第二章-电性功能材料-共177页

第二章电性功能材料CompanyLogothemegallery内容电子导电材料1电阻和电热材料2快离子导体材料3导电薄膜4超导材料5CompanyLogothemegallery第一节导电材料导电材料的分类：电子导电材料：导体、半导体和绝缘体。离子导电材料导体的电导率≥105S/m，超导体的电导率为无限大；半导体的电导率为10-7~104S/m；绝缘体的电导率小于10-7S/m第一节导电材料CompanyLogothemegallery电导率：mSm11第一节导电材料导电材料：具有良好的导电性的材料，一般情况下电阻率在10-7-10-4Ω·m。电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料，用来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导线、引线和布线。根据使用目的的不同，除了导电性外，有时还要求有足够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐蚀、耐电弧、高的热导率等。CompanyLogothemegallery第一节导电材料CompanyLogothemegallery第一节导电材料CompanyLogothemegallery第一节导电材料CompanyLogothemegallery导电氟胶座导电尼龙导电胶带导电氟橡胶第一节导电材料—导电材料CompanyLogothemegallery(1)电阻与电阻率导体的电阻材料与长度L成正比、与断面A成反比，可表示为R=L/A，是物质固有的参数，指1m3(或1cm3)材料的电阻，称为材料的电阻率，单位为·m或·cm。(2)电阻温度系数导体的电阻随温度的变化而变化。温度为T的电阻可表示为式中，R0为在基准温度T0的电阻,α为在基准温度T0的电阻温度系数。一般金属导体的电阻随温度升高而增大。001RRTT第一节导电材料—金属导电材料CompanyLogothemegallery金属的电阻与电阻率金属名银铜金铝镁电阻率Ω.cm1.621.722.402.824.34最常用的三种金属导电材料：铜、铝、铁，它们的主要用途是制造电线电缆。金属导电材料应具备的条件：电导率大、易连接、较大的抗拉强度、易弯曲、容易加工成型、耐腐蚀、产量大、价格低等。第一节导电材料—金属导电材料CompanyLogothemegallery1、铜及铜合金：玫瑰红色金属，柔软、有金属光泽，导电性（仅次于银）和导热性好，富于延展性，塑性高，机械强度好，易加工和焊接，易提炼。主要用途：电弹簧、电刷、插头。电解铜铜矿石粗铜冶炼电解无氧铜熔融再加工反射炉精炼铜含氧0.02-0.05%高频炉真空熔炼或者在还原气体中熔炼含氧小于0.005%，延展性和焊接性好高真空密封磷脱氧铜电导率降低10-30%第一节导电材料—金属导电材料2、铝及铝合金：CompanyLogothemegallery银白色轻金属，资源丰富，价格便宜，质量小。主要用途：送电线，配电线。3、金及金合金延展性在金属中是最高的，良好的导电性，极强的抗蚀能力。主要用途：作为金膜或金的合金膜用于集成电路中布线，芯片粘结，半导体封装等。4、银及银合金延展性仅次于金，具有最高的电导率。主要用途：触点材料。第一节导电材料—电极电极：电容器的重要组成部分，它在电容器中起着形成电场，聚集电荷的作用。CompanyLogothemegallery第一节导电材料—电极电极材料的主要要求：①应具有优良的导电性能，体积电阻率要小；②具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性，不易氧化，并且对介质材料的老化、催化作用要小；③应有良好的机械性能。如不易变形、压延性和柔韧性要好、抗拉强度高、与电容器工艺匹配；④密度小，热导率大；⑤易于焊接，具有适当的熔点和沸点；⑥材料来源广泛，价格便宜。themegallery第一节导电材料—电极电极蒸发材料：铜(易氧化)、银(贵)、镉(贵)、铝、锌、锡铝：铝膜导电性好，功耗低，耐腐蚀，沸点高，易于沉积。锌：一般用作金属化纸介电容器。锌膜易氧化、电阻率大、易被腐蚀。锡：一般作为蒸镀Zn的打底材料，性质较为稳定。CompanyLogothemegallery第一节导电材料—厚膜导电材料厚膜集成电路：在陶瓷等绝缘基片上，用厚膜工艺制作厚膜无源网络，然后连接二极管、三极管或半导体集成电路芯片，构成一定功能的电路就是厚膜集成电路。厚度为7um-40um之间。CompanyLogothemegallery丝网印刷工艺第一节导电材料—厚膜导电材料CompanyLogothemegallery厚膜导电材料：作为元件之间的互连线、厚膜电容的上下电极及外引线的焊区等。厚膜导电材料应具有很低的电阻率、容易进行焊接、焊点有良好的机电完整性、与基体的粘附牢固等特点。第一节导电材料—厚膜导电材料CompanyLogothemegallery贵金属：如金、银-金以及银、铂、钯的二元或三元合金。现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料。特点：有很好的导电性，工艺简单，可在空气中烧成，工艺敏感性差，重复性好，导电膜性能稳定。贱金属：常见的有铜、镍-硼、铝-硼等。优点：电阻低、可焊件和抗焊溶性好、无离子迁移等。缺点：工艺要求很高，老化性能不如贵金属好。厚膜导电浆料：由导电相（又称功能相）、粘结相、有机载体组成。导电相：贵金属、贱金属。第一节导电材料—薄膜导电材料薄膜集成电路：将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感元件以及它们的互连线，全部用厚度在1μm以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、溅射和电镀等工艺制成的集成电路。薄膜导电材料：电路内部元器件的互连线、薄膜电阻的端头电极、薄膜电容的电极、薄膜电感线圈、微带线、外贴元器件的焊区、外引线焊区等。主要要求：导电性好、附着性好、化学稳定性高、可焊性和耐焊接性好、成本低。CompanyLogothemegallery第一节导电材料—薄膜导电材料CompanyLogothemegallery机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘蒸发法：在真空下，把蒸镀材料放置于坩埚内加热熔化(或升华)，产生的蒸汽原子(或分子)向周围运动，当碰到温度较低的基体时，凝结在基体表面上形成镀膜的方法。第一节导电材料—薄膜导电材料CompanyLogothemegallery尾气e-e-e-DC直流二极管溅射装置衬底1)电场产生Ar+离子2)高能Ar+离子和金属靶撞击3)将金属原子从靶中撞击阳极(+)阴极(-)氩原子电场金属靶等离子体5)金属淀积在衬底上6)用真空泵将多余物质从腔中抽走4)金属原子向衬底迁移.进气+++++溅射法：在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。第一节导电材料—薄膜导电材料分类：单元素薄膜和多层薄膜。CompanyLogothemegallery单元素薄膜-铝膜：用作电容器的电极、电阻器的端头、电感器螺旋导电带、多层布线。通常采用真空蒸发制备。优点——导电性好，成膜工艺简单，无需用别的金属打底；与硅铝丝、金丝的可焊性好，成本低。由于它表面易氧化，有利于提高多层布线的层间绝缘性。缺点——①抗电迁移能力较弱；②与金形成脆性的金属间化合物，造成焊点脱开，影响元件和电路的可靠性；③铝膜表面的氧化层给锡焊带来困难。第一节导电材料—薄膜导电材料薄膜混合集成电路中，应用最为广泛的薄膜导电材料是多层薄膜。多层薄膜一般包括底层和顶层两部分。底层：也称为粘附层，主要起粘附作用，使顶层导体膜能牢固地附着在基片上；用易氧化的金属，以便与基片中的氧形成化学键。顶层：起导电和焊接作用，采用导电性好，化学稳定性高的金属。用得最多的多层薄膜：铬-金薄膜钛-金薄膜、钛-钯-金薄膜和钛-铂-金薄膜等其它导电薄膜CompanyLogothemegallery第二节电阻和电热材料-电阻材料CompanyLogothemegallery电阻材料：常用的电阻器、片式电阻器、混合集成电路中的薄膜和厚膜电阻器、可变电阻器和电位器等所用的电阻体材料。主要功能是调节和分配电能，用作分压、调压、分流、发热及滤波器件。包括线绕电阻材料、薄膜电阻材料和厚膜电阻材料。性能指标：电阻率：膜电阻（方阻）：单位：/电阻温度系数：表示温度每改变1℃时电阻值的相对变化量SLR/ddWLSLRs///K/1C/1dd或，单位为TRRR第二节电阻和电热材料-线绕电阻材料结构：用电阻合金线绕制在陶瓷或其它绝缘材料的骨架上，表面涂以保护漆或玻璃釉。电阻合金线通常是用元素周期表中第IB、VIB、VIIB和VIII族各金属元素(如Cu、Ag、Au、Cr、Mn)的合金经拉伸而制成。特点：电阻率高，阻值精确(556k)；阻温系数小，使用温度宽；耐热性高，功率范围大；稳定性好，噪声小；耐磨。缺点：体积较大、自身电感大，使高频性能差、时间常数大。只适用于频率在50kHz以下的电路。CompanyLogothemegallery第二节电阻和电热材料-线绕电阻材料贱金属电阻合金线：1.锰铜：电阻稳定性好，阻温系数小。使用温度范围窄，一般用于室温范围中低阻值的精密线绕电阻器。2.康铜：耐热性好，使用温度宽，阻温系数大，大功率电阻。适于交流精密电阻器和电位器绕组等。3.镍铬：较高电阻率，宽使用温度，阻温系数大。主要用于制作中、高阻值的普通线绕电阻器和电位器。4.镍铬多元合金：电阻率高，阻温系数小，耐磨性好，适合高阻值的精密线绕电阻器或电位器。CompanyLogothemegallery第二节电阻和电热材料-线绕电阻材料贵金属电阻合金线：接触电阻小，低噪，耐磨性好。常用的贵金属电阻合金线包括铂基合金线、钯基合金线、金基合金线和银基合金线。用它们制成的电阻合金线具有良好的化学稳定性、热稳定性和电性能。主要用于制作精密线绕电阻器和电位器，以及一些高性能的、长寿命的、特殊要求的线绕电阻器和电位器。CompanyLogothemegallery近年来，电阻器和电位器正向着高精度、高稳定、高可靠、长寿命、小型化、高（或低）阻值、宽温度域等方向发展。第二节电阻和电热材料-薄膜电阻材料非线绕电阻器：用真空蒸发、溅射、化学沉积、热分解、烧渗、网印、喷涂、烧结等方法制得电阻体，再加上引出线、保护层以及适当的处理而制得的电阻器。薄膜电阻材料：制得的电阻体为膜厚在1m以下的薄膜。要求：电阻率范围宽，温度系数小，电压系数低，噪声电平小，高频性能好，使用温度范围宽，工艺性能好，使用的稳定性和可靠性高。另外，对恶劣环境中使用的电阻器，还有一些特殊要求。CompanyLogothemegallery第二节电阻和电热材料-薄膜电阻材料CompanyLogothemegallery碳膜：碳膜是用碳氢化合物，如甲烷、庚烷、苯等在850~1100℃温度和1~2Pa大气压下进行热分解，在绝缘陶瓷基体上沉积所得。正常情况下，是致密而带金属光泽的类石墨结构。改变碳膜厚度和用刻槽的方法变更碳膜的长度，可以得到不同的阻值。特点：碳膜电阻器阻值范围宽，较好的稳定性，温度系数不大且是负值，是目前应用最广泛的电阻器。由于它容易制成高阻值的膜，所以主要用作高阻高压电阻器。第二节电阻和电热材料-薄膜电阻材料硅碳膜：为提高碳膜工作温度和电性能，常在碳膜中加硅制造出碳硅膜。碳硅膜具有耐高温、耐潮和耐腐蚀的特性。制备条件：含硅的有机物、碳氢化合物同时加热分解而成，也可通过依次热分解硅的有机物和碳氢化合物制得。结构：底层-硅碳层，玻璃相SiO2+C，增加对基体的附着；中间层-导电层，接近纯碳膜，渗入少量SiO2外层-保护层，SiO2及少量B-SiCCompanyLogothemegallery第二节电阻和电热材料-薄膜电阻材料金属氧化膜（以锡锑氧化膜为例）工艺：将锡锑卤化物溶液喷涂到灼热的(~700℃)