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.
    держащая огнезащитные соли (белого цвета). Выпускается в виде пластин,
блоков для теплоизоляции.
   Слоистые пластины в качестве связующего материала содержат феноло-
формальдегидную, эпоксидную, кремнийорганическую смолы, в качестве
наполнителя служит бумага, хлопчатобумажные и синтетические ткани, ас-
бестовое волокно. Основные слоистые пластины - это гетинакс, текстолит,
стеклотекстолит, асботекстолит, древесные слоистые пластины. Гетинакс
изготавливается методом горячего прессования бумаги, пропитанной смо-
лой. Выпускается фольгированный и декоративный гетинакс. Текстолит
изготавливается так же, но наполнителем содержит ткань. Текстолит более
прочен, чем гетинакс. Стеклотекстолит может использоваться на высоких
частотах. Если в качестве наполнителя используется стекловолокно, матери-
ал называется стекловолокнитом.

                   8.3. Пенопласты и поропласты
   Пенопластами и поропластами называют пластмассы с газовоздушным
наполнителем. Пенопласт содержит не связанные друг с другом пузырьки, а
поропласты имеют поры, пропускающие воздух от одной поверхности к
другой. Широко используются пенопласты и поропласты на основе полисти-
рола, фенолоформальдегидной смолы, каучука, полихлорвинила, кремний-
органических смол, полиуретана, эпоксидной смолы.
   В основе технологии изготовления пенопластов и поропластов лежит ме-
тод вспенивания смол с последующим их затвердеванием. В результате об-
разуется лёгкая масса с большим количеством пор или пузырьков. Пенопла-
сты обладают меньшей газо- и водонепроницаемостью, тяжелее чем поро-
пласты. Применяются в качестве звукопоглощающего, теплоизоляционного
материала, в СВЧ устройствах. Усреднённые электрические характеристики:

  Марки поропластов и пенопластов: ПС-1, ПС-254, ПС-5, ПХВ-1, ФФ,
ФК-20, К-40, ПУ-101 и другие.

      8.4. Волокнистые электроизоляционные материалы
   Делятся на органические и неорганические (стекловолокно). Органиче-
ские волокнистые материалы бывают естественные (бумаги, картоны, льня-
ные, хлопчатобумажные ткани, шёлковые ткани, нити) и искусственные
(вискозный, ацетатный, триацетатный шёлк, ткани из капрона, нейлона).
Конденсаторная бумага выпускается толщиной от 4 до 24 мкм. Кабельная
бумага имеет от 80 до 170 мкм, телефонная бумага имеет толщину 90 мкм.
Электротехнические картоны выпускаются для работы в трансформаторном


                                                                      51


масле и в воздушной среде, их толщина от 0,1 до 3 мм. Электрические свой-
ства:

    Выпускаются электроизоляционные лакированные трубки - хлопчатобу-
мажные или шёлковые чулки, пропитанные лаками. Хлопчатобумажные
трубки, пропитанные бакелитовым лаком, называются кембриковыми
трубками. Их диаметр от 1 до 12 мм. Пропитанные лаками ткани называют-
ся лакотканями. Они используются как межобмоточная и межслойная изоля-
ция трансформаторов. Выпускаются также изоленты, как тканевые, пропи-
танные битумом, так и хлорвиниловые.

                 9. КАУЧУКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
   Основой для создания каучуковых материалов являются натуральные
каучуки, синтетические каучуки. Натуральный каучук (НК) получают из
растений каучуконосов (деревья тропических стран, одуванчик). Это аморф-
ный материал, углеводород, имеющий состав           . При t = 5O°C он раз-
мягчается и становится липким, при низких температурах хрупок, растворя-
ется в углеводородах и сероуглероде. Структурная формула:




   Натуральный каучук - неполярный материал.
   Синтетические каучуки (СК) - аморфные вещества, получаемые из спир-
та и нефти. Распространены бутадиеновый каучук (СК - Б), хлоропреновый
каучук (СКХ), бутадиен - стирольный каучук (СКС), бутадиен - нитрила-
крильный каучук (СКН), бутилкаучук (СКБ), полиуретановый каучук, изо-
преновый каучук (СКИ) и другие.
   Бутадиеновый каучук получается полимеризацией газообразного бутади-
ена. Он имеет структурную формулу:




   Это полярный материал. Обладает невысокими изоляционными свой-
ствами, не стоек к действию масел, бензина, озона. Применяется для изго-
товления оболочек кабелей, так как противостоит тепловому старению. Бу-
тадиен - стирольный каучук - это сополимер бутадиена и стирола, по свой-
ствам близок к натуральному каучуку. Структурная формула:




52


Сопротивляется тепловому старению.
   Бутадиен - нитрилакриловый каучук - сополимер бутадиена и акрил нит-
рила, полярный материал с низкими электроизоляционными свойствами.
   Структурная формула:




Набухает в масле, теплостоек: t = 230°С.
   Бутилкаучук - сополимер изобутилена и изопрена или бутадиена. Обла-
дает высокой стойкостью к действию кислорода и озона, серной и азотной
кислот, газопроницаемость в 10 - 20 раз меньше, чем у НК, эластичность не-
высока, но сохраняется до температур ниже -60°С.
   Изопреновый каучук (СКИ) получается полимеризацией изопрена, по со-
ставу близок к НК, по эластичности превосходит все каучуки.
   Полиуретановый каучук получается на основе полиуретана и характери-
зуется высокой механической прочностью и малым старением.
   На основе каучуков выпускаются следующие диэлектрики: резины, эбо-
нит, эскапон.
   Резины получаются путём вулканизации каучуков, то есть нагревают их
после введения в них серы. Сера сшивает цепочки каучуков и делает их тер-
мореактивными. Вулканизация улучшает теплостойкость, морозостойкость,
повышает механическую прочность и стойкость к растворителям. При вве-
дении серы в размере 1 - 3% получают мягкую резину. Помимо каучука и
серы при изготовлении резины в состав резиновой смеси вводят наполните-
ли (тальк, мел), красители, катализаторы. Резины применяются для изоля-
ции проводов, для изготовления прокладок, амортизаторов. К недостаткам
резины относятся низкая теплостойкость, маслостойкость, светостойкость.
При наложении на медь из резины выделяется сера и соединяется с медью.
Для устранения этого в каучуки вводят не чистую серу, а сернистое соедине-
ние - тиурам. Если в качестве наполнителя применяется сажа, получается са-
жевая резина, обладающая низкими электроизоляционными свойствами, вы-
сокой механической прочностью, она светостойка, не стареет, поэтому при-
меняется для изготовления защитных оболочек шлангов. Усреднённые элек-
трические свойства резин:

   Эбонит - твёрдая резина, получается на основе НК, СКБ, СКС, их смесей.
Получается вулканизацией каучуков с добавлением 30 - 35% серы. Эбонит
хорошо обрабатывается и применяется как изоляционный и конструкцион-
ный материал, обладает низкой теплостойкостью, под действием света ps
резко уменьшается благодаря выходу серы на поверхность. Электрические
характеристики:

                                                                       53


Выпускается в виде плит, трубок, стержней. На рис. 1 приведены зависимо-
сти ε и tgδ резины и эбонита от содержания серы.
   Рост ε объясняется усилением полярных свойств материала за счёт ато-
мов серы. При содержании серы свыше 15% ориентация дипольных моле-
кул затрудняется, ε уменьшается. Видно, что малым tgδ материал обладает
при содержании серы меньше 5% (резина) и больше 25% (эбонит).

             ε     tgδ




                                            tgδ


                                                  ε




   Эскапон получается вторичной полимеризацией бутадиенового каучука
(250°С, р = 50 атм., катализатор). Эскапон не содержит серы. В зависимости
от степени полимеризации получается мягкий или твёрдый продукт. Твёр-
дый эскапон обычно светло-коричневого цвета, механические свойства та-
кие же, как и у эбонита, однако после специальной обработки его твёрдость
достигает твёрдости стали. Нагревостойкость больше чем у эбонита (70 -
130°С), кислотостойкость и растворяемость в растворителях средние. Элек-
трические свойства лучше, чем у эбонита:

   Эскапон - неполярный материал, применяется в СВЧ устройствах. Мяг-
кий эскапон растворяется в растворителях, применяется для изготовления
эскапонового клея, который используется при изготовлении лакотканей.

    10. КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ И ДИ-
            ЭЛЕКТРИКИ НА ИХ ОСНОВЕ
   Кремнийорганические полимеры по своему строению и свойствам зани-
мают промежуточное положение между органическими полимерами и неор-
ганическими материалами. Они обладают высокой эластичностью, гибко-
стью, характерной для органических материалов, а также высокой нагре-
54


востойкостью, характерной для неорганических материалов. Кремнийорга-
нические полимеры могут быть термопластичными и иметь линейное строе-
ние, а также термореактивными с пространственной структурой. Основой
этих полимеров является структура:




Где R - органический радикал СН3 - метил, С2Н5 - этил, С6Н5 - фенил и.т.д.
Группа атомов:




называется силоксановой. Поэтому кремнийорганические полимеры называ-
ются полиорганосилоксанами. Свойства этих материалов зависят от типа ра-
дикала. Полиорганосилоксаны получают реакциями полимеризации и поли-
конденсации. Они обладают высокой устойчивостью к действию влаги и
температуры, химически инертны, стойки к термическому окислению, так
как на поверхности образуется слой SiO2, препятствующий дальнейшему
окислению. Полиорганосилоксаны обладают высокой светостойкостью, озо-
ностойкостью, морозостойкостью, термоэластичностью (сохраняют эла-
стичность до 180°С в течение 2000 часов, а органические полимеры - до 1
часа). Срок их службы в 10 раз больше, чем органических полимеров.
   Кремнийорганические материалы могут быть получены в виде жидко-
стей, смол, эластичных каучукообразных продуктов. Жидкости прозрачны,
химически инертны, не токсичны, применяются для пропитки конденсато-
ров. Электрические свойства:

    Кремнииорганические смолы используются для изготовления теплостой-
ких пластмасс, компаундов, лаков, клеев, служат связующим материалом
при изготовлении миканитов, стеклотканей, стеклотекстолитов, используют-
ся для опрессовки конденсаторов, резисторов, для изготовления панелей, пе-
чатных плат, деталей переключателей и.т.д. Усреднённые электрические
свойства:


   Зависимости   E и tgδ от температуры для полиэтилена показаны на ри-
сунке 2.

                                                                       55


   Наличие максимума в зависимостях            в области отрицательных
температур говорит о наличии в материале релаксационных видов поляриза-
ции. Величины и        практически не изменяются с ростом частоты до 10 7
Гц     слабо падает). Из смол делаются высокотемпературные кремнийор-
ганические лаки, эмали и клеи.
                 ε   tgδ




                                             ε

                                     tgδ




   Кремнийорганические каучуки получаются вулканизацией (без серы)
кремнийорганических соединений. Выпускаются резины на основе каучука.
Эти материалы обладают высокой теплостойкостью, влагостойкостью, озо-
ностойкостью, хорошо противостоят старению. Растворяются в ароматиче-
ских углеводородах, маслах, кислотах и щелочах. Применяются для изготов-
ления прокладок, колпачков, шайб, работающих в диапазоне температур -60
— +200°С. Для повышения механических свойств в резины вводят наполни-
тели:                      мел). Резины эластичны до 180°С. Электриче-
ские свойства:

Резины горят, образуя непроводящую золу.

       11. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ЛАКИ, ЭМАЛИ,
                 КЛЕИ, КОМПАУНДЫ
   Лаками называют коллоидные растворы плёнкообразующих веществ в
быстроиспаряющихся растворителях. Коллоидные растворы состоят из не-
кристаллизующихся частичек, которые по размерам значительно превосхо-
дят молекулу. Плёнкообразующими называют вещества, которые в процессе
испарения растворителя и реакции полимеризации или поликонденсации, а
также окисления, затвердевают и образуют эластичную плёнку. Плёнкообра-


56


зующими веществами являются природные и синтетические смолы, расти-
тельные высыхающие масла (льняное, тунговое).
   Растворители получают путём перегонки нефти, каменного угля, дерева
или путём химических реакций. Это бензин, керосин, уайт-спирит, бензол,
толуол, ксилол, этиловый спирт, ацетон, скипидар, сероуглерод.
   Для придания лаковой плёнке эластичности в раствор добавляют пласти-
фикаторы - касторовое масло, трикрезилфосфат и другие. Для ускорения
сушки в лак добавляют сиккативы - катализаторы, получаемые сплавлением
окислов кобальта, марганца, свинца с канифолью.
   Для разбавления загустевших лаков в них вводят разбавители, отличаю-
щиеся от растворителей более медленным испарением - керосин, уайт-спи-
рит, скипидар.
   По назначению лаки подразделяются на пропиточные, покровные, клея-
щие и специальные (для изоляции проводов ПЭЛ, ПЭВ и др.)
   По составу лаки делятся на масляные, масляно-битумные, смоляные,
эфироцеллюлозные, кремнийорганические. По способу сушки - на лаки го-
рячей и холодной сушки.
   Эмали представляют собой лаки, в которые введены пигменты (красите-
ли) - окись цинка, окись титана, окись магния, железный сурик и другие.
Пигменты улучшают твёрдость покрытия, нагревостойкость, влагостой-
кость, дугостойкость.
   Эмали применяются с целью создания на поверхности уже пропитанных
изделий (например, обмотки трансформаторов) защитной влагостойкой,
маслостойкой плёнки, для декоративных целей.
   Компаундами называются смеси и сплавы смол, битумов, воскообразных
веществ, масел. Компаунды применяются как пропиточный, заливочный,
клеящий материал. Они не содержат растворителей, могут быть термопла-
стичными и термореактивными.
   Выпускается около 70 марок лаков, эмалей и компаундов. Наибольшую
нагревостойкость (до 1000°С) имеют кремнийорганические лаки, клеи, эма-
ли и компаунды. Каждый лак, эмаль, клей, компаунд имеет свою техноло-
гию нанесения и сушки.

           12. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

                  12.1. Слюда и материалы на её основе

   Слюда встречается в природе в виде кристаллов, способных легко рас-
щепляться на пластинки (по плоскостям спайности). По химическому соста-
ву слюда делится на мусковит (K2O*3Al2O3*6SiO2*2H2O) и флогонит
(K2O*3Al2O3*6MgO*6SiO2*2H2O).
   Мусковит обычно бесцветен или имеет красноватый, зеленоватый и дру-
гие оттенки. Флогонит обычно янтарного цвета, золотистый, коричневый,
                                                                     57


чёрный. По электрическим свойствам мусковит лучше флогонита, он более
прочен, твёрд, гибок и упруг. Мусковит:

теплстойкость 500-600°С.
Флогонит
теплостойкость (800-900)°С.Эти характеристики справедливы для случая,
когда поле перпендикулярно плоскости спайности. Если поле прикладывает-
ся вдоль плоскости спайности, электрические характеристики значительно
хуже.
    При температурах, превышающих теплостойкость, из слюды начинает
выделяться входящая в неё вода, слюда теряет прозрачность, ухудшаются
механические и электрические свойства.
    Средний выход слюды из породы составляет 1-2%. Слюда-сырец подвер-
гается ручной разборке, раскалывается на пластины, дефекты по краям об-
резают. Такую полуочищенную слюду раскалывают на более тонкие (до
5мм) пластины и подвергают разбраковке.
    По     назначению      слюда     делится      на     конденсаторную,
конструкционную(изготавливаются детали радиоламп), щипанную(из неё
изготавливают миканит(пластина слюды склеивается с глифталевым и крем-
нийорганическим лаками), молотую(из неё изготавливается микалекс(полу-
чается горячим прессованием порошкообразной слюды и легкоплавкого
стекла).
    Микалекс (изготавливается из мусковита) выпускается в виде листов,
стержней, хорошо отрабатывается, обладает высокой теплостойкостью, вла-
гостойкостью. Он используется для изготовления держателя мощных радио-
ламп, панелей, воздушных конденсаторов, каркасов катушек, плат переклю-
чателей. Миканит используется при изготовлении фасонных изделий,
конструкционных деталей, выпускается гибкий миканит на бумажной осно-
ве.
    Из слюды выпускается также слюдиниты. При этом отходы слюды из-
мельчаются, нагреваются до 800 0С, обрабатываются сначала щелочью, за-
тем кислотой. Получается масса, которую наносят на какую-либо подложку.
Слюдиниты применяются там же, где и миканиты.
    Чистая слюда, неполярный диэлектрик, ε' и tgδ не меняются до частот в
сотни МГц.
    Разработана технология получения искусственной слюды путём выращи-
вания кристаллов из расплава шихты. Она обладает большей теплостойко-
стью и лучшими электрическими свойствами, чем природная.

                    12.2. Неорганические стёкла


58


    Стёкла получаются путём варки исходных материалов в печах. Сырьём
служат песок SiO2, сода В2ОЗСОЗ, поташ К2СОЗ, известняк СаСОЗ, бура
Na2B4O7, сурик, каолин, полевой шпат и другие. Сырьевые материалы из-
мельчаются, отвешиваются в нужных соотношениях, тщательно перемеши-
ваются и загружаются в печь. Здесь шихта плавится, летучие составные ча-
сти (Н2О, СО2, SОЗ) удаляются, а оставшиеся окислы химически реагируют
между собой, образуя стекломассу, которая поступает на изготовление изде-
лий. Изделия подвергаются обжиму для устранения механических напряже-
ний, возникающих при быстром охлаждении изделий.
     Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы стекло не успело за-
кристаллизоваться. При обжиге изделие нагревают до температуры ниже
температуры плавления на 100-200°С и затем медленно охлаждают.
    Стёкла – аморфные термопластические вещества. Известны стёкла ок-
сидные и халькогенидные. Основой оксидных стёкол являются окислы SiO2,
B2O3, P2O5, GeO2, As2O5 и другие. Халькогенидные стёкла – сплавы на осно-
ве сульфидов, селенидов теллуридов металлов. Халькогенами называют ана-
логи кислорода в 6 группе системы Менделеева - S, Se, Те, а их соединения
с металлами называют халькогенидами (например, 4As2Se3* As2Te3;
As2Se3*Sb2Se3).
    Оксидные стёкла кроме стеклообразующих окислов содержат также
окислы щелочных элементов Na2O, K2O, щёлочноземельных элементов СаО,
ВаО (снижают температуру плавления), а также окислы PbO, ZnO, A12O3.
Стёкла на основе SiO2 называют силикатными, а на основе В 2ОЗ боратными.
В радиотехнических устройствах наибольшее распространение получили си-
ликатные стёкла, которые по электрическим свойствам делятся на три груп-
пы:
    1) щёлочные стёкла с содержанием окислов Na2O , K2O, незначительным
содержанием окислов тяжёлых металлов; это оконные стёкла, стёкла пи-
рекс, нонекс, фурко, колбочное, марок №7, 12, 14, 20, 71, 707, К-5, К8 и др.;
    2) щёлочные стёкла с высоким содержанием окислов тяжёлых металлов;
стёкла, содержащие РbО, называются флинтами, ВаО - кронами;
    3) бесщёлочные стёкла - боратное, кварцевое, № 24,19,ТК-6.
     Как все аморфные вещества, стёкла не имеют резко выраженной темпе-
ратуры плавления. При нагревании вязкость стёкол увеличивается постепен-
но. Температура размягчения стёкол лежит в пределах (400-1600)°С. Самое
тугоплавкое - кварцевое стекло SiO2. Температурный коэффициент линейно-
го расширения αl лежит в пределах (0,5-150) -10-7 1/град.
    Наименьший αl у кварцевого стекла. Это самый стабильный материал из
всех известных материалов. Стёкла - прочный материал:
    σрасш = 100 - 300 кг/см, σсж = (6 – 21)*103 кг/см,
    Как видно, предел прочности на сжатие σсж больше, чем предел прочно-
сти на растяжение. Поэтому стёкла не боятся резкого охлаждения, но боятся
                                                                          59


резкого нагревания. Тонкостенные изделия более устойчивы к резкой смене
температур, чем толстостенные. При пайке и сварке стёкол с металлами
необходимо, чтобы αl стёкол был равен αl металла.
   Выпускаются стёкла, согласованные по αl с вольфрамом, молибденом,
платиной. Обычные стёкла прозрачны для лучей видимого спектра, легко
окрашиваются окислами металлов (CaO – синее; Cr2O3 – зеленое; MgO2 –
фиолетовое, коричневое; VO3 – желтое). Большинство стёкол поглощает
ультрафиолетовые лучи, кварцевое и увиолевое стёкла прозрачны для
ультрафиолетовых лучей. Стёкла допускают механическую обработку: свер-
ление, шлифовку, полировку, фрезеровку. Сверление стёкол производят
свёрлами из победита или латуни с применением абразива, применяют свер-
ление на ультразвуковых установках. Стёкла растворяются в воде. Наимень-
шей растворимостью обладает кварцевое стекло. При введении окислов ще-
лочных металлов растворимость сильно увеличивается. Стёкла с составом
Na20*mSiO2 (m=1,5--4,2) растворяются в воде при высокой температуре пол-
ностью, образуя жидкое стекло (силикатный клей). Силикатные стёкла
устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой, стойкость к ще-
лочам ниже. Электрические свойства стёкол зависят от состава.
Натриевые стёкла:
Калиевые и натриево-калиевые стёкла:

Свинцовые и бариевые стёкла:
Бесщёлочные стёкла:

У всех стекол Eпр = 50 кВ/мм, αε=(30 - 500)*10-6 1/град.
   Лучшими свойствами обладает кварцевое стекло SiO2. Введение в состав
стекла окислов щелочных металлов понижает удельное сопротивление,
причём Na2O понижает pv сильнее, чем K2O. При воздействии на стекло по-
стоянного напряжения происходит его электролиз, у катода откладывается
металл. При введении в состав стекла двух различных щелочных окислов
наблюдается их взаимная нейтрализация, что показано на рис.1.
   Введение в состав щелочного стекла окислов тяжёлых металлов умень-
шает tgδ т.к. ионы тяжёлых металлов препятствуют продвижению ионов
лёгких металлов. В стёклах наблюдаются потери энергии на сквозную про-
водимость, на ионно-релаксационную поляризацию, на структурную поля-
ризацию (в некоторых стёклах).




60



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика