导电材料专项培训课件.ppt
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- 导电 材料 专项 培训 课件
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1、1第二章第二章 导电材料导电材料2本章内容本章内容v金属导电材料金属导电材料v电极及电刷材料电极及电刷材料v厚膜导电材料厚膜导电材料v薄膜导电材料薄膜导电材料v导电聚合物材料导电聚合物材料3v导电材料是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、引线和布线电缆,传导电信息的导线、引线和布线。v根据使用目的不同,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。vI E C(国 际 电 工 委 员 会 标 准)规 定,电 阻 率 为1.7241cm的标准软铜的电导率作为100,其他
2、材料的电导率与之比较,以百分电导率表示。v导电材料最主要的性质是良好的导电性是良好的导电性能。42.1 金属导电材料金属导电材料2.1.1 金属导电材料概论金属导电材料概论 1.定义定义 导电材料是指电流容易通过的材料。常用作导电材料是指电流容易通过的材料。常用作电极、电刷、电线等。电极、电刷、电线等。作为导电材料,希望其电阻率尽可能地小作为导电材料,希望其电阻率尽可能地小(10-6 m)。但是,为了满足其他条件,例如。但是,为了满足其他条件,例如机械强度、加工性、耐腐蚀性、经济性等,在许机械强度、加工性、耐腐蚀性、经济性等,在许多情况也会使用电阻率较大的。多情况也会使用电阻率较大的。52导电
3、材料的电气性质导电材料的电气性质(1)电阻与电阻率电阻与电阻率导体的电阻材料与长度导体的电阻材料与长度L成正比、与断面成正比、与断面A成反成反比,可表示为比,可表示为R=L/A,是物质固有的参数,指是物质固有的参数,指1m3(或或1cm3)材料的电阻,称为材料的电阻率,单位材料的电阻,称为材料的电阻率,单位为为 m 或或 cm。(2)电阻温度系数。电阻温度系数。导体的电阻随温度的变化而变化。温度为的电导体的电阻随温度的变化而变化。温度为的电阻可表示为阻可表示为 RT=RT11+aT1(T-T1)式中,式中,RT1为在基准温度为在基准温度T1的电阻的电阻,aT1为在基准温度为在基准温度T1的电阻
4、温度系数的电阻温度系数。一般金属导体的电阻随温度升高而增大一般金属导体的电阻随温度升高而增大6 导电材料的导电材料的电阻率与电阻温度系数电阻率与电阻温度系数同同材料的材料的纯度和完整性纯度和完整性有十分密切的关系,有十分密切的关系,既所谓是结构敏感的既所谓是结构敏感的。所以对于同一种材料,由于制备方法所以对于同一种材料,由于制备方法不同,电阻率与电阻温度系数会存在一定不同,电阻率与电阻温度系数会存在一定差别。差别。7 3导电材料的标准导电材料的标准(1)标准软铜的电阻温度系数标准软铜的电阻温度系数 在在20时为时为 1/254.5=0.00393-1,在,在T1()的的电阻温度系数用电阻温度系
5、数用1/254.5+T1-20)-1表示。表示。(2)电导率和百分电导率电导率和百分电导率电阻率的倒数为电导率,用来表示导体的电阻率的倒数为电导率,用来表示导体的导电度。这个电导率与国际标准软铜的电导率导电度。这个电导率与国际标准软铜的电导率之比的百分率,称为百分电导率之比的百分率,称为百分电导率或称为或称为IACS(国际退火铜标准国际退火铜标准,1,1米长截面积米长截面积1 1平方毫米平方毫米的铜,电阻的铜,电阻0.017)0.017)电导率电导率。8(3)国际标准软铜国际标准软铜。作为导体电导率的表示基作为导体电导率的表示基 准的标准软铜。其特性在准的标准软铜。其特性在1913年的国际电年
6、的国际电 器标准器标准 会议上规定如下:会议上规定如下:v各部分的切面积的均等面积为各部分的切面积的均等面积为mm2的标准软的标准软铜,在铜,在20 时,长度时,长度m的电阻为的电阻为1/58 ,即,即电阻率为电阻率为0.17241 m(100%IACS)。v 在在20 时的密度为时的密度为8.89g/cm3v标准软铜在标准软铜在20 时的电阻温度系数为时的电阻温度系数为1/254.5=0.00393-194影响导体电阻值的因素影响导体电阻值的因素 杂质、缺陷、温度、应力杂质、缺陷、温度、应力是影响导体电阻的是影响导体电阻的主要原因。一般纯金属的电导率比其合金的高。主要原因。一般纯金属的电导率
7、比其合金的高。合金的电导率由于合金的组成不同而各异,例如,合金的电导率由于合金的组成不同而各异,例如,在二元合金中由于成分相互溶解而生成固溶体。在二元合金中由于成分相互溶解而生成固溶体。如果在纯金属中加入少量的其他金属,则电导率如果在纯金属中加入少量的其他金属,则电导率将急剧下降。将急剧下降。10 5导电材料应具备的性质导电材料应具备的性质v作为金属导电材料,用得最多的是作为金属导电材料,用得最多的是铜,其次是铝、铁铜,其次是铝、铁等。等。v作为导电材料应具备的条件:作为导电材料应具备的条件:电导率大、易连接、较大的抗拉强度、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
8、大、易弯曲、容易加工成型、耐腐蚀、产量大、价格低价格低等。等。但是,由于纯金属的抗拉强度都比较低,但是,由于纯金属的抗拉强度都比较低,所以在对抗拉强度要求高的场合,应采用所以在对抗拉强度要求高的场合,应采用热热处理的金属或合金处理的金属或合金。112.2 电极和电刷材料电极和电刷材料2.2.1 电容器电极材料电容器电极材料电极是电容器的重要组成部分,它在电容器中电极是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。尽管电极的形式起着形成电场,聚集电荷的作用。尽管电极的形式随着电容器的结构不同而有变化,但作用是相同的。随着电容器的结构不同而有变化,但作用是相同的。因此,作为电容器
9、的电极材料,其质量的好坏和选因此,作为电容器的电极材料,其质量的好坏和选用是否合理,对电容器的性质、质量、制造工艺、用是否合理,对电容器的性质、质量、制造工艺、重量、成本都有重要影响。应根据电极的要求来选重量、成本都有重要影响。应根据电极的要求来选用适当的电极材料用适当的电极材料。12电极材料的主要要求电极材料的主要要求:应具有应具有优良的导电性能优良的导电性能,体积电阻率要小;,体积电阻率要小;具有具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性良好的化学稳定性和抗腐蚀性,不易氧化,并,不易氧化,并 且对介质材料的老化、催化作用要小;且对介质材料的老化、催化作用要小;应有应有良好的机械性能良好的机械性能。如不
10、易变形、压延性和柔韧。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;性要好、抗拉强度高、与电容器工艺匹配;密度小,热导率大;密度小,热导率大;易于焊接,具有适当的熔点和沸点;易于焊接,具有适当的熔点和沸点;材料来源广泛,价格便宜。材料来源广泛,价格便宜。132.2.2 引出线引出线 电子元件的引出线与印制电路板联接,形电子元件的引出线与印制电路板联接,形成整机的功能部件。成整机的功能部件。整机的可靠件在很大程度整机的可靠件在很大程度上取决于引线的可靠性上取决于引线的可靠性。电子元件引出线所用的导电材料,因基材电子元件引出线所用的导电材料,因基材成分、镀成分、镀(涂涂)层种类、
11、含杂量、厚度和生产工层种类、含杂量、厚度和生产工艺不同,各种引出线在机械性能、电件能、热艺不同,各种引出线在机械性能、电件能、热性能、磁性能,耐蚀性和可焊性上各有不同。性能、磁性能,耐蚀性和可焊性上各有不同。14选用电子元件引出线时应考虑选用电子元件引出线时应考虑:引出线对电子元件本身的影响引出线对电子元件本身的影响,如引出线的导电,如引出线的导电 性、性、接触电阻、离子和分子的迁移、化学变化和电化学影响。接触电阻、离子和分子的迁移、化学变化和电化学影响。是否适应电子元件生产工艺是否适应电子元件生产工艺,如引出线是否适于清洗、,如引出线是否适于清洗、烘干、对焊、熔焊、轧扁、铆接、涂漆、烘漆、电
12、气老烘干、对焊、熔焊、轧扁、铆接、涂漆、烘漆、电气老 化、机械设备的牵引打弯。是否适应高速连续生产,能化、机械设备的牵引打弯。是否适应高速连续生产,能 经受气体污染否等。经受气体污染否等。引出线对电子元件密封性影响引出线对电子元件密封性影响,引出线与电子元件包,引出线与电子元件包 封料的亲和性。引出线的热胀系数及其熔封性。封料的亲和性。引出线的热胀系数及其熔封性。引出线是否适应整机的工作环境引出线是否适应整机的工作环境,能否确保整机不因引能否确保整机不因引出线而发生故障出线而发生故障,如能经受高温、低温、潮热、盐雾、震,如能经受高温、低温、潮热、盐雾、震动等恶劣工作条件动等恶劣工作条件。引出线
13、是否适于整机的高密度群焊技术引出线是否适于整机的高密度群焊技术,其电子元件能,其电子元件能 否长期储存。否长期储存。152.2.3 电刷与弹性材料电刷与弹性材料在电位器(用于分压的可变在电位器(用于分压的可变电阻器电阻器)中,)中,电刷电刷是沿电阻体滑动的导电构件,也称接点或接触刷是沿电阻体滑动的导电构件,也称接点或接触刷:在:在许多重要或特殊要求的电位器中,电刷单独制造,然许多重要或特殊要求的电位器中,电刷单独制造,然后借助于钎焊、点焊、铆接或夹装与弹性簧片组成构后借助于钎焊、点焊、铆接或夹装与弹性簧片组成构件,而使电刷获得支承和弹力源。件,而使电刷获得支承和弹力源。一般情况下,接触簧片一般
14、情况下,接触簧片带有接点的簧片、用弹性材料带有接点的簧片、用弹性材料直接加工成型。因此。电刷材直接加工成型。因此。电刷材料与弹性材料是相互联系且不料与弹性材料是相互联系且不可分割的一组材料。弹性材料可分割的一组材料。弹性材料还可用来制造其他弹性元件,还可用来制造其他弹性元件,如簧片和弹性集流片。如簧片和弹性集流片。162.3 厚膜导电材料厚膜导电材料在厚膜混合集成电路中,在厚膜混合集成电路中,厚膜导电材料厚膜导电材料的作用是固定分立的有源器件和无源器件的作用是固定分立的有源器件和无源器件(需能(需能/电源的器件叫有源器件,无需能电源的器件叫有源器件,无需能/电源电源的器件就是无源器件。有源器件
15、一般用来信的器件就是无源器件。有源器件一般用来信号放大、变换等,无源器件用来进行信号传号放大、变换等,无源器件用来进行信号传输,或者通过方向性进行输,或者通过方向性进行“信号放大信号放大”。容、容、阻、感都是无源器件,阻、感都是无源器件,IC、模块等都是有源、模块等都是有源器件器件),作为元件之间的互连线及作为厚膜,作为元件之间的互连线及作为厚膜电容的上下电极及外引线的焊区等电容的上下电极及外引线的焊区等。17 由于贵金属价格上涨,需要寻求价格低廉而性由于贵金属价格上涨,需要寻求价格低廉而性能优良的新导体材料,因此出现了一起能优良的新导体材料,因此出现了一起贱金属贱金属厚膜厚膜导电材料。常见的
16、有铜、镍导电材料。常见的有铜、镍硼、铝硼、铝硼,其中,硼,其中,铜导体是比较成熟的,目前已应用在混合电路中铜导体是比较成熟的,目前已应用在混合电路中。厚膜导电材料浆料厚膜导电材料浆料是厚膜工艺中使用的一种浆是厚膜工艺中使用的一种浆料。现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料。现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料,它们在空气中烧结,所用的贵金属主要为金、料,它们在空气中烧结,所用的贵金属主要为金、银银金以及银、铂、钯的二元或三元合金。这些厚金以及银、铂、钯的二元或三元合金。这些厚膜导电材料的电导性能很好,并且铂膜导电材料的电导性能很好,并且铂金导体具有金导体具有非常好的抗焊料溶解性。非常
17、好的抗焊料溶解性。182.3.1 厚膜导电材料的特性厚膜导电材料的特性v厚膜导电材料应具有很低的电阻率、容易进行焊接、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、与基片的粘附牢固等特焊点有良好的机电完整性、与基片的粘附牢固等特点。点。v影响厚膜导电材料性能的主要因素是影响厚膜导电材料性能的主要因素是功能相功能相(导电体)导电体)和粘接剂(玻璃)的优劣和粘接剂(玻璃)的优劣,基片的化学性质和表面,基片的化学性质和表面平整度对导体膜的粘附性(常称为键合)影响也很平整度对导体膜的粘附性(常称为键合)影响也很大。大。v厚膜导电材料用的导电相材料,要求有良好的导电厚膜导电材料用
18、的导电相材料,要求有良好的导电性。通常用两种或多种金属,形成二元或多元合金,性。通常用两种或多种金属,形成二元或多元合金,以提高厚膜导电材料的性能。以提高厚膜导电材料的性能。192.3.2 厚膜导电材料用的有机载体厚膜导电材料用的有机载体 有机载体的功能有机载体的功能 是把金属粉和作粘合用的玻璃粉及其他固体粉末是把金属粉和作粘合用的玻璃粉及其他固体粉末混合分散成膏状浆料,以便用丝网印刷方法将其印混合分散成膏状浆料,以便用丝网印刷方法将其印刷在陶瓷基片上刷在陶瓷基片上 有机载体的组成有机载体的组成 由溶剂由溶剂(挥发成分挥发成分)、增稠刑、增稠刑(非挥发成分又叫凝聚非挥发成分又叫凝聚剂)、流动性
19、控制剂、表面活性剂等组成,每种成剂)、流动性控制剂、表面活性剂等组成,每种成分可以由一种或数种材料组成。分可以由一种或数种材料组成。20对有机载体的要求:对有机载体的要求:应是化学惰性物质。应是化学惰性物质。载体与固体粉粒接触载体与固体粉粒接触(包括在加热情况下包括在加热情况下)时,不能发生化学反应。时,不能发生化学反应。能形成悬浮体能形成悬浮体,载体与固体粉粒相接触的界面上,表面张力,载体与固体粉粒相接触的界面上,表面张力应小,以保证固体与液体之间很好地浸润。液体中应有使电应小,以保证固体与液体之间很好地浸润。液体中应有使电解质稳定的极性基团,不应有过量的凝结剂,避免浆料在长解质稳定的极性基
20、团,不应有过量的凝结剂,避免浆料在长期仔放时发生凝结变质。期仔放时发生凝结变质。有合适的流变性有合适的流变性。载体与固体粉粒结合,可能提供网状结构。载体与固体粉粒结合,可能提供网状结构的成分,形成塑流型触变系统载体的粘度要适中,可调节。的成分,形成塑流型触变系统载体的粘度要适中,可调节。有适度的挥发性有适度的挥发性。载体在室温下饱和蒸气压要低。但在一定。载体在室温下饱和蒸气压要低。但在一定的温度下,其中的溶剂应易挥受,在高温下能够迅速挥发,的温度下,其中的溶剂应易挥受,在高温下能够迅速挥发,使网印的浆料不产生二次流动现象。使网印的浆料不产生二次流动现象。粘结性能好粘结性能好。载体能浸润陶瓷基片
21、表面,因此其表面张力应。载体能浸润陶瓷基片表面,因此其表面张力应适当,使其能牢固地粘附在基片上。适当,使其能牢固地粘附在基片上。其他特性其他特性。载体应无固定沸点,在加热过程中逐步汽化、燃。载体应无固定沸点,在加热过程中逐步汽化、燃烧。避免造成电阻膜上的针孔。在一定的高温下应完全燃烧烧。避免造成电阻膜上的针孔。在一定的高温下应完全燃烧而不留灰分。而不留灰分。212.3.4 贵金属厚膜导电材料贵金属厚膜导电材料 贵金厚膜导电材料包括金、钯贵金厚膜导电材料包括金、钯金、铂金、铂钯钯金、钯金、钯银等,应用较为广泛的是钯银等,应用较为广泛的是钯银、银、金、铂金、铂金等。金等。特点特点:有很好的导电性,
22、工艺简单,可在空气中有很好的导电性,工艺简单,可在空气中 烧成,工艺敏感性差,重复性好,烧成,工艺敏感性差,重复性好,导电膜导电膜 性能稳定性能稳定。222.3.5 贱金属厚膜导电材料贱金属厚膜导电材料 贱金属厚膜导电材料是一种新型导体,贱金属厚膜导电材料是一种新型导体,常见的有厚膜铜导体、镍导体和铝导体等。常见的有厚膜铜导体、镍导体和铝导体等。这些贱金属导体浆料有的可以在空气中烧成,这些贱金属导体浆料有的可以在空气中烧成,有些则必须在中性有些则必须在中性(N2,Ar)或还原性或还原性(N2-H2)气氛中烧成。气氛中烧成。贱金属导体有许多优点,贱金属导体有许多优点,如电阻低、可如电阻低、可焊件
23、和抗焊溶性好、无离子迁移焊件和抗焊溶性好、无离子迁移等。等。其缺点是时其缺点是时工艺要求很高,老化性能不工艺要求很高,老化性能不如贵金属好如贵金属好。232.4 薄膜导电材料薄膜导电材料v在在集成电路集成电路中,薄膜导体在电路内部元器件的中,薄膜导体在电路内部元器件的互连互连线线;薄膜电阻的端头电极、薄膜电容的电极、薄膜;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、外贴元器件的电感线圈、微带线、外贴元器件的焊区、外引线焊焊区、外引线焊区等起着重要作用区等起着重要作用。v对薄膜导电材料的主要要求是:导电性好、附着性对薄膜导电材料的主要要求是:导电性好、附着性好、化学稳定性高、可焊性
24、和耐焊接性好、成本低。好、化学稳定性高、可焊性和耐焊接性好、成本低。v薄膜导电材料的电阻率高于同种的块状材料薄膜导电材料的电阻率高于同种的块状材料,这是,这是由于薄膜的厚度较薄所产生的表面散射效应,以及由于薄膜的厚度较薄所产生的表面散射效应,以及薄膜具有较高的杂质和缺陷浓度所成的结果。连续薄膜具有较高的杂质和缺陷浓度所成的结果。连续金属薄膜的电阻率为声子、杂质、缺陷、晶界和表金属薄膜的电阻率为声子、杂质、缺陷、晶界和表面对电子散射所产生的电阻率之和。面对电子散射所产生的电阻率之和。24薄膜导电材料的分类薄膜导电材料的分类v单元素薄膜单元素薄膜系指用单一金属形成的薄膜导电材料。系指用单一金属形成
25、的薄膜导电材料。主要材料是铝膜。主要材料是铝膜。v多层薄膜多层薄膜系指不同的金属膜构成的薄膜导电材料。系指不同的金属膜构成的薄膜导电材料。有二元系统有二元系统(如铬金如铬金)、三元系统、三元系统(如钴如钴钯钯金金)、四元系统四元系统(加钴加钴铜铜镍镍金金)等。等。25v底层底层:也称为粘附层,主要起粘附作用,使顶层: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。导体膜能牢固地附着在基片上。多层膜结构多层膜结构v顶层顶层:主要起导电和焊接作用:主要起导电和焊接作用v薄膜的附着性薄膜的附着性取决于膜层与基片的结合形式取决于膜层与基片的结合形式v薄膜混合集成电路中,应用最为广泛的
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