Лекция 5. Материалы высокого удельного сопротивления

При изготовлении реостатов и нагревательных элементов используют сплавы с высоким удельным сопротивлением. Материалами высокого сопротивления (резистивными) называют проводниковые материалы, у которых значения ρ в нормальных условиях составляют не менее 3×10^-7 Ом·м. По области применения резистивные материалы разделяют на три основные группы:

1) материалы для резисторов (медные, медно-никелевые, никелевые, никель-хромовые; пленочные, проволочные, углеродистые);

2) материалы для электродов термопар и удлиняющих проводов (сплавы на основе Ni, Pt систем, Cu-Ni, Pt-Rh, W-Re; неметаллические порошковые материалы);

3) материалы для нагревателей (сплавы на основе систем Ni-Cr, Fe-Cr-Al, порошковые керамические материалы).

В зависимости от области применения к резистивным материалам предъявляют дополнительные требования, например, по температурному коэффициенту электрического сопротивления α_ρ, жаростойкости и др.

При использовании сплавов в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление, но и возможно меньшее значение α_ρ а также малая термо-э.д.с. относительно меди. Проводниковые материалы в электронагревательных приборах должны длительно работать на воздухе при температурах порядка 1000°С.

5.1 Материалы для резисторов (резистивные материалы общего назначения).

Основные требования к материалам для резисторов: низкий температурный коэффициент электрического сопротивления, низкая термоэлектродвижущая сила в паре с медью, высокая стабильность электрического сопротивления во времени. Различают сплавы для проволочных, ленточных резисторов (технических и прецизионных) и материалы для непроволочных резисторов (пленочные, углеродистые). Резистивные материалы общего назначения широко используют в приборостроении, электротехнике для изготовления технических резисторов (регулирующие и пусковые реостаты, нагрузочные элементы), для прецизионных резисторов (образцовые сопротивления, различные элементы электроизмерительных приборов, катушки сопротивления, шунты, обмотки потенциометров).

Сплавы для проволочных резисторов. Для технических резисторов основными являются сплавы на основе системы Cu-Ni (сплав МН16, мельхиор МН19, нейзильбер МНЦ 15-20); для прецизионных резисторов ‒ сплавы на медной основе (манганин МНМц 3-12, МНМцАЖ 3-12-0,3-0,3, константан МНМц 40-1,5) и сплавы на никелевой основе (Х20Н80-ВИ, 80ХЮД-ВИ, Х15Н60, ЭП277-ВИ). Для изготовления высокоточных прецизионных сопротивлений используют резистивные сплавы на основе благородных металлов (Au, Ag, Pt, Pd).

Манганин – основной сплав на медной основе для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов. Манганин отличается желтоватым оттенком, хорошо вытягивается в тонкую проволоку до диаметра 0,02 мм. Из манганина изготавливают также ленту толщиной 0,01 – 1 мм и шириной 10 – 300 мм. Для получения малого α_ρ и высокой стабильности сопротивления во времени манганин подвергают специальной термической обработке – отжигу при 350 – 550°С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.

Константан – сплав меди и никеля с небольшим содержанием марганца. Содержание никеля в сплаве примерно соответствует максимуму ρ и минимуму α_ρ для сплавов Cu-Ni. Константан хорошо поддается обработке; его можно протягивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и из манганина. Значение α_ρ константана близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак.

Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает 400-450°С. При нагреве до достаточно высокой температуры на поверхности константана образуется пленка окисла, которая обладает электроизоляционными свойствами (оксидная изоляция). Покрытую такой изоляцией константановую проволоку можно наматывать плотно, виток к витку, без особой изоляции между витками, если только напряжение между соседними витками не превышает 1 В. Таким образом, например, изготавливают реостаты. Для окисления константановой проволоки, дающей достаточно гибкую и прочную плёнку окисла, требуется быстрый (не более 3с) нагрев проволоки до температуры 900°С с последующим охлаждением на воздухе.

Константан в паре с медью или железом приобретает большую термо-э.д.с. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах; за счет разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-э.д.с., которые могут явиться источником ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах. Константан с успехом применяют для изготовления термопар, которые служат для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов.

Непроволочные резистивные материалы подразделяют на пленочные металлические и пленочные на основе оксидов, силицидов, карбидов, а также неметаллические ‒ углеродистые. Непроволочные резисторы широко применяют в автоматике, измерительной и вычислительной технике, в различных областях электротехники.

Резистивные металлические плёнки. Металлические пленки применяют для изготовления тонкопленочных резисторов и обкладок тонкопленочных конденсаторов, а также для создания токопроводящих дорожек и контактных площадок в интегральных микросхемах.

Тонкопленочные резисторы (ТПР) представляют собой тонкую пленку резистивного материала на поверхности диэлектрической подложки. ТПР относительно нечувствительны к шероховатости поверхности до тех пор, пока она не превышает толщины пленки. Материалами для подложек, используемых для этой цели, являются: стекла, полированный плавленый кварц, керамика и монокристаллические пластины.

Тонкопленочные резисторы могут быть изготовлены путем напыления жидкого металла через трафарет, электрическим осаждением, испарением в вакууме и некоторыми другими способами. Для этих целей применяются различные металлы и их сплавы. Материалы тонкопленочных резисторов можно условно разделить на несколько групп: резистивные материалы на основе чистых металлов, резистивные материалы на основе металлических сплавов, резистивные материалы на основе микрокомпозиций, керметы, полупроводниковые материалы и пр. ТПР обычно выполняют из нихрома (80 % Ni и 20 % Сг), тантала или соединения моноокиси кремния с хромом.

Тонкие пленки из нихрома Х20Н80, получаемые методом термического испарения и конденсации в вакууме, широко применяются для изготовления тонкопленочных резисторов, в частности, резисторов интегральных микросхем. Химический состав пленок может заметно отличаться от состава исходного испаряемого сплава, что обусловлено значительными различиями в давлениях паров никеля и хрома при температурах испарения. Поэтому состав конденсата зависит от многих технологических факторов: скорости осаждения, температуры и материала подложки, давления остаточных паров в камере и др.

Обычно применяют тонкие нихромовые пленки с поверхностным сопротивлением R_S = 50–300 Ом и α_ρ, изменяющимся в пределах от –3×10^-4 до +2×10^-4 К^-1. Такие пленки обладают достаточно хорошей адгезией к диэлектрическим подложкам и высокой стабильностью свойств.

В последнее время все шире применяют рениевые тонкопленочные резисторы. Основным преимуществом рения перед другими материалами, используемыми для изготовления тонкопленочных резисторов, являются: устойчивость при высоких температурах, что позволяет изготовлять резисторы с высокой мощностью рассеяния при высокой температуре; высокая стабильность пленок; невысокий температурный коэффициент сопротивления; незначительное изменение сопротивления от толщины, что облегчает изготовление высокоомных резисторов с малым разбросом сопротивления. В том случае, когда необходимо получить высокостабильные пленки с большим поверхностным сопротивлением (порядка нескольких тысяч Ом) и низким температурным коэффициентом сопротивления, применяют тантал, вольфрам и рений.

Пленки из оксидов, силицидов и карбидов. Для изготовления тонкопленочных резисторов широко используются металлосилицидные сплавы и дисилициды металлов. Многокомпонентные резистинные сплавы МЛТ для тонкопленочных резисторов, содержащие Si, Fe, Cr, Ni, Al, W, устойчивы к окислению и воздействию химически активных сред. С целью расширения диапазона сопротивлений по сравнению с получаемыми из металлов и сплавов используют керметы.

КЕРМЕ́ТЫ (сокр. от «керамикометаллические материалы») ‒ металлокерамические материалы, представляющие собой гетерогенную композицию одной или нескольких керамических фаз с металлами или сплавами, с относительно малой взаимной растворимостью фаз. Керметы сочетают свойства керамики (высокие твердость и сопротивление износу, тугоплавкость, жаропрочность и др.) и металлов (теплопроводность, пластичность), т.е. обладают комплексом свойств, интегрирующим характеристики нескольких компонентов.

Свойства керметов зависят от свойств наполнителя и матрицы, а также объемного соотношения и адгезии между ними. Неметаллические фазы в керметах придают им требуемые эксплуатационные характеристики. Содержание керамической фазы в керметах колеблется от 15 до 85% (по объему). Металлическая матрица в керметах объединяет твердые частицы в единый композиционный материал, обеспечивая изделиям необходимую прочность и пластичность. В качестве металлических компонентов используют — Cr, Ni, Al, Fe, Со, Ti, Zr и сплавы на их основе.

По природе керамической составляющей керметы делят на:

‒ оксидные (Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂, ZrO₂),

‒ карбидные (SiC, Cr₃C₂, TiC)

‒ нитридные (TiN),

‒ боридные (Cr₂B₂, TiB₂, ZrB₂),

‒ керметы на основе силицидов (MoSi) и других тугоплавких соединений и др.

По применению ‒ жаропрочные, износостойкие, высокоогнеупорные, коррозионно-стойкие и др.

Микроструктура керметов может представлять собой:

‒ керамическую матрицу, внутри которой расположены металлические включения;

‒ металлическую матрицу с изолированными между собой керамическими частицами;

‒ два равноправных каркаса из металла и керамики;

‒ статистическую смесь керамических и металлических частиц.

Области применения керметов очень широки и разнообразны. В электро- и радиотехнике для изготовления тонкопленочных резисторов используются керметные пленки. Существенным преимуществом керметных пленок является возможность варьирования их удельным сопротивлением в широких пределах. Тонкие пленки на основе микрокомпозиции Cr-SiO₂ изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме с последующей термообработкой для стабилизации свойств.

В толстопленочных микросхемах используют резисторы, полученные на основе композиции стекла с палладием и серебром. Для этой цели стекло размалывают в порошок, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органической связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на керамическую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротивление пленок зависит от процентного содержания проводящих компонентов и режима спекания.

Углеродные резистивные материалы. Вторым по значению резистивным материалом является графит. Графит – одна из кристаллических модификаций углерода. Это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал. Структура у него слоеная. В слое атомы углерода соединены в бесконечные шестичленные кольца. Каждое единичное кольцо представляет собой аналог бензольного кольца. Удельное сопротивление зависит от направления измерения. Если приложить напряжение поперек слоев, удельное сопротивление составит 100 мкОм×м, если приложить напряжение в плоскости слоев, удельное сопротивление достигает 0,3‒0,5 мкОм×м.

Графит сочетает высокие жаропрочность и кислотостойкость, электропроводность и теплопроводность. максимальная рабочая температура графита различных марок в инертной среде и вакууме составляет от 1000 до 2500 ^оС.

Рис. 24.5. Схема кристаллической решетки графита: а, с – параметры решетки

Помимо чистого углерода известно много модификаций технического углерода. Их физические характеристики также сильно меняются в зависимости от структуры и от количества разнообразных примесей. В основе их лежит структура графита, поэтому технические углероды можно считать и техническими графитами. Из них отметим сажу, кокс, коллоидный графит, силицированный графит. Сажа характеризуется очень малым размером частиц, до десятков ангстрем. Используется как наполнитель для резин, полимеров, электропроводных композиций. Взвесь порошка графита в воде называется «аквадаг» и используется для создания электропроводящих покрытий.

Тот факт, что графит имеет повышенное удельное сопротивление по сравнению с металлами, позволяет применять его в промышленности для создания различных сопротивлений. Начиная с пленочных сопротивлений в радиоэлектронике, графитовой бумаги и графитовой ткани и заканчивая композиционными материалами, где частицы графита выступают в роли проводящего наполнителя.

Дата добавления: 2014-01-15