Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Материалы электронной техники: Конспект лекций

Голосов: 0

В пособии приводятся основные физические явления в полупроводниках и активных диэлектриках, описываются их электрические, физико-химические и механические свойства. Методическое пособие предназначено для изучения курса "Материалы электронной техники" студентами специальностей 210200, 210600, а также может быть полезно студентам других специальностей. Пособие подготовлено на кафедре технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры Таганрогского технологического института Южного федерального университета.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
              щелочи, кроме концентрированной азотной кислоты. Полиэтилен прочен на
          разрыв, тверд, гибок в диапазоне температур t = (-60-+60)0С, морозоустой-
          чив, стоек к истиранию. Маслостойкость плохая, в бензине набухает,
          растворяется в ацетоне, четыреххлористом углероде СС1 4, хлороформе, то-
          луоле, ксилоле. Содержит кристаллическую (75%) и аморфного (25%) фазы.
          Электрические параметры:


             Зависимости        от частоты и температуры показаны на рис. 1, 2.
     tgδ                                      tgδ
                 6   tgδ                            6    tgδ
10   -3
                                         10   -3




10-4             4                       10-4
                                         ε’         4
                                                                           ε’
10   -5
                 2                       10   -5
                                                    2



                          Рис. 1                              Рис.2
             Механические свойства полиэтилена зависят от температуры, полиэти-
          лен высокой плотности в 2-3 раза прочнее на разрыв, чем низкой плотности.
          Водопоглощение полиэтилена, погруженного в воду при комнатной темпе-
          ратуре на 1 месяц, составляет 0,03%.
             В зависимости от величины относительного удлинения при разрыве
          выпускается полиэтилен марок                               (цифры – отно-
          сительное удлинение в процентах). Выпускается также пористый полиэти-
          лен, который получается введением в состав полиэтилена газообразова-
          телей.    Электрические      характеристики    пористого     полиэтилена:

          . Водопроницаемость возрастает в 10 раз. Солнечная энергия разрушает по-
          лиэтилен. Для увеличения светостойкости в него вводят до 2% сажи. Го-
          рючесть полиэтилена может быть снижена добавлением в него хлорирован-
          ного парафина и трехокиси сурьмы. При облучении       -лучами температу-
          ра плавления увеличивается до (180-200) оС, улучшаются и механические
          свойства.
             Полиэтилен высокого давления применяют для изготовления изоляции и
          защитных оболочек кабелей связи. Полиэтиленовые пленки низкого давле-
          ния применяют в качестве антикоррозийного и упаковочного материала. Об-
          лученный электронами полиэтилен имеет в 5 раз большую теплостойкость.
             Полипропилен получается полимеризацией пропилена, содержаще-
          гося в газах, выделяющихся при переработке нефти. Структурная формула
          полипропилена:
                                                                                  41


   В зависимости от техпроцесса полипропилен может быть получен как
аморфный каучукообразный, так и кристаллический. Полипропилен пред-
ставляет собой жесткий материал без цвета и запаха, с глянцевой поверхно-
стью. Он имеет резко выраженную температуру плавления в диапазоне 164-
168 0С. По электрическим свойствам аналогичен полиэтилену. Он негигро-
скопичен, стоек к действию кислот, щелочей и растворов солей, разрушает-
ся только концентрированной азотной кислотой при температуре 70°С, раз-
рушается под действием солнечных лучей, светостойкость улучшается при
введении в него (1—2)% сажи. Растворяется в бензоле, толуоле. Применяет-
ся для изготовления искусственных волокон, химической посуды. Сополи-
мер СЭП-15 этилена и пропилена (2-15% пропилена) обладает большой теп-
лостойкостью, стойкостью к растворению в агрессивных средах. Пленки по-
липропилена прочнее, чем пленки полиэтилена.

   Полиизобутилен - получается полимеризацией изобутилена, имеет
следующую структурную формулу:




В зависимости от коэффициента n (103-4*105) может быть как жидким так и
твердым каучукообразным материалом. Полиизобутилен эластичен в диапа-
зоне температур (78-100)°С. При его нагревании до температур, превышаю-
щих 100°С, снижаются механические свойства, пластичность возрастает. Он
устойчив к воздействию воды и химических растворов вплоть до 100°С. Го-
рит коптящим пламенем. Под действием солнечных лучей полиизобутилен
становится липким (распадается), его прочность и эластичность уменьшают-
ся. Светостойкость повышают введением 1% сажи. Полиизобутилен выпус-
кается марок П-200, П-155, П-118, П-85 (цифры коэффициент полимериза-
ции в тысячах). Применяется при изготовлении высокочастотных кабелей,
как антикоррозийное покрытие. Набухает и растворяется в бензине, кероси-
не. Электрические характеристики близки
и аналогичны характеристикам полиэтилена, но Епр в 2-3 раза ниже.
    Полистирол получается полимеризацией стирола C8H8. Структурная
формула имеет вид:


42


   Стирол – побочный продукт сухой перегонки каменного угля, дерева.
Стирол легко полимеризуется даже при хранении на холоде, в темноте, при
отсутствии катализатора. Полистирол получается в виде блоков, плит,
эмульсии. Блочный полистирол обладает лучшими электрическими свой-
ствами, аналогичными свойствам полиэтилена. Полистирол растворяется в
бензоле, ароматических и хлорированных углеводородах. Он устойчив к
действию кислот, кроме концентрированной азотной, щелочей, озона. Сма-
зочные масла разрушают полистирол. Он горит коптящим пламенем, обла-
дает повышенным сопротивлением на разрыв (в 5 раз прочнее полиэтилена),
обладает малой водопоглощаемостью. Полистирол применяется при изго-
товлении радиокабелей, пленочных конденсаторов, каркасов катушек ин-
дуктивности, установочных деталей. Пленка из полистирола называется сти-
рофлексовой. Эмульсионный полистирол применяется для изготовления ла-
ков, компаундов. Недостатком полистирола является низкая температура
размягчения (80°С), разработан полистирол и с высокой (220°С) температу-
рой плавления. Изделия из полистирола склонны к образованию тончайших
трещин со временем. Для борьбы с этим явлением в полистироле вводят
синтетический каучук. Полистирол входит в состав пластмасс. Пластмасса
ПТ-3 содержит 3% рутила TiO2. Блочный полистирол легко окрашивается.
Из полистирола можно изготавливать пенопласт (ПС-1, ПС-Б).
   Политетрафторэтилен (фторопласт-4) получается полимеризацией
тетрафторэтилена С2F4. Структурная формула:




                                             n
   Это белый или сероватый материал, на ощупь напоминает мыло, самый

тяжелый из всех полимеров              Он обладает высокой теплостойко-
стью (250°С), по химическим свойствам превосходит платину, не горит, не
растворяется ни в чем, негигроскопичен. ФТ-4 легко склеивается с металла-
ми и пластмассами эпоксидными, карбинольными клеями. ФТ-4 обладает
хорошими электрическими характеристиками:




                                                                      43


     Электрические свойства практически не меняются в диапазоне частот до
1010Гц. Его недостатки: дорогой, течет на холоде при нагрузке более   ,
токсичен при t = 250°С, так как выделяется фтор, Епр снижается при дли-
тельном воздействии напряжением      , при воздействии радиации свой-
ства ухудшаются. Применяется в СВЧ устройствах, в конденсаторах, для
изготовления вакуумных прокладок.

       7. ПОЛЯРНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ПОЛИМЕРЫ

   Полихлорвинил (поливинилхлорид) получается полимеризацией
хлорвинила (С2H3Cl)n. Структурная формула имеет вид:




   Эта формула похожа на формулу этилена, но один атом водорода за-
менён атомом хлора. Вследствие асимметрии формулы полихлорвинил – по-
лярный диэлектрик. Поэтому он имеет пониженные электрические свойства:
ε = 3–6; tgδ=10-1 – 10-3; ρv=1014 – 1015 Ом см; Eпр=10 – 50 кВ/мм.
   Теплостойкость полихлорвинила низкая (60 - 80˚С), морозостойкость
удовлетворительная (-75 ÷ -60˚С).
   Выпускается пластифицированный полихлорвинил – пластикат. Поли-
хлорвинил устойчив к действию химических реагентов, набухает в ди-
хлорэтане, при нагревании разлагается, выделяя хлористый водород. Под
действием света пластикаты стареют (повышается хрупкость, уменьшается
морозостойкость). Для повышения температуры разложения в полихлорви-
нил вводят стабилизаторы – углекислый свинец, соли кальция, кадмия, ба-
рия, стронция, эпоксидные смолы. Пластикаты выпускаются как без краси-
телей в виде прозрачного материала, так и окрашенными в чёрный, коричне-
вый и розовый цвета. Красители защищают пластикаты от светового старе-
ния. Пластикаты горят в пламени, но прекращают гореть, если их из пламе-
ни удалить. Трансформаторное масло растворяет пластикаты. Непосред-
ственное соприкосновение пластиката с полиэтиленом снижает электриче-
ские свойства полиэтилена. Пластикаты применяют для изоляции телефон-
ных и монтажных проводов, защитных оболочек кабелей (марки ПХВ – 1,
ПХВ – 2).


44


   Винипласт получают термическим прессованием полихлорвинила.
Его цвет может быть от светлого до черного. Он применяется для изготовле-
ния радиодеталей, как конструкционный материал. Винипласт сваривается
потоком горячего воздуха, хорошо механически обрабатывается, он не го-
рит. Выпускается сополимер полихлорвинила с бутилакрилатом, метилмета-
крилатом (оргстеклом), изобутиленом. Он обладает большей эластично-
стью, обладает лучшими электрическими свойствами.
   Полиметилметакрилат (оргстекло) получается полимеризацией
метилметакрилата. Структурная формула имеет вид:




   Это прозрачный материал, обладающий теплостойкостью до 70˚С, моро-
зостойкостью до -180˚С. Электрические свойства следующие:
ε = 2.8 – 3.5; tgδ = 0.02 – 0.03; ρv=1013 – 1014 Ом см; Eпр=18 – 40 кВ/мм.
   Оргстекло выпускается пластифицированное (с пластификатором) и не-
пластифицированное, обладает высокой светостойкостью, пропускает
ультрафиолетовые лучи, обладает маслостойкостью, бензиностойкостью,
влагостойкостью. Растворы кислот и щелочей не разрушают оргстекло. Орг-
стекло горит с выделением вредных газов. Листовое оргстекло обрабатыва-
ется горячей штамповкой при t = (80 – 125)˚С. Порошковое оргстекло хоро-
шо прессуется при температуре (120 – 200)˚С. Из него могут получаться де-
тали литьём под давлением P = 1200 кг/см2 при температуре (130 – 270)˚С.
   Оргстекло используется как конструкционный материал. Хорошо склеи-
вается дихлорэтаном, уксусной кислотой, сваривается при t = (140 – 150)˚С
и P = 510 кг/см2. При длительном кипячении оргстекло приобретает молоч-
ный цвет. Оргстекло применяется для изготовления лаков и клеев.
   Политрифтормонохлорэтилен (фторопласт - 3) получается по-
лимеризацией трифторхлорэтилена (C2F3Cl)n. Структурная формула:




                                                                       45


    Внешне подобен фторопласту–4, но имеет повышенную жёсткость, по-
ниженные электрические и химические свойства. Электрические свойства:
 ε = 3; tgδ = 0.01 – 0.02; ρv=1016 – 1017 Ом см; Eпр=15 – 20 кВ/мм.
    Теплостойкость - 200˚С, морозостойкость - -200˚С. ФТ–3 обладает высо-
кой дугостойкостью, не устойчив к радиации, электрическая прочность сни-
жается при длительном воздействии напряжения.
    Применяется для изготовления антикоррозийных и изоляционных по-
крытий на алюминии, стали, никеле. Может быть подвергнут закалке. За-
калённые детали почти прозрачны.
    Полиамидные смолы получаются при поликонденсации аминов и
аминокислот. Структурная формула:




    Индексы p и q лежат в пределах 4 – 8. Отличаются высокой механиче-
ской прочностью и эластичностью, химически стойки по отношению к бен-
зину, спирту, бензолу, щелочам. Концентрированные кислоты разрушают
полиамидные смолы, муравьиная и уксусная кислота, фенолы растворяют
полиамидные смолы при t = 70˚С.
    Цвет этих смол меняется от светлого до тёмно-коричневого.
    Выпускаются следующие полиамидные смолы: капрон (p=q=5), нейлон
(p=6, q=4), энант, полиамид 68, 548, АК–7, полиуретан ПУ–1. Капрон за ру-
бежом называют – перлон, синон, дидерон. Теплостойкость этих смол -
110˚С, морозостойкость -30 ÷ -50˚С. Электрические свойства: ε= 4 - 6;
tgδ = 10-1–10-2; ρv=1010–1014Ом см; Eпр=20–30 кВ/мм.
    Полиамидные смолы обладают повышенной гигроскопичностью, старе-
ют при нагревании, применяются для изготовления прочных волокон, изоля-
ционных плёнок, деталей конструкций методом горячего литья под давлени-
ем.
    Полиимиды получают реакцией поликонденсации и представляют со-
бой сложные высокомолекулярные соединения. Структурная формула:


46


   Полиимиды относятся к числу наиболее нагревостойких органических
полимеров. При t = 500˚С полиимидная плёнка вдвое прочнее, чем плёнка
из полиэтилена при t = 20˚С. Они не плавятся, не размягчаются при темпе-
ратурах ниже 800˚С, однако из них выделяются газы CO и CO2 при t >
400˚С. Имеют хорошие электрические свойства, применяются как подложки
гибридных микросхем, как основа печатных плат.

   Полиэтилентерефталат (лавсан) получают поликонденсацией
этилена и терефталевой кислоты. Структурная формула:




   Относится к полиэфирным смолам (глифталевая, поликарбонатная, поли-
амидная, эпоксидная). Химически стоек, но при повышенных температурах
хорошо окисляется на воздухе, поэтому переработку лавсана производят в
среде нейтральных газов. Обладает высокой механической прочностью (как
сталь), электрической прочностью (Eпр=20 – 30 кВ/мм). За рубежом называ-
ется майларом. Электрические характеристики: ε = 3–3.5; tgδ=0.002 –
0.02; ρv=1014 – 1016 Ом см.
   Теплостойкость - 250˚С, морозостойкость - -100˚С. Применяется для
изготовления подложек гибридных интегральных схем, как конструкцион-
ный материал. Плёнки лавсана используются как изоляционные при изго-
товлении трансформаторов, конденсаторов.

   Эфиры и этролы целлюлозы
   Целлюлоза – растительные высокомолекулярные соединения (хлопок,
дерево и.т.д.). Структурная формула ветвистая, химическая формула:
[C2H10O5 ]n , где n = 1000–2000. Так как структурная формула содержит
группу (OH), целлюлоза очень гигроскопична. При соответствующей обра-
ботке целлюлозы получаются её эфиры. При обработке спиртами получают-
ся простые эфиры, кислотами – сложные: нитроцеллюлоза ((ОН) заменяет-
                                                                     47


ся на (NO2)), ацетилцеллюлоза, этилцеллюлоза, триацетатцеллюлоза. Элек-
трические свойства: ε = 3-5; tgδ=10-2–10-3; ρv=1010–1014 Ом см; Eпр > 3
кВ/мм.
   Эфиры целлюлозы используются для получения волокон (вискозные,
ацетатные, штапельные), плёнок (кино, фото, целлофан), пластиков, лаков
(растворяют эфиры в ацетоне).
   На основе эфиров целлюлозы получают этролы целлюлозы путём сме-
шивания эфиров с пластификаторами, наполнителями, стабилизаторами,
красителями. Этролы допускают переработку методом горячего и холодного
литья, прессовку. Их недостатки - низкая теплостойкость (30 - 50˚С),
склонность к возгоранию.

     8. ПОЛЯРНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ПОЛИМЕРЫ

                    8.1. Термореактивные смолы

    Фенолоформальдегидные смолы получают путём реакции по-
ликонденсации между фенолом и формалином, делятся на две группы: ново-
лачную и резольную.
    Новолачная смола получается при избытке фенола и кислом катализато-
ре. Образуется смола и вода как побочный продукт. Новолачная смола тер-
мопластична, называется идитолом. Она растворяется в спирте, ацетоне.
Применяется для изготовления лаков, пластмасс. Для перевода её в терморе-
активное состояние в неё добавляется уротропин.
    Резольная смола получается при равенстве концентраций фенола и фор-
малина и щелочном катализаторе (аммиак). После варки кроме воды полу-
чается смола в стадии А - резол (низкомолекулярное соединение). Он тер-
мопластичен, плавится при нагревании, растворяется в растворителях. Если
резол прогреть в течение 6 -7 часов при t = 60 - 70°С, получается смола в
стадии Б - резитол (высокомолекулярное соединение). Резитол не плавится,
но размягчается при нагреве и не растворяется в растворителях. При нагреве
резитола в течение 4-5 часов при t = 80°С с повышением до 140°С и повы-
шенном давлении получается смола в стадии С - резит. Резит не плавится
при нагревании и не размягчается. Фенолоформальдегидная смола называ-
ется бакелитом. Бакелит в стадии С малоэластичен, влагостойкость низкая.
Смола в стадии А используется для пропитки бумаги, ткани, стекловолокна,
с целью получения после перевода смолы в стадии Б и С гетинакса, тексто-
лита, стеклотекстолита. Выпускаются такие пресспорошки, содержащие
кроме резола наполнители (мел, древесные стружки и.т.д.). Из пресспорош-

48


ков изготавливаются фенопласты. Все эти материалы имеют следующие
электрические свойства:

   При замене фенола анилином C6H5(NH2) получают анилиноформальде-
гидную смолу. Полярные свойства этой смолы выражены слабее
                       . При реакции формальдегида с карбамидом
(NH2)2CO получается карбамидоформальдегидная смола. При реакции
формальдегида с меланином C3H6N6 получается меланино-формальдегид-
ная смола. Эти смолы обладают высокой клейкостью и используются для
изготовления клеев, лаков. Две последние смолы используются для изготов-
ления аминопластов.
    Глифталевая смола получается реакцией поликонденсации между
глицерином и фталевым ангидридом. Смола в стадии А растворяется в аце-
тоне, спирте, бензине, обладает высокой клейкостью. Переход в стадию С
происходит при более высокой температуре и в течение большего времени
по сравнению с фенолоформальдегидной смолой. Глифталевая смола более
эластична, имеет лучшие электрические характеристики. Она стойка к теп-
ловому старению, используется для изготовления миканитов, текстолитов,
гетинаксов.
    Эпоксидные смолы образуются в результате реакции поликонден-
сации многоатомных фенолов и соединений, содержащих эпоксидную груп-
пу:
                            СН2 — Н2С
                                О
   Многоатомные фенолы: резорцин, гидрохинон, пирокатехин, салигенин,
диоксидифенилпропан, диоксидифенилсульфон, новолачная и резольная
смолы, крахмал, полисахариды и другие. Соединения, содержащие эпоксид-
ную группу: эпихлоргидрин глицерина, бутадиендиоксид, диглицидный
эфир глицерина, дихлоргидрин глицерина и другие.
   Чаще всего применяется диоксидифенилпропан и эпихлоргидрин глице-
рина - диановые смолы. Реакция происходит в растворе едкого натрия. В за-
висимости от соотношения компонент, смолы могут быть жидкими и твёр-
дыми; цвета от прозрачного до темно - коричневого. Широкое применение
получили смолы ЭД-5 и ЭД-6.
   Эпоксидные смолы токсичны, вызывают кожные заболевания. Они обла-
дают высокой клейкостью, эластичностью, химически стойки, растворяются
в ацетоне. Эти смолы растворяют лакоткани, кембриковые трубки. Чаще ис-
пользуют не смолы, а компаунды на их основе, содержащие сами смолы,
отвердитель, катализаторы, пластификаторы. В качестве отвердителя приме-

                                                                      49


няют амины и ангидриды кислот (гексаметилдиамин, метафенилдиамин, ма-
леиновый и фталевый ангидриды). В случае применения аминов затвердева-
ние происходит без нагрева, ангидридов – при нагревании до t > 100°С. Ка-
тализатор ускоряет процесс отвердевания. Наполнитель повышает механи-
ческую прочность компаунда (кварцевая и слюдяная мука, керамика и.т.д.),
уменьшает усадку при отвердевании, коэффициент линейного расширения,
улучшает теплопроводность, снижает горючесть. Пластификатор увеличива-
ет эластичность компаундов (трикрезилфосфат, дибутилфталат и др.),
уменьшает хрупкость, повышает стойкость к тепловым ударам. Усреднён-
ные электрические свойства следующие: ε = 3,7-6; tgδ=(l -4)10-3; pv=1015 -
1017 Ом см; Епр =25 - 30 кВ/мм.
   Эпоксидные компаунды обладают высокой адгезией (сцеплением) к ме-
таллам, дереву, пластмассам, высокой механической прочностью, водостой-
костью. Эпоксидные клеи склеивают металлы, стекло, фарфор, керамику,
пластмассы.

              8.2. Низкочастотные термореактивные
                    композиционные пластмассы
    Пластмассы делятся на простые и композиционные. Простые пластмассы
состоят только из смол, композиционные кроме смолы содержат наполни-
тель, пластификатор, краситель. Свойства композиционных пластмасс обу-
славливаются как свойствами смолы (связующего вещества), так и свойства-
ми наполнителя.
    Фенопласты получаются прессованием или литьём под давлением
пресспорошков из балелитовых или новолачных фенолоформальдегидных
смол, из крезольно-формальдегидных смол или их смеси. Пресспорошки
выпускаются 54-х марок, которые делятся на 7 групп от общего назначения
до особого назначения. Электроизоляционные пресспорошки марок К-21-
22, К-211-3, К-221-34 и других имеют в качестве наполнителя молотую слю-
ду, кварц. Применяются для изготовления штепсельных вилок, выключа-
телей, розеток, корпусов телефонов. Изделия из фенопласта называют кар-
балитовыми изделиями.
    Аминопласты (карбамидные пластины) изготавливают из мо-
чевино-формальдегидной смолы или меламино-формальдегидной смолы.
Наполнители - сульфатная целлюлоза, асбест. Выпускаются различных цве-
тов, применяются для изготовления декоративных изделий, бытовой техни-
ки, пищевой посуды. Выпускаются марки ВЭН-11, ВЭН-12, допускающие
холодное прессование, а также другие. Разновидностью аминопластов яв-
ляется микора – отвердевшая пена мочевино-формальдегидной смолы, со-


50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика