Кристаллическое строение материалов

РОЛЬ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЕНЫХ В СТАНОВЛЕНИИ НАУКИ О МАТЕРИАЛЕ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ.

В становлении и развитии науки о материале и материаловедении, прежде всего сыграли важную роль наши ученые:

Аносов(1799-1851) впервые установил взаимосвязь структурного строения материалов с их свойствами.

Д. К. Чернов (1839-1921) впервые открыл и изучил фазовое превращение материалов (превращение из одного состояния в другое).

Н. С. Курнаков впервые разработал методы физико-химического анализа материалов.

Сейчас вопросу создания новых материалов уделяется большое внимание. В области материалов работают: академик Н.А. Бруевич, Н.А. Бракачев, А.Н. Гаврилов, Н.В. Ушакова, Корсаков и т.д.

 

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ.

1. Классификация материалов.

2. Качество материалов электронных средств:

a. химическая чистота материалов;

b. атомно-молекулярное строение материалов.

 

1. Классификация материалов.

В настоящее время для изготовления электронных средств используются самые разнообразные материалы. Из этих материалов изготавливаются корпуса, платы, интегральные схемы и т.д.

Условно все эти материалы можно классифицировать на группы:

1. Конструкционные материалы. Основное требование – обеспечение прочности конструкции, характеристик пластичности, твердости. Это стали и чугуны.

2. Инструментальные стали и сплавы. Основное требование – наряду с прочностью требуется износостойкость и температура-стойкость. Из них изготавливаются технологические оснастки, режущие инструменты.

3. Материалы с заданными физико-механическими свойствами (радиоматериалы). Требования: обеспечение различных физических свойств (электропроводности, магнитных свойств). Из этих материалов изготавливаются катушки индуктивности, элементы электрических схем, изделия оптоволоконной техники.

4. Неметаллические материалы (пластмассы, бумага, слюда).

Выбор материала определяется функциональным назначением электронных средств, которые проектируются. Но все многообразие свойств материалов определяется химическим составом материала, чистотой химического состава и атомно - молекулярным строением.

2. Качество материалов электронных средств:

а. химическая чистота материалов;

В значительной степени качество материалов зависит от его химического состава и чистоты: чем химически чище материал, тем более качественное изделие.

Все изделия состоят из основного материала и примесных элементов. Предъявляются очень жесткие требования к чистоте материала. Поэтому на предприятии после поставки материала вводится входной контроль его качества.

Под чистотой материала понимается такое состояние материала, когда его свойства группа свойств определяются основным элементом материала, а роль и количество примесных элементов незначительна.

Изменение требований к чистоте материала можно определить на примере кремния:

Требования к Si:

 

1950-60-е гг.	1960-70-е гг.	1980-1992
ДЭ	ИС	СБИС
10-4 10-5 %	10-8 10-9 %	10-11%

На практике для устройства чистота определяется не в процентах, а количеством девяток, стоящих после запятой:

Si – 10^-4 % или Si → 99,9999

 

	отечественные	зарубежные
элемент	чистота	чистота
Sn	99,9995	99,9999
Pb	99,999	99,9999
Zn	99,997	99,9999
Al	99,999	99,99999
Ar	99,999	99,99999
Cu	99,993	99,99999
Ag	99,99	99,99999
Au	99,99	99,9999

 

По чистоте все материалы электронных средств классифицируются на 3 группы: А (обычная чистота), Б (повышенная чистота), С (ультрачистые вещества):

 

маркировка	состав вещества
группа, подгруппа	цвет этикетки на таре	основной материал, %	примеси, %
А1	коричневый	9,9	0,1
А2	серый	9,99	10-2
В3	синий	9,999	10-3
В4	голубой	9,9999	10-4
В5	темно-зеленый	9,99999	10-5
В6	светло-зеленый	9,999999	10-6
С7	красный	9,9999999	10-7
С8	розовый	9,99999999	10-8
С9	оранжевый	9,999999999	10-9
С10	светло-желтый	9,9999999999	10-10

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ.

Другим важным фактором определяющим качество материалов является атомно-молекулярное строение материалов. Большинство материалов предназначено для изготовления РЭС представляющих из себя твердотельные материалы.

В твердых материалах атомы и молекулы могут располагаться в геометрически правильном или же хаотическом беспорядке. В соответствии с этим первая группа называется кристаллическими, а вторая аморфными материалами. В промышленности используются смешанные аморфно-кристаллические материалы. Большинство твердотельных материалов являются кристаллическими. Каждый твердый материал образует кристалл присущей ему формы. Внешняя форма кристалла отображает их внутреннее строение, то есть соответствующее расположение атомов и молекул, образующих кристалл. Расположение в кристалле атомов и молекул можно представить в виде геометрических моделей или кристаллической решетки. В свою очередь кристаллическая решетка материала слагается из бесчисленного множества элементарных кристаллических ячеек, которые соединены друг с другом. В физике различают 14 видов пространственных кристаллических решеток, но наиболее часто встречаются кристаллические, в которых геометрические модели элементарных кристаллических ячеек (ЭКЯ) можно представить в виде следующих геометрических моделей:

1. ОЦК - объемно-центрированный куб.

Такое кристаллическое строение имеют: Cr, W, Mo, V, Fe_α (альфа железо t<910⁰),

Fe_δ(t=1392⁰-1539⁰) и др.

 

 

2. ГЦК – гранецентрированный куб (Cu, Al, Pt).

 

 

3. ГП – гексагональная призма (Sn, Mg, Co при t<450⁰C).

 

Расстояние между узлами кристаллической ячейки называется параметром кристаллической решети и обозначается a (модели тела ОЦК и ГЦК) и a, c (ГП). Эти параметры обозначаются в А.

1м=10¹⁰А (ангстрем).

От величины параметров a, cи др. в значительной степени зависят все свойства материала.

ОЦК: Fe_α - а =2,89А, Сr - а=2,87А, Мо -а =2,87А;

ГЦК: Fe_γ - а =3,63А, Сu -а =2,87А, Ti -а =3.306А;

Металлы	Be	Mg	Cd	Ti	Zn
a	2,26	3,2	2,97	2,95	2,65
c	3,59	5,2	5,6	4,6	4,96

Под действием температуры и давления, некоторые металлы могут изменять свою кристаллическую решетку такое перестроение атомов кристаллической решетки и получаются при этом металлы полиморфизм (аллотропия).

Co – t⁰<450⁰C – ГП, Co – t⁰>450⁰C – ГЦК, Fe_α – t⁰<910⁰C – ОЦК, Fe_j – t⁰>910⁰C – ГЦК,

Fe_δ – t⁰>1392⁰C – ОЦК.

По своему структурному строению все материалы подразделяются на следующие:

Поликристаллические металлы. В них кристаллы имеют различную величину, различную форму.

1) Поликристаллы:

а) изотропия (шлиф) б) анизотропные(текстурованные)

 

Рис.1

Текстурованные материалы создаются многократной прокаткой изотропных материалов в нужном направлении. В процессе прокатки кристаллы вытягиваются, деформируются в связи с чем изменяются физические, электрические, механические свойства материала.

2) Монокристаллы (Si, Ge):

 

Рис.2

В монокристаллах все кристаллы имеют одинаковую величину и форму кристалла.

3) Аморфные (пластмассы, стекло).

4) Аморфно-кристаллические (смешанные, ситалл).

В значительной степени качество кристаллических материалов зависит от правильности геометрической формы и расположения атомов и молекул в кристалле. Приведенные на рисунке выше модели ячеек представляют собой идеальные модели, но реально все материалы обладают дефектами.