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	10490	12200	19320	21400
Температура плавления Т пл, ˚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 ТК l, 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 σ_р = 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 σ_p 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	4500	6500	8500	10200	16600	21400	19300
Температура плавления	1680	1860	2415	2620	2970	3180	3380
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 ТК l, 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 ТК l 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	13550	5910	7280	7310	8650	1140	7140
Температура плавления Т пл, °С	38,9	29,7	156	232	321	327	420
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
ТК l	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 σ_р 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.