Информационно-познавательный сайт     Материаловедение     Электроматериаловедение  

3. Проводниковые материалы

3.7.2. Проводящие и резистивные композиционные материалы


top include

 

Меню разделов:
Аквариумистика
Биология
Вирусология
История
Материаловедение
Менеджмент
Радиоэлектроника
Фармация
Физика

 

top-2 include right include

 

Проводящие композиционные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой.

Композиционные материалы сочетают в себе ряд ценных свойств:

- большое удельное электрическое сопротивление, слабо зависящее от температуры;

- возможность управления электрическими свойствами с изменением состава;

- сравнительно простую технологию изготовления.

Основными недостатками композиционных материалов являются: повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротивления от частоты, старение при длительной нагрузке.

Проводящие композиционные материалы применяются в виде паст или порошков. По назначению их можно разделить на композиционные материалы для получения беспроволочных композиционных резисторов, проводников и резисторов толстопленочных микросхем, металлизации металлокерамических корпусов.

Для изготовления композиционных резисторов смешивают проводящий материал, органические и неорганические связующие, наполнитель, пластификатор.

При использовании сложных гетерогенных систем (гетерогенная система - физико-химическая система, состоящая из различных по физическим свойствам или химическому составу частей, например вода с находящимся над ней паром, от гр. heterogenes - неоднородный по составу) получают композиционные резисторы с сопротивлением от долей Ома до нескольких тысяч Ом.

В качестве проводящей фазы используют проводники - порошки серебра, палладия, золота, родия; полупроводниковые материалы - двуокись олова, окись кадмия, карбиды кремния, вольфрама, силициды металлов, а также графит или сажу.

В качестве органических связующих используют фенольные или эфирные смолы - эпоксидную, глифталевую, кремнийорганическую. Композиции, содержащие органические связующие вещества, сравнительно легко меняют свои свойства под действием влаги и повышенной температуры. Предельные рабочие температуры их не превышают 150°С.

В металлокерамических и металлополимерных композициях, содержащих неорганические связующие вещества (полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали), после спекания при высоких температурах достигается высокая влагостойкость и теплостойкость (рабочая температура повышается до 350 °С), но увеличивается нелинейность и собственные шумы и снижается верхний предел сопротивления резисторов. Металлокерамические композиционные материалы обладают низким абсолютным значением температурного коэффициента сопротивления, который составляет примерно 2*10-8°С-1. Изменяя состав проводящих компонентов и их количество в объеме материала, температурный коэффициент сопротивления можно изменять.

Кермет - композиция в виде порошка от светло- до темно-серого цвета. В состав кермета входят окись кремния и порошок хрома (вместо хрома в композицию могут входить серебро и палладий в соотношении 5:4) - 90%.

Композиционные материалы типа кермета получили название металлоглазуриевых. Технология их приготовления сводится к размельчению и смешиванию порошков металлов с окисью кремния при наличии растворителя. Пасту наносят на подложку, подвергают термообработке при температуре 1100°С и получают пленки толщиной 20...25 мкм. Такие пленки обладают термостойкостью, влагостойкостью, стабильностью характеристик, точностью поддержания сопротивления после термоциклов 0,1%, сопротивлением от 103 до 106Ом и удельным электрическим сопротивлением от 1000 до 10000 Ом/квадрат.

В качестве материала для изготовления элементов толстопленочных схем применяют проводящие и резистивные пасты. Эти материалы должны обладать определенной текучестью, так как при большой текучести происходит растекание пасты и искажение рисунка схемы, а при малой текучести паста плохо продавливается через трафарет. Под действием механических нагрузок текучесть паст увеличивается. После снятия давления паста затвердевает, сохраняя полученную форму. Эта способность паст называется тиксотропностью. Вследствие тиксотропности паста проникает на подложку через отверстия в трафарете только при приложении вдавливающих усилий, а после снятия усилий не растекается по подложке. Для придания пастам тиксотропных свойств в их состав вводят высокомолекулярные соединения (например, терефталатную кислоту).

Проводящие пасты должны обеспечивать низкое удельное электрическое сопротивление пленок и малую активность при контакте с химически активными материалами при высокой температуре.

В состав проводящих паст входят функциональный материал (мелкодисперсные порошки металлов), постоянное связующее (стекло) и временное связующее вещество (смесь нескольких органических жидкостей).

Электрические свойства проводящей пасты определяются входящими в ее состав порошками металлов. Наибольшее применение нашли пасты на основе благородных металлов - серебра, золота, платины, палладия и их сплавов.

Адгезию пленки к подложке обеспечивает постоянное связующее вещество - порошок стекла. Предназначенный для применения в пасте порошок стекла называют фриттом. Его получают быстрым охлаждением расплавленного стекла в воде или распылением сжатым воздухом с последующим размолом частиц до размера 1...3 мкм.

Равномерное распределение компонентов и требуемая вязкость паст зависят от временного связующего вещества - органических жидкостей, в качестве которых используют жидкие смолы, этилцеллюлозу и др.

Пасты на основе серебра содержат углекислое серебро Ag2CO3 или оксид серебра Ag2O, которые при температуре выше 500°С разлагаются с выделением углекислого газа и кислорода, которые улетучиваются, а на поверхности подложки остается чистое серебро. Для улучшения сцепления серебра с керамикой в состав пасты вводят плавень - часть окиси висмута (Bi2O3), борнокислого свинца (РbВ4O4) или безводной буры (Na2B4O7). В качестве «связки» используют раствор канифоли в скипидаре. Температура вжигания пасты 825°С. В процессе обжига при температуре 200...370°С выгорают канифоль и скипидар, а при температуре примерно 750 °С плавится плавень, образуя металлокерамику с постепенным переходом от чистого серебра к керамике. После двух-трех вжиганий образуется пленка толщиной примерно 10 мкм.

Пленки, полученные в результате вжигания проводящих паст на основе серебра, обладают хорошей адгезией к подложкам; низкой стоимостью; низкой коррозионной стойкостью; подвержены миграции частиц серебра на поверхности подложки, интенсивность которой усиливается с повышением влажности и при действии электрических полей. Для снижения стоимости и уменьшения нежелательных явлений применяют пасты на основе серебра и палладия.

Серебряно-палладиевые пасты применяют для изготовления проводящих слоев, токоведущих дорожек и контактных площадок на керамических подложках методом сеткографии. Температура вжигания 800 °С. Удельное поверхностное электрическое сопротивление пленок 0,02...0,05 Ом/квадрат. Прочность сцепления покрытия с поверхностью керамики 5*106 Н/м2.

Пасты на основе золота применяют для изготовления токоведущих дорожек и проводниковых элементов на подложках из керамики и кварцевого стекла. Содержание золота 75...80%. Удельное поверхностное сопротивление получаемых пленок 0,002...0,005 Ом/квадрат. Прочность сцепления покрытия с керамикой 107 Н/м2, а со стеклом - 5*106 Н/м2. Пленки, полученные в результате вжигания паст на основе золота, обладают высокой стабильностью, надежностью в эксплуатации, стойкостью при повышенных температурах, высокой стоимостью, но в ряде случаев являются незаменимыми.

Резистивные пасты отличаются от проводящих по составу функциональных материалов, в качестве которых используются те же металлы в комбинации с изоляционными и полупроводниковыми материалами. Проводящие и временные связующие элементы у них те же. Изменяя процентное содержание компонентов в пасте, можно получать резистивные пленки с сопротивлением в широком диапазоне.

Пасты на основе серебра с палладием позволяют получать резисторы с удельным электрическим сопротивлением 106 Ом/квадрат. Более низкой чувствительностью к процессу вжигания обладают пасты на основе диоксида рутения.

Резистивные композиции, не содержащие драгоценных металлов, получают на основе оксида таллия, индия, олова, кадмия и тугоплавких соединений различных металлов (боридов, карбидов и др.).

Для металлизации металлокерамических корпусов чаще всего применяют молибдено-марганцевую пасту, состоящую из молибденового и марганцевого порошков, замешанных на биндере (связке).

Порошки должны иметь заданную дисперсность, которая характеризуется удельной поверхностью. В зависимости от количественного соотношения порошков в пасте их удельная поверхность имеет размеры от 4500 до 5500 для молибдена и от 9000 до 11000 см2/г для марганца. Удельную поверхность порошков повышают уменьшением частиц материала при измельчении (помоле). Порошки с заданной удельной поверхностью получают при измельчении исходного сырья в шаровых мельницах. При помоле молибдена добавляют ацетон, а при помоле марганца - безводный спирт. После помола порошок сушат при температуре 80°С, так как при более высокой температуре и попадании в порошок влаги марганец может воспламениться.

В качестве присадок к металлизационным пастам добавляют алюмооксидные порошки 22ХС (состав порошка приводится в 5.3.3) и стекла, которые также измельчают в шаровых мельницах до получения размеров удельной поверхности 9000...11000 см2/г. Стеклянный порошок добавляют в пасты для металлизации керамических материалов, не имеющих стеклофазы. В молибдено-марганцевые пасты вводят также добавки, которые способствуют изменению некоторых свойств металлизации. Например, гидрид титана (TiH2) усиливает окисление молибдена и такая паста менее критична к составу газовой среды при вжигании металлизационного слоя, а борид молибдена (Мo2В5) обеспечивает более высокую термомеханическую устойчивость пасты.

Состав биндера 1: коллоксилин (нитроклетчатка) - 2,5 г; изоамилацетат - 100 мл.

Коллоксилин относится к взрывчатым веществам, поэтому его хранят небольшими партиями (до 300 г) во влажном состоянии (залитым водой или спиртом) в эбонитовой или стеклянной посуде. Стеклянные притертые пробки применять не разрешается, так как при трении стекла о стекло может образоваться искра. При ударе или трении сухой коллоксилин может взорваться. Сушат коллоксилин в алюминиевой или эмалированной посуде при температуре 70...80°С с открытой дверцей сушильного шкафа.

Изоамилацетат токсичен, обладает резким запахом, неблагоприятно действующим на органы дыхания. Поэтому все работы с биндером выполняют в специальных вытяжных шкафах, рабочая поверхность которых футерована электроизолирующим бесшовным материалом (винипласт, тектолит, гетинакс). (футеровка (огнем, futter - подкладка) - облицовка внутренних поверхностей (стен, свода) металлургических печей, железных дымовых труб, химических аппаратов и т.д., изготовляемая из огнеупорных, химически стойких и теплоизоляционных материалов)

Состав биндера 2: поливинилбутираль - 2 мас. ч.; растворитель - 70...90 маc. ч.

Для медленно сохнущих паст (время высыхания 80...100 с) в качестве растворителя используют циклогексанон, для умеренно сохнущих паст (время высыхания 20...30 с) - изобутиловый спирт, а на этиловом спирте приготовляют быстро сохнущие пасты (время высыхания 3...5 с).

Биндер на основе поливинилбутираля получают перемешиванием исходных компонентов на валках в течение одних-двух суток до получения прозрачного раствора, обладающего следующими достоинствами: высокая механическая прочность, термостойкость металлокерамических спаев, возможность получения паст с различным временем высыхания, взрывобезопасность, простота приготовления; поливинилбутираль дешев и недефицитен.

Для приготовления металлизационной пасты компоненты (порошки и биндер) тщательно перемешивают в шаровой мельнице в течение нескольких часов и процеживают через сито. Готовую пасту хранят в стеклянных банках с плотно закрывающимися пробками с указанием на этикетках состава пасты и даты ее изготовления.

Металлизационные пасты имеют ограниченный срок хранения, так как быстро загустевают и расслаиваются, поэтому в процессе работы их постоянно перемешивают и периодически контролируют вязкость. Независимо от состава паст попадание в них воды нежелательно, так как при этом происходит свертывание (коагуляция) пасты.

Пасты наносятся на керамику кисточкой, пульверизацией, контактным переносом, окунанием, шелкографией, запрессовкой, напылением. При вжигании паст происходят сложные процессы спекания металлизационного слоя и образования его прочной связи с керамикой вследствие химического взаимодействия компонентов металлизации и керамики, а также вследствие миграции стекла в металлизационный слой. Плотность молибдена в металлизационных слоях после термообработки составляет лишь 50...60% плотности конструкционного молибдена.

 

3.1. Классификация проводниковых материалов
3.2. Основные свойства и характеристики проводниковых материалов
3.3. Материалы с высокой проводимостью
    3.3.1. Медь и её сплавы
    3.3.2. Алюминий и его сплавы
    3.3.3. Железо и его сплавы
    3.3.4. Натрий
3.4. Материалы с высоким сопротивлением
    3.4.1. Проводниковые резистивные материалы
    3.4.2. Пленочные резистивные материалы
    3.4.3. Материалы для термопар
3.5. Проводниковые материалы и сплавы различного применения
    3.5.1. Благородные металлы
    3.5.2. Тугоплавкие металлы
    3.5.3. Ртуть Hg
    3.5.4. Галлий Ga
    3.5.5. Индий In
    3.5.6. Олово Sn
    3.5.7. Кадмий Cd
    3.5.8. Свинец Pb
    3.5.9. Цинк Zn
3.6. Сверхпроводники и криопроводники
    3.6.1. Сверхпроводники
    3.6.2. Криопроводники
3.7. Неметаллические проводниковые материалы
    3.7.1. Материалы для электроугольных изделий
    3.7.2. Проводящие и резистивные композиционные материалы
    3.7.3. Контактолы
3.8. Материалы для подвижных контактов
    3.8.1. Материалы для скользящих контактов
    3.8.2. Материалы для размыкающих контактов
3.9. Припои
3.10. Металлокерамика
3.11. Металлические покрытия
3.12. Проводниковые изделия

botton include

 


author include