Материалы электронной техники

Проводящие материалы (проводники)

В настоящее время не существует общепринятой классификации проводниковых материалов. В физике, химии и технике проводящие материалы (как и все другие) классифицируются по различным признаками.

Приведём одну из возможных классификаций по нескольким признакам: состав, функции, проводимость.

Далее эти группы можно разбить на более мелкие, используя другие признаки классификации.

Механизм прохождения тока по поверхности проводника обусловлен движением собственных электронов (для металлов), следовательно, проводники являются материалами с электронной проводимостью (первого рода). Проводниками второго рода называются электролиты, представляющие собой растворы кислот и щелочей.

Электропроводность металлов обусловлена наличием большого числа свободных электронов. Согласно классической теории Друде-Лоренца, электроны в металлах обобществлены в некий единый электронный газ. Данная теория хорошо действует в диапазоне нормальных температур, однако, при температурах, близких к 0 К, она не работает: описывая поведение электронов газовыми законами, теория утверждает, что все электроны должны лишиться своей энергии, а металлы при этом перестанут проводить электрический ток, что не верно. Поэтому в настоящее время электропроводность металлов принято описывать по законам квантовой статистики Ферми-Дирака, которая утверждает:

,

где е – заряд электрона;

n - концентрация электронов;

- длина свободного пробега;

h – постоянная Планка.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела металлы представляют собой вещества, у которых валентная зона смыкается с зоной проводимости (может быть перекрывается), то есть запрещенная зона отсутствует, что обуславливает лёгкость возникновения свободных носителей заряда.

В зонной диаграмме металла присутствует уровень Ферми, но для металлов он определяется как верхний заполненный энергетический уровень при абсолютном нуле по кельвину (то есть электроны теряют свою энергию, но они не падают на нулевой энергетический уровень, а занимают низшие энергетические уровни). Электроны как наиболее подвижные элементарные частицы в материале являются главными носителями энергии, причём не только электрической но и тепловой. Следовательно, чем больше электронов и чем выше электропроводность материала, тем выше теплопроводность, что подтверждается законом Лоренца:

,

где - удельная теплопроводность,

- число Лоренца (является постоянной для материала).

Температурная зависимость электропроводности металла.

 

 

 

Рисунок 18

 

I зона. Пунктиром обозначена кривая для идеального металла. На практике:

1. Металл приобретает постоянную и весьма малую величину удельного сопротивления

2. Металл переходит в состояние сверхпроводимости при Т_СВ.

II зона. Нелинейность характеристики выражается уравнением

~ , n=1…5

III зона – линейный участок, зона эксплуатационных температур.

IV зона располагается вблизи температуры плавления Т_ПЛ. Большая часть металлов резко скачком увеличивает своё удельное сопротивление. Однако некоторые (висмут Vi, галлий Ga) – уменьшают. Это связано с особенностями кристаллической решётки.

V зона для большинства металлов характерна увеличением удельного сопротивления.

 

, где - удельное сопротивление при нормальных условиях (Т=0°С, р=765 мм рт. ст.)

 

Материалы высокой проводимости

К ним принято относить проводники с удельным сопротивлением в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м. Наибольшее применение в микроэлектронике находят медь Cu, алюминий Al, серебро Ag, золото Au. Рассмотрим их подробнее.

 

Медь Cu.

Обладает преимуществами:

1. Малое удельное сопротивление (занимает второе место после серебра);

2. Достаточно высокая механическая прочность;

3. Удовлетворительная стойкость к коррозии;

4. Хорошая обрабатываемость, высокая технологичность;

5. Относительная лёгкость пайки и сварки, слабая растворимость в припое.

Способ получения меди сводится к последовательной серии плавок из руды типа сульфида меди с интенсивным кислородным дутьём.

Марки меди: МТ – медь твёрдая, негартованная; ММ – медь мягкая, гартованная.

Стандартная меди имеет удельное сопротивление =0,01724 мкОм·м.

В качестве проводников в России используется медь марок М1 (99,9% Сu, не более 0,08% кислорода), М0 (99,95% Cu, не более 0,02% кислорода) и М00 (99,99% Cu).

Удельная проводимость меди весьма чувствительна к примеси:

0,5% Zn, Cd, Ag – уменьшает проводимость на 5%

0,5% Ni, Al, Sn – уменьшает проводимость на 25-40%

0,5% Be, As, Fe, P, Si– уменьшает проводимость более чем на 55%.

Однако многие примеси, оказывая столь негативное воздействие на проводимость, увеличивают механическую прочность.

Недостатком является подверженность атмосферной коррозии.

Применение. Медь – основной проводящий материал электроники. Из неё изготавливают провода, кабели, шины, экраны, детали магнетронов, фольгированный текстолит, гетенакс. Порошок меди используют для проводящих паст и для создания скользящих меднографитовых контактов.

 

Алюминий Al.

Основное преимущество: не смотря на то, что алюминий имеет существенно большее удельное сопротивление (), он в 3,5 раза легче, следовательно на единицу массы удельная проводимость алюминия в 2 раза выше.

Алюминий чаще встречается в природе и значительно более дёшев.

Недостатки:

1. Низкая (относительно меди) механическая прочность, высокая ломкость;

2. Плохая технологичность пайки и сварки.

Получают из глинозёма Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃Al F₆ при Т=900°С с использованием большого количества электричества.

Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты, содержащий 0,5% примеси марки АЕ, удельное сопротивление =0,028 мкОм·м;

А97 содержит 0,03% примеси, применяется для изготовления фольги, электродов и корпусов конденсаторов.

А999 содержит 0,001% примеси, используется в микроэлектронике для металлизации микросхем.

Примеси так же сильно сказываются на электропроводности алюминия.

0,5% Ni, Si, Zn, Fe, As– уменьшает проводимость на 2-3%;

0,5%, Cu, Ag, Mg – уменьшает проводимость на 5-10%;

0,5% V, Ti, Mn– уменьшает проводимость очень сильно.

Алюминий химически очень активный металл. Пленка Al₂O₃, препятствующая взаимодействию со средой, имеет как положительное так и отрицательное влияние: затрудняет пайку и сварку, но может выполнять функции природной электрической изоляции. При толщине плёнки 0,03 мм пробивное напряжение составляет 100В, 0,04мм – 250В.

 

Золото Au и серебро Ag

Обладают массой достоинств:

1. Низкое удельное сопротивление;

2. Высокая химическая стойкость;

3. Очень высокая технологичность: хорошо паяются, свариваются; пластичны.

Недостатки:

1. Высокая стоимость;

2. Оба (особенно золото) обладают низким сопротивлением абразивному воздействию;

3. Высокая пористость в тонких слоях,что обуславливает невозможность использования в качестве проводников в микроэлектронике;

4. Золото сильно растворяется в припое ПОС.

Несмотря на всё это, золото находит применение и в микроэлектронике, и в электронике как материал неподвижных контактов. Серебро применяется как материал подвижных контактов.

 

На основе этих металлов изготавливают проводящие пасты, припои: серебряный ПСр Тпл=400°С; SAC (олово Sn, золото Au, медь Cu).

 

 

Явление сверхпроводимости.

У многих металлов и сплавов при температуре, близкой к 0К, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления не до 0, но до очень малой величины. Измерить в настоящее время её невозможно, но оценочное значение составляет 10^-25 Ом·м.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется температурой сверхпроводимости. Впервые сверхпроводящее состояние было получено у ртути Hg при Тсв=4,2К. Все сверхпроводники, имеющие Тсв<4,2К называются сверхпроводниками первого рода, а Тсв>4,2К – второго.

Большинство металлов, переходящих в сверхпроводящее состояние, являются сверхпроводниками первого рода, что для практического использования не пригодно.

Хорошие проводники при комнатной температуре - медь, алюминий, золото - никогда не переходят в состояние сверхпроводимости.

Среди сверхпроводников второго рода 13 элементов периодической системы: германий, теллур, селен, кремний под воздействием высокого давления, интерметаллические соединения и сплавы (около 2000 соединений). Среди сплавов наиболее высокой Тсв обладают соединения ниобия (Nb₃Ge – Тсв=24K). Наиболее распространёнными являются сверхпроводники керамического типа – хрупкие неметаллические материалы, которые промышленностью выпускаются в виде некой гибкой основы (ленты, проволоки) из хорошего проводника с покрытием.

Применяются в физике сильных магнитных полей, в синхрофазотронах, ускорителях частиц, МГД-генераторах, криотронной вычислительной технике.

 

Теория сверхпроводимости (Бардин, Купер, Шиффер, США)

Теория БШК.

Предположим, что по объёму кристаллического тела движется электрон. При высоких температурах электрон совершает хаотичное движение, сопровождающееся частыми столкновениями с ионами кристаллической решётки. При низких температурах число столкновений существенно уменьшается, однако взаимодействие электрона с кристаллической решёткой не механическое, а электромагнитное (кулоновское). Поэтому электрон, перемещаясь в решётке, вызывает фонон. Атомы за счёт притяжения ядра к электрону пусть очень незначительно, но смещаются от положения равновесия.

 

 

Рисунок 19.

 

При низких температурах электроны перестают быть «индивидуалистами»: они объединяются в куперовские пары, двигаясь строго друг за другом. Между ними нет непосредственной связи, но есть косвенная. Первый электрон порождает фонон, возбуждая кристаллическую решётку, а второй, двигаясь вслед за первым, поглощают энергию этого фонона. Таки образом суммарное воздействие движения электронов на кристаллическую решётку равно нулю.

 

Проводниковые материалы высокого сопротивления

К ним относятся металлы и сплавы, у которых значение удельного сопротивления в нормальных условиях составляет не менее 0,3 мкОм·м.

Основная область применения – создание резисторов.

Функции резисторов: регулирование и распределение электроэнергии между цепями и элементами схем. Кроме того огромное количество резисторов служит для преобразования неэлектрических величин в электрические: термо-, фото-, мензорезисторы.

Требования к резистивным материалам весьма различны. Можно выделить ряд общих требований, которые характерны для большинства резистивных материалов:

1. Высокое удельное сопротивление;

2. Малое по величине ТКρ;

3. Материал должен обладать стабильностью, то есть минимальным дрейфом удельного сопротивления под действием различных факторов, а так же во времени;

4. Материал должен обладать совместимостью с другими конструктивными и электротехническими материалами;

5. Химическая устойчивость;

6. Технологичность.

 

Углерод С

Используется в дискретных резисторах в виде тонких плёнок на керамическом основании. Получают путём термического разложения тяжёлого углеводорода (гептан С₇Н₁₆). При температуре около 1400К происходит разложение с выделением пиралитического углерода, который близок к графиту: ρ=1 мОм·см, ТКρ=(-2…-4)10^-4 1/К. Обладает высокой стабильностью, низким ТКρ и низкой стоимостью. Но номинал таких резисторов не превышает 100 кОм.

Стабильность ТКρ повысить путём легирования бором (2-5%). Боруглеродистые резисторы являются прецизионными с отклонением номинала 0,5%.

Ограничение применения: углерод никогда не используют в качестве материала интегральных резисторов, так как он обладает низкой адгезией: даже при очень высоких температурах давление собственных паров в вакууме мало.

Только с появлением углеродистых паст он вернулся в толстоплёночную технологию (чип-резисторы).

 

Тантал Та

Тугоплавкий переходный металл в чистом виде обладающий низким удельным сопротивлением. Удельное сопротивление тантала резко повышается при его насыщении азотом и может достигать 250 Ом·см. Немаловажно, что ТКρ≤10^-5 1/К.

При окислении тантала получим отличный диэлектрик Та₂О₅.

В микроэлектронике тантал довольно часто применяется в комплексной танталовой технологии.

 

Хром Cr

Главное достоинство – высокие адгезионные характеристики. Обладает одним из самых высоких удельным сопротивлением для чистых металлов, химически стоек, широко распространён в природе.

Хром - основной резистивный материал для изготовления низкоомных резисторов в микроэлектронике.

Плёнки хрома получают путём вакуумного испарения из вольфрамовых и молибденовых лодочек.

Ом/□ [Ом делённый на квадрат].

Образует сплошную плёнку толщиной 0,1-0,5 мкм.

ТКρ≤10^-4 1/К.