопротивление алюминия в 1,6

раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди.

Малая плотность обеспечивает бόльшую проводимость на единицу массы, т. е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение.

По сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью.

Алюминий получают электролизом глинозема А12О3 в расплаве криолита Na3AlFe при температуре 950 °С.

– диамагнетик, П – парамагнетик
Сравнительные характеристики алюминия и меди

удельной теплоемкости с и температурного коэффициента линейного расширения αl от

температуры для алюминия

алюминия от содержания примесей
Примеси в различной степени снижают удельную проводимость

алюминия.
Никель, кремний, цинк, железо, мышьяк, сурьма, свинец и висмут, в количестве 0,5% снижают удельную проводимость алюминия в отожженном состоянии не более чем на 2 – 3%.
Примеси меди, серебра и магния, снижающие ее на 5 – 10% при том же процентном содержании по массе.
Очень сильно снижают удельную проводимость алюминия добавки ванадия, титана и марганца.
Примеси, не образующие твердых растворов с алюминием, мало влияют на его электрическую проводимость, в отличие от заметно ее снижающих примесей, образующих с алюминием твердые растворы; исключением является цинк.
Закалка увеличивает сопротивление алюминия в присутствии тех примесей, которые увеличивают свою растворимость при нагревании.
В техническом алюминии главными примесями являются кремний и железо.

целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5%

примесей.
Изготовленная из алюминия АЕ и отожженная при температуре 350 ± 20 °С проволока обладает при 20 °С удельным сопротивлением не более 0,0280 мкОм∙м.

Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов.

У алюминия особой чистоты А999 содержание примесей не превышает 0,001%. Чистоту его контролируют по значению остаточного удельного сопротивления при температуре жидкого гелия, которое не должно превышать 4∙10−6 мкОм∙м.

алюминия производят аналогично соответствующим операциям для меди.
Из алюминия путем

прокатки можно получать очень тонкую (6 – 7 мкм) фольгу, применяемую в качестве обкладок в бумажных конденсаторах, или пластины конденсаторов переменной емкости.

Конструкция спирального конденсатора:
а – в развернутом виде;
б – секция конденсатора с намоткой со скрытыми электродами;
в – сечение витка спирали;
1, 2 – гибкие диэлектрические ленты;
3, 4 – электроды

активно окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида с большим электрическим

сопротивлением.
Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами.
Поэтому для пайки алюминия применяют специальные пасты-припои или используют ультразвуковые паяльники.
Более толстый слой оксида, создает надежную электрическую изоляцию на сравнительно высокие напряжения. Его получают с помощью электрохимической обработки алюминия.
Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка; она может быть сравнительно тонкой (слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение порядка 100 В, а толщиной 0,04 мм – около 250 В).

катушки без дополнительной межвитковой или междуслойной изоляции.
Недостатками оксидной изоляции

проводов являются ее ограниченная гибкость и заметная гигроскопичность.
Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила в электролитических конденсаторах; ее используют также в некоторых типах выпрямителей и разрядников.
На практике важное значение имеет вопрос защиты от гальванической коррозии в местах контакта алюминия и меди.
Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением э. д. с., причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток направлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией.

в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений.
Нанесение пленок

на кремниевые пластинки обычно производят методом испарения и конденсации в вакууме.
Требуемый рисунок межсоединений создается с помощью фотолитографии.
Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко конденсируется на подложку, обладает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2, широко используемой в полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. Кроме того, алюминий образует хорошие омические контакты с кремнием.

Недостатком алюминия является его низкая механическая прочность. Отожженный алюминий в три раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.
Другим недостатком алюминия является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединений.