Материалы, применяемые в электронике, электротехнике и радиотехнике

Совершенствование производства, оснащение современных предприятий электрооборудованием и различной аппаратурой невозможно без дальнейшего развития производства и освоения новых материалов.
Материаловедение является одной из первых инженерных дисциплин, основы которой широко используются при курсовом и дипломном проектировании, а также в практической деятельности инженера.
Прогресс в энергетической отрасли тесно связан с созданием и освоением новых материалов, обладающих самыми разнообразными механическими и электрофизическими свойствами. Свойства материала определяются его внутренним строением, которое, в свою очередь, зависит от состава и характера предварительной обработки.

Рациональный выбор электротехнических материалов и правильное их использование невозможно без подробного исследования связи их структур со свойствами и электрофизическими процессами, протекающими в этих материалах в условиях тепловых, магнитных, электромагнитных и других энергетических воздействий.

В настоящее время в электронике применяют сотни различных материалов с разнообразным сочетанием физических, физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств. Все материалы условно разделяют на конструкционные и функциональные.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Конструкционные материалы прежде всего должны обладать определёнными механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами, а также характерными значениями некоторых физических параметров, отражающих их свойства.
К таким параметрам относятся:
удельное электросопротивление — низкое для материалов металлического типа и высокое для диэлектрических материалов
относительная магнитная проницаемость — близкая к единице для диа- и парамагнетиков или превышающая тысячи или десятки тысяч единиц для ферромагнетиков
относительная диэлектрическая проницаемость и некоторые другие свойства.
К конструкционным материалам, как правило, относятся чистые металлы и сплавы, а также керамические и стеклообразные материалы.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Функциональные материалы прежде всего должны обладать определённым сочетанием физических свойств, отражаемых соответствующими параметрами:
удельное электросопротивление
тип и концентрация носителей заряда и их подвижность
магнитная проницаемость и форма петли гистерезиса
диэлектрическая проницаемость и ее температурная и частотная зависимость
Кроме того, они должны иметь определённые характерные значения механических, технологических и эксплуатационных свойств.
К функциональным материалам прежде всего относят полупроводниковые материалы, а также некоторые типы металлических, магнитных и диэлектрических материалов, применяемых в твердотельной и вакуумной электронике, оптоэлектронике и некоторых других областях.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 г. британский учёный Джон Амброз Флеминг изобрёл двухэлектродную лампу (диод) с накалённым катодом.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффе́кт Ричардсо́на, эффект Эдисо́на) — явление выхода электронов из твёрдого тела, металла и полупроводников в свободное пространство, обычно в вакуум или разрежённый газ при нагреве его до высокой температуры. Эмиссия электронов наблюдается при нагреве твёрдых тел для температур свыше 900 К.

В 1907 г. американский изобретатель Ли де Форест ввёл в лампу управляющую сетку, лампа стала трехэлектродной, появилась возможность управлять током, протекающим в лампе между катодом и анодом, что позволило решить проблему усиления электрических сигналов.

Другим направлением в развитии электроники в 1930-е г. было создание специальных электронных приборов для сверхвысоких частот (СВЧ).
В 1939 г. построены первые приборы для усиления и генерирования колебаний СВЧ, названные пролётными клистронами. В 1940 г. изобретён более простой отражательный клистрон.
В 1938–1940-е г. сконструированы вакуумные триоды с плоскими дисковыми электродами, нашедшие применение в СВЧ-диапазоне. В эти же годы для генерирования мощных СВЧ-колебаний разрабатываются магнетроны.

С 1930-х г. интенсивно развивалась полупроводниковая электроника. Учёные исследовали физические процессы в полупроводниках, влияние примесей на эти процессы, термоэлектрические и фотоэлектрические свойства полупроводников, выпрямление переменного тока полупроводниковыми приборами.
Была разработана квантовая теория полупроводников, введено понятие подвижности свободных мест кристаллической решётки полупроводника, получивших впоследствии название дырок, создана теория генерации пар «электрон – дырка».
Была экспериментально подтверждена теория полупроводников, созданная школой советского академика Иоффе Абрама Фёдоровича.

Изобретателями транзистора являются американские физики, Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли.

Микроэлектроника – подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше.

Параллельно с интегральной микроэлектроникой в 1980-е г. развивалась функциональная электроника, позволяющая реализовать определённую функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов (диодов, резисторов, транзисторов и т. п.), базируясь непосредственно на физических явлениях в твёрдом теле.
Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления – наноэлектроники.

ГРУППЫ МАТЕРИАЛОВ
Материалы, используемые для изготовления любого по назначе­нию и степени сложности электрооборудования, можно разделить на две большие группы: электротехнические и конструкционные.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ (ЭТМ)
Электротехнические материалы (ЭТМ) применяют для произ­водства элементов (деталей), используемых для сборки электрон­ных схем и обеспечивающих прохождение электрического тока, его электрическую изоляцию, генерацию, усиление, выпрямление, мо­дуляцию и т.п.
Элементы, необходимые для осуществления этих операций (провода, кабели, волноводы, изоляторы, резисторы, ка­тушки индуктивности, магниты, трансформаторы, генераторы, дио­ды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы, электронные лампы, электромеханические преобразователи, вариконды, лазеры, запо­минающие устройства электронных вычислительных машин (ЭВМ) и т.п.), могут быть изготовлены толь­ко из ЭТМ определённого класса, имеющих вполне определённые физико-химические свойства – электрофизические, механические, химические. От присущих данному материалу свойств будут зави­сеть качество, надёжность и безопасность работы данной детали и, следовательно, электроустановки в целом.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (КМ)
Конструкционные материалы (КМ) используют для изготовления несущих конструкций и вспомогательных деталей, и узлов, на пример: стальных рельсов, опор, консолей контактной сети электрифици­рованных железных дорог, которые несут не только механические нагрузки, но и электрические; корпусов для электрооборудования, предохраняющих от механических нагрузок; шасси, на которых мон­тируется электросхема; шкал, органов управления и т.п.

Условно материалы электроники разделяют на три основных класса — металлические, диэлектрические и полупроводниковые материалы. Отдельно можно выделить так называемые вспомогательные материалы, которые обеспечивают реализацию технологических процессов производства изделий электронной техники. К ним относят флюсы, припои, пасты, материалы технологических покрытий и ряд других материалов.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
На рисунке приведена примерная классификация металлических материалов.
Большую группу металлических материалов составляют собственно конструкционные материалы. Особую роль в электронике, во многом определяющую технические характеристики приборов, играют функциональные материалы.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Магнитомягкие сплавы — ферромагнитные сплавы, обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцетивной силой в слабых полях. Хотя магнитномягкие материалы не ограничены конкретным значением коэрцитивной силы, принимается, что она не превышает 10 -12 Э.
При таком общем определении магнитомягких сплавов к ним нужно отнести трансформаторную сталь и другие электротехнические стали, в том числе железо, а также некоторые конструкционные и нержавеющие ферромагнитные стали. Однако в силу большой номенклатуры указанных сталей и сплавов, а также специфики их магнитных свойств и применения как правило, их выделяют в самостоятельные группы.
По основным магнитным, электрическим, механическим свойствам магнитомягкие сплавы можно разделить на 12 групп. (Магнитомягкие сплавы (azbukametalla.ru))

Магнитные свойства магнитомягких сплавов в постоянном поле определяются химическим составом, структурой и текстурой сплава после окончательной термической обработки. В свою очередь структура и текстура сплава зависят от способа изготовления.
Технологический процесс изготовления магнитомягких сплавов, как правило, строго регламентирован начиная с подбора шихтовых материалов и кончая окончательной термической обработкой.
В настоящее время выплавку магнитомягких сплавов в промышленных условиях проводят в индукционных открытых и вакуумных печах, а также индукционных печах с контролируемой атмосферой. В некоторых случаях для получения экстремальных свойств используют различные виды переплава: электрошлаковый (ЭШ), электроннолучевой (ЭЛ), плазменно-дуговой (ПД).

МАГНИТОТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Магнитотвердые сплавы обладают высокой магнитной энергией и используются как элементы памяти — носители информации, а также как постоянные магниты в радиоаппаратуре.
К таким материалам относятся закаливаемые на мартенсит углеродистые, хромистые, кобальтовые, вольфрамовые стали, а также ряд литых и металлокерамических сплавов.
В качестве магнитотвердых материалов используются, например, сплавы типа магнико, ални, викаллой, некоторые ферриты, соединения редкоземельных элементов с кобальтом.
Рассматриваемые материалы строятся на базе химических систем:
Fe-Ni-Al, Fe-Co-Ni-Al, Fe-Cr-Co, Fe-Co-V, Fe-Cr-Ni, легированных сталей (Cr, Co, Mo, W) - сплавы для постоянных магнитов;
Fe-Co-V, Fe-Co-Ni-V, Fe-Co-Cr-V, Fe-Cr-W, Fe-Co-W-Mo - сплавы для гистерезисных двигателей;
Fe-Co-Cr, Fe-Ni, Fe-Co-Ni - сплавы для элементов памяти. Fe - железо, Ni - никель, Al - алюминий, Co - кобальт, Cr - хром, V - ванадий, W - вольфрам, Mo - молибден.

Магнито-твердые сплавы можно разделить на три группы в соответствии с их основным назначением.
Промышленность производит магнитотвердые материалы в виде плоского (лента, лист) и круглого (проволока, пруток) проката. Тот или иной вид заготовок выбирается в зависимости от конкретной области применения.

СПЛАВЫ С ЗАДАННЫМ ТЕРМИЧЕСКИМ РАСШИРЕНИЕМ
Прецизионные сплавы с заданными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) представлены большой группой сплавов, поставляемой металлургической промышленностью по ГОСТ 14080—68, 14081—68, 14082—68 и по техническим условиям.
Основными параметрами, характеризующими эти сплавы, являются значения ТКЛР, регламентированные в определенных интервалах температур в зависимости от условий применения сплавов. Используют для спаев с керамикой, стеклом и другими диэлектриками.
Развитие новой техники, в том числе квантовой электроники, радиотехники, криогенной промышленности, связано, в частности, с разработкой и применением новых прецизионных сплавов, имеющих особые тепловые свойства в комплексе с другими характеристиками.

Принятая классификация сплавов с заданными ТКЛР проведена исходя из характеристик их магнитных свойств и значений ТКЛР (минимальные, низкие, средние и высокие).

Основной тенденцией развития сплавов с заданными ТКЛР является снижение ТКЛР при расширении температурного интервала в котором сохраняются их низкие значения. Путем легирования Fe—Ni и Fe—Ni—Со основ не удалось получить ферромагнитных сплавов с низким и средним ТКЛР, постоянным выше 500°С, что определяет порог применения сплавов на ферромагнитной основе. Поиски аномалий теплового расширения сплавов на других основах также не дали результатов. Поэтому пришлось использовать тугоплавкие металлы, имеющие низкий ТКЛР. Вольфрам, молибден, цирконий имеют ТКЛР соответственно 4,5; 5,8; 6,7·10–6 град–1, причём при повышении до температур 800—1000°С ТКЛР растет монотонно. На основе циркония удалось найти технологичные сплавы с низким ТКЛР — до 900°С.
Немагнитные сплавы со средним ТКЛР были разработаны на основе систем Ni—W и Ni—Мо при концентрациях вольфрама и молибдена, необходимых для перевода сплава в парамагнитное состояние (20—25%) и получения заданного комплекса свойств.
Сплавы с высокими значениями ТКЛР представляют собой немагнитные легированные стали и сплавы на Fe—Ni—Cr; Mn—Ni—Cu; Mn—Pd основах. В аустенитных железоникельхромистых сталях ТКЛР для интервала температур 20—100°С достигает значения ~17·10–6 град–1. Более высокие значения ТКЛР получают на сплавах Мn—Ni—Сu и Мn—Pd. Сплавы с высокими значениями ТКЛР применяют в качестве активной составляющей термобиметаллов и для работы в различного рода соединениях, в которых их большое тепловое расширение находится в соответствии с расширением других материалов.

СПЛАВЫ С ВЫСОКИМИ УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ
Сплавы с высокими упругими свойствами применяют в качестве пружин и упруго-чувствительных элементов в расходомерах, акселерометрах, резонансных фильтрах и т.д.
Сплавы с высокими свойствами упругости (их часто называют пружинными) наряду с высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стойкостью в условиях статического и циклического нагружения должны обладать еще каким-либо одним или несколькими специфическими свойствами:
высоким или, наоборот, очень малым модулем упругости
низким температурным коэффициентом модуля упругости
малым упругим гистерезисом и упругим последействием
высокой усталостной прочностью
коррозионной стойкостью
немагнитностью
электропроводностью
износостойкостью

По способу упрочнения и физико-механическим свойствам пружинные сплавы можно разделить на три основные группы:
1. Аустенитные дисперсионно-твердеющие коррозионностойкие сплавы.
2. Аустенитные деформационно-твердеющие коррозионностойкие немагнитные сплавы.
3. Сплавы с низким и постоянным коэффициентом модуля упругости (элинвары).
К первой группе относятся сплавы на основе систем Fe—Ni—Сr, Ni—Cr, Ni—Сr—Nb, Ni—Co—Cr, Nb—Ti, упрочняемые в результате закалки и старения или после закалки, холодной пластической деформации и старения.
Сплавы второй группы на основе системы Со—Ni—Сr упрочняются только после закалки с последующей холодной деформацией с высокими обжатиями и старения.
Третью группу сплавов составляют элинварные сплавы на основе Fе—Ni—Со и Fe—Ni—Сr. В эту группу включен также камертонный биметалл.

СПЛАВЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Сплавы сопротивления используют для изготовления нагревателей, термодатчиков, эталонных сопротивлений и т.д. К сплавам с повышенным (ρ>0,3 мкОм*м) и высоким (ρ>1 мкОм*м) удельным сопротивлением относятся медно-никелевые сплавы: манганин, мельхиор, нейзильбер, константан.
Сплавы с особыми свойствами – никелевые, никель-хромовые, идущие для изготовления различных резисторов (их называют ещё резистивные материалы). К материалам с высоким удельным сопротивлением можно отнести и материалы для термопар.
Выпускаются различные марки материалов с повышенным и высоким ρ, а также сортамент в виде полос, прутков, лент, проволоки, трубок.
Основными требованиями к материалам для резисторов являются низкий ТКρ, низкая термоЭДС в паре с медью, высокая стабильность электрического сопротивления во времени. Их применяют для изготовления технических (регулирующих, пусковых реостатов, нагрузочных элементов) и прецизионных (образцовые резисторы, элементы электроизмерительных приборов, катушки сопротивления, шунты, обмотки потенциометров) компонентов схем и приборов. Выпускаемая для изготовления резисторов из различных материалов с высоким удельным сопротивлением проволока имеет диаметр от 0,009…0,012мм и более. Сплавы на основе благородных металлов кроме высокой коррозионной стойкости имеют малую термоЭДС в паре с медью.

Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu, 12% Mn, 3% Ni.
Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов приборов и т. д., имеет малую термоЭДС в паре с медью (1-2 мкВ/К), удельное сопротивление 0,42 - 0,48 мкОм · м, σp = 450 - 600 МПа, Δl/l = 15- 30 %, максимальная длительная рабочая температура не более 200°С. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0,02 мм с эмалевой и др. изоляцией.
Константан - медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu, 40% Ni) имеет ρ = 0,48 - 0,52 мкОм · м, αρ = (5 - 25) · 10-6 К-1, σp = 400-500 МПа, Δl/l = 20 - 40%. ТермоЭДС в паре с медью 45 - 55 мкВ/К, поэтому константан можно использовать для термопар. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450°С.
Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO. Сплавы системы Fe-Ni-Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х-хром, Н-никель, Ю-алюминий, Т-титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Некоторые свойства жаростойких сплавов приведены в таблице
Основная область применения этих сплавов - электронагревательные приборы, реостаты, резисторы.
Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешёвые,
чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

КРИОГЕННЫЕ СПЛАВЫ
Криогенные сплавы обладают заданными тепловыми, магнитными и электрическими свойствами при температурах -195,6 °С, и их используют в криогенной электронике.
Глубокое охлаждение способствует значительному улучшению технических и экономических параметров радиоэлектронных устройств — преимущества компактных сверхпроводящих запоминающих устройств большой ёмкости и быстродействия для ЭВМ, сверхпроводящих магнитов и другой аппаратуры неоспоримы.
Возникающие в условиях глубокого охлаждения явления, которые присущи только такому состоянию вещества, позволяют создавать принципиально новые приборы. Именно так, например, был сконструирован мазер, успешно используемый в спутниковых системах связи, радиоастрономии и т.д.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Функциональные материалы специального назначения обычно используют в конкретных областях радиоэлектроники. Данные материалы должны обладать рядом специфических свойств, на пример высокими эмиссионными свойствами, высокой устойчивостью к электронной и ионной бомбардировке, высокими механическими свойствами при повышенных температурах, сверхвысокими рабочими температурами и т.д.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
Диэлектрические материалы обладают способностью поляризо­ваться под действием приложенного электрического поля и подраз­деляются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.

Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют:
для создания электрической изоляции токопроводящих час­тей – они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляци­онными;
в электрических конденсаторах – служат для создания определённой электрической ёмкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.

Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для из­готовления активных элементов (деталей) электрических схем. Де­тали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, моду­ляции, преобразования электрического сигнала.
К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кри­сталлы, электрооптические материалы.

Диэлектрические материалы на основе керамик, стекла, компаундов и полимеров, которые широко применяют в электронике.
Керамические материалы используют в качестве элементов конструкций вакуумных электронных приборов, установочных элементов в радиоаппаратуре, подложек микросхем, пьезоэлементов, элементов конденсаторов и т.д. Кроме того, широко используют ферритную керамику на основе сложных оксидных систем, сегнетоэлекгрическую, пьезоэлектрическую, пироэлектрическую, конденсаторную керамику и т.д.
Стеклообразные материалы применяют для изготовления оболочек электронных устройств, элементов лазерных систем — активных элементов и световодов, защитных плёнок, в качестве оптически- и магнитоактивных элементов микроэлектронных устройств, в качестве аморфных материалов микроэлектроники, подложек микросхем и т.д.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Полупроводниковые материалы по величине удельной электро­проводности занимают промежуточное положение между диэлек­триками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряжённости электриче­ского поля, температуры, освещённости, длины волны падающего света, давления и т.п. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.
Реально указанные материалы являются лишь основой
полупроводниковых структур, при этом свойства самих
структур определяются характером и уровнем легирования
материала-основы различными примесными элементами,
режимами термообработки полупроводниковых структуры,
определяющими распределение примесей, и т.д.

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса:
материалы высокой проводимости;
сверхпроводники и криопроводники;
материалы высокого (заданного) сопротивления;
контактные материалы.

Материалы высокой проводимости используют там, где необходи­мо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Сu, А1, Fе, Аg, Аu, Рt и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.

Сверхпроводниками являются материалы, у которых при темпера­турах ниже некоторой критической (Ткр) сопротивление электрическо­му току становится равным нулю.