Проводники. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника

1.

1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и
электроника: Учебное пособие для студентов ВузовСПб.:Питер, 2003 г.
2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники:
Учебное пособие для студентов вузов – 5-е изд., - СБб.:
Лань, 2003.
3. Хадыкин А.М. Радиоматериалы и радиокомпоненты.
Конспект лекций ОГТУ Омск 2008 г.
4. Ястребов А.С., Волокобинский М.Ю., Сотенко А.С.
Радиоматериалы и радиокомпоненты: Учебник
АСАДЕМА Москва Издательский центр «Академия» 2011
г.

2.

Литература к лаб. работам.

3.

Классификация материалов
По удельному сопротивлению
1. Проводниковые материалы
v =10-8 - 10-5 Ом*м
2. Полупроводниковые материалы
v = 10-5 - 106 Ом*м
3. Диэлектрики
v = 107 - 1018 Ом*м

4.

Проводниковые материалы
Удельное сопротивление
ρ = 10-8 – 10-5 Ом·м.

5.

Проводники
Твердые тела:
• металлы
• сплавы металлов
• углерод (некоторые модификации)
Жидкость
• Электролиты
• Расплав металлов
(ртуть с Тпл = 39оС, галлий с Тпл = 29.8оС)
Газ (при определенных условиях)

6.

Проводники
Металлы – проводники 1 рода
(электронная проводимость).
Состав не меняется
Электролиты - проводники 2 рода
(ионная проводимость).
Электролиз – перенос ионов, которые
оседают на электродах.
Состав меняется.

7.

Основные электрические
параметры проводников
1. Удельное сопротивление
ρ = 10-8 – 10-5 Ом·м.
1. Удельная электропроводность – величина
обратная удельному сопротивлению.
2. Температурный коэффициент удельного
сопротивления ТКρ.
3. Температурный коэффициент линейного
расширения ТКЛР.
4. Коэффициент теплопроводности λ.

8.

Температурный коэффициент удельного
сопротивления
ТКρ = dρ ⁄ρ·dt
Этот параметр показывает относительное
изменение сопротивления при изменении
температуры.
Число носителей заряда (концентрация свободных
электронов) в металлическом проводнике с ростом
температуры практически на меняется.
В тоже время из-за усиления колебания узлов
кристаллической решетки с ростом температуры
уменьшается длина свободного пробега
электронов, возрастает удельное сопротивление.
Следовательно, ТКρ проводника - положителен.

9.

Удельное сопротивление
• Другой причиной увеличения удельного
сопротивления является наличие дефектов, которое
определяет ρ ост . Остаточное удельное
сопротивление не зависит от температуры, поэтому
ρ = ρт + ρост. – правило Матиссена.
• Наиболее существенный вклад в остаточное
сопротивление вносит рассеяние на примесях.
Любая примесь приводит к повышению ρ, даже если
она обладает повышенной проводимостью по
сравнению с основным металлом, т.к. она искажает
кристаллическую решетку, что приводит к
рассеиванию электронов и, следовательно, к
увеличению ρ.

10.

Удельное сопротивление
• Еще один фактор, который влияет на
удельное сопротивление – механическая
деформация металла (сжатие, растяжение).
• При сжатии амплитуда тепловых колебаний
уменьшается, и сопротивление падает, при
растяжении амплитуда тепловых колебаний
возрастает и сопротивление растет.
• Четвертой причиной увеличения удельного
сопротивления является наличие
собственных дефектов структуры.

11.

Температурный коэффициент линейного
расширения

12.

Температурный коэффициент
линейного расширения
•Этот коэффициент имеет важное значение
с точки зрения совместных конструкций
разных металлов. Для чистых металлов
ТКӏ<< ТКρ.
• Значение ТКl твердых металлов
возрастает при повышении температуры.
•Поэтому при нормальной температуре
легкоплавкие металлы обладают большим
значением ТКl, чем тугоплавкие металлы.

13.

Теплопроводность металлов
• Тепло через металл передается в основном теми
же свободными электронами, которые
определяют электропроводность. У металлов
число свободных электронов в единице объема
велико, поэтому их теплопроводность больше,
чем у диэлектриков. Коэффициент
теплопроводности λ определяется по формуле:
λt = Q·Δl ⁄ t·ΔT·S
и представляет собой тепловую мощность в Вт,
передаваемую через стенку площадью S(м2) при
градиенте температур ΔT ⁄ Δl (град ⁄м).
• очевидно, чем больше электропроводность, тем
больше теплопроводность.

14.

Закон Видермана –Франца- Лорентца
λt/ γ = L0*T, где
Т - абсолютная температура,
L0 = π2К2/3q – число Лорентца, где
К – постоянная Больцмана 1,38 *10 -23 Дж/К,
q – заряд электрона 1,6*10-19 Кл
Для металлов отношение удельной
теплопроводности к удельной
электропроводности есть величина
постоянная для заданной температуры.

15.

Классификация проводников
•Материалы высокой проводимости
ρ = 10-8 – 10-7 Ом·м.
•Проводники с высоким сопротивлением
ρ = 10-6 – 10-5 Ом·м

16.

Материалы высокой проводимости
1. Медь - 1,7·10-8 Ом·м , Тпл =10830С
2. Алюминий – 2,8·10-8 Ом·м, Тпл = 6570С
3. Серебро – 1,6·10-8 Ом·м, Тпл = 9600С
4. Золото - 2,47·10-8 Ом·м, Тпл = 10630С
5. Палладий - 11·10-8 Ом·м, Тпл = 15540С
6. Платина – 10,5·10-8 Ом·м , Тпл =17730С

17.

Медь
1. Малое удельное сопротивление.
2. Достаточно высокая механическая
прочность.(Низкое сопротивление к истиранию).
3. Удовлетворительная стойкость к коррозии.
Окисление происходит при повышенной
температуре).
4. Хорошая обрабатываемость. Толщина проволоки
равна тысячной доли мм.
5. Легкость пайки и сварки.
6. Медь довольно дорогой материал. Запасы медных
руд ограничены.
Недостатком меди является ее подверженность
атмосферной коррозии с образованием окисных и
сульфидных пленок.

18.

Сплавы меди
•Бронзы – сплав меди с оловом,
фосфором, бериллием, хромом, магнием
– имеет повышенную механическую
прочность (пружинные контакты).
•Латунь – сплав меди с цинком – обладает
высоким относительным удлинением и
имеет высокую коррозийную стойкость.

19.

Алюминий
Самый легкий проводник. Удельное сопротивление
алюминия в 1.6 раза больше удельного
сопротивления меди, но при этом алюминий в 3.5
раза легче меди.
Алюминий активно окисляется на воздухе при
нормальной температуре и покрывается тонкой
пленкой окиси с большим удельным
сопротивлением, которая предохраняет его от
дальнейшей коррозии, но при этом создает большое
переходное сопротивление в местах контакта и
делает невозможным пайку алюминия обычным
методом.
Недостатки алюминия:
• низкая механическая прочность
• Трудности получения контактных соединений
(пайка и сварка, контакт с медью невозможен –
электротехническая коррозия).

20.

Серебро
1.
Самое низкое удельное сопротивление
среди металлов.
2. Высокая химическая стойкость. (до 200о )
3. Высокая пластичность.
4. Невысокая твердость
Основной недостаток серебра,
ограничивающее его применение – высокая
склонность к миграции по поверхности, на
которую его наносят ( особенно в условиях
высокой влажности т повышенной
температуры Высокая склонность к миграции
по поверхности, на которую его наносят.

21.

Золото
1. Совершенно не окисляется на
воздухе даже при высокой
температуре - высокая химическая
стойкость.
2. Высокая пластичность (монтажную
проволоку микросхем до 10мкм).
3. Дорогой металл.
4. Низкая адгезия пленок.

22.

Проводники с высоким сопротивлением
ρ = 10-6 – 10-5 Ом·м.
Медные сплавы:
– манганин (86% меди .12%
марганца, 2% никеля), ρ = 0,45·10-6
Ом·м.
константан (60% меди, 40%
никеля), ρ = 0,48 – 0,52· 10-6 Ом·м.

23.

Проводники с высоким сопротивлением
Хромоникелевые сплавы:
нихром (55 – 60% никеля,15 – 18% хрома,
1,5% марганца, остальное железо),
ρ = 1,1· 10-6 Ом·м.
Железохромоалюминиевые сплавы:
фехраль Cr (12—27 %); Al (3,5—5,5 %); Si (1
%); Mn (0,7 %); остальное — Fe.
ρ = 1,39· 10-6 Ом·м.

24.

Неметаллические проводники
Углеродистые материалы – графит – одна из форм чистого
углерода характеризуется
• Малым удельным сопротивлением.
• Высокой теплопроводностью.
• Стойкостью к химически агрессивным средам.
• Легкостью механической обработки.
• Высокой нагревостойкостью.
Неметаллические проводники используются в качестве
резисторов, контактных и токопроводящих элементов.
В технологии полупроводниковых материалов - для
изготовления разного рода нагревателей и экранов,
лодочек, тиглей и т.п.
В вакууме или защитных газовых средах изделия из графита
могут эксплуатироваться при температуре до 2500оС.

25.

Вспомогательные материалы
Припои и флюсы - создания прочных
соединений между металлическими
элементами конструкций с помощью
пайки.
Пайка используется либо для
получения механически прочного шва,
либо для соединения токопроводящих
элементов с целью получения
надежного электрического контакта с
малым переходным сопротивлением.

26.

Припой
Мягкие припои (Тпл < 400ºС)- оловянно-свинцовые
припои с содержанием олова от 18 % (ПОС-18) до 90
% (ПОС-90).
Твердые припои (Тпл > 500ºС) - медно-цинковые
(ПМЦ) и серебряные (ПСр).
Механическая прочность пайки в 5 раз выше у
твердых припоев.
Марка припоя выбирается в зависимости от свойств
материалов, которые соединяем и требований,
предъявляемых к качеству пайки: механической
прочности, коррозийной стойкости, допустимого
переходного электрического сопротивления и т.д.

27.

Флюсы
Повышают качество пайки.
1. Растворять и удалять окислы и грязь.
2. Защищать поверхность металла от
окисления во время пайки.
3. Уменьшать поверхностное
натяжение припоя.
4. Улучшать растекаемость и
смачиваемость соединяемых
поверхностей.

28.

Флюсы
1. Активные (кислотные) – на основе соляной кислоты.
Требуют промывки.
2. Бескислотные – на основе канифоли.
3. Активированные – на основе канифоли с
активаторами (солянокислый анилин)
4. Антикоррозийные – ортофосфорная кислоа.
Образует на поверхности защитную пленку,
предотвращая коррозию.
При пайке швов допускаются кислотные флюсы, а при
электромонтаже радиоаппаратуры должны
использоваться только бескислотные флюсы – на
основе канифоли, с добавлением неактивных
растворителей (спирта, глицерина).