Классификация материалов по свойствам

Все свойства и харак­теристики материалов электронной техники разделяют на физико-химические и потребительские (рис. 1.9). В свою очередь, физико-химические свойства делят на функцио­нальные (служебные) и технологические (способность к обра­ботке).

Функциональными называют свойства, определяющие пригод­ность материала для создания изделий высокого качества. В за­висимости от принципа действия РЭА и ее назначения набор функциональных свойств может быть различным, но, как прави­ло, основными являются: электрические, механические, теплофизические, оптические, химические, магнитные.

Свойства, характеризующие поведение материала при обра­ботке, называются технологическими. В зависимости от методов обработки (механическая, термическая, химическая, электрохимическая и т. п.) большее значение могут приобретать различные свойства, такие, как твердость, пластичность, способность обра­зовать пассивирующее покрытие при окислении, стойкость в хи­мически агрессивных средах, пределы растворимости легирующих примесей.

В случае, если комплекс этих свойств благоприятен для обра­ботки материала, причем не требуется ни слишком высоких тем­ператур, давлений или глубокого вакуума, ни дорогих исходных и контейнерных материалов, а технико-экономические показатели его обработки достаточно высоки, говорят, что материал техноло­гичен.

Потребительские свойства и характеристики материалов, как правило, вытекают из физико-химических и являются их следст­вием. Малотехнологичный материал непременно будет и дорогим, а часто и дефицитным.

Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение, когда в нем возника­ют внутренние напряжения. Количественная мера внутренних на­пряжений— нагрузка, отнесенная к площади поперечного сече­ния, а деформаций — относительное увеличение или уменьшение размеров.

Рис. 1.9. Основная классификация свойств материалов

Способность материала противостоять разрушению называется прочностью, а его способность сопротивляться деформациям — жесткостью.

Достаточная прочность — важнейшее требование к конструк­ционному материалу. Однако во многих случаях работоспособ­ность изделия определяется не прочностью материала, а его же­сткостью. К таким изделиям относятся прежде всего те, от кото­рых требуется сохранение точных размеров и формы, например оси и валы, корпуса редукторов, станины станков. Жесткостью должны обладать несущие платы и каркасы РЭА, которые под­вергаются длительным знакопеременным нагрузкам и могут раз­рушиться вследствие приборам и вызвать обрыв пле­ночных проводников, паяных соединений, нарушение герметично­сти корпусов ИС.

Высокая прочность — почти всегда достоинство материала, жесткость же необходима не во всех случаях. Например, жест­кость материалов, применяемых для изготовления пружин, мем­бран, торсионов, должна быть низкой, обеспечивающей большие деформации.

При конструировании РЭА важно иметь в виду, что источни­ком внутренних напряжений могут быть не только внешние нагрузки— это очевидный и сравнительно легко учитываемый фак­тор, по и целый ряд других усталости сами либо передать недопустимые вибрации установленным на них причин, таких, как:

физико-химические процессы, происходящие в самом материа­ле,— сушка, полимеризация, фазовые превращения;

температурные градиенты, возникающие в процессах получе­ния материала, например при образовании кристалла, термообра­ботке, термическом отверждении полимеров:

изменение температуры многослойных структур, состоящих из материалов с различающимися ТКЛР.

Именно эти скрытые источники внутренних напряжений пред­ставляют нередко большую угрозу для компонентов РЭА, изго­товленных в виде микросборок, БИС, ГИС, и для печатных плат. Отрицательное влияние механических напряжений состоит не только в том, что элементы конструкции могут разрушиться, но и в появлении дефектов, которые могут быть причиной деградации прибора. Особенно чувствительны к деформациям полупроводни­ковые диоды и транзисторы.

Под действием внутренних напряжений атомы (или ионы и молекулы) смещаются со своих равновесных позиций. Естественно, что механические напряжения отражаются на внут­ренней структуре материалов и многих их свойствах.

По мере того как нарастают внутренние напряжения, матери­ал реагирует па них по-разному, в общем случае в три стадии:

1. Упругая деформация — обратимое изменение размеров и формы из-за изменения расстояния между атомами, ионами.

2. Пластическая деформация — необратимое скольжение, сме­щение отдельных частей твердого тела относительно друг друга; наблюдается обычно в металлах при относительном удлинении, превышающем 0,1%.

3. Разрушение — зарождение и распространение трещин и об­разование новых поверхностей. Вследствие влияния дефектов тех­ническая прочность оказывается намного меньшей, чем рассчи­танная исходя из силы связи между микрочастицами. В пластич­ных материалах реальные прочность и жесткость определяются главным образом движением дислокаций, в хрупких — наличием еще до приложения нагрузки поверхностных трещин — очагов хрупкого разрушения. Поэтому предсказать теоретически реаль­ную прочность конструкционных материалов не удастся и при­ходится прибегать к натурным испытаниям.

По характеру изменения нагрузки во времени различают сле­дующие виды испытаний: статические (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, твердость), динамические (ударная вязкость и твердость), усталостные, выполняемые при многократном цикли­ческом приложении нагрузки.

Наиболее распространенным, обязательным почти для всех конструкционных материалов, является испытание на растяжение. Это объясняется не только его простотой и универсальностью, но и тем, что при многих других видах деформаций: сжатии, кручении, изгибе — происходит также и растяжение, которое и в этих случаях играет определяющую роль.

Диаграммы растяжения для разных материалов имеют вид, представленный на рис.1.10. Видно, что наиболее сложную форму имеют кривые для пластичных металлов, являющихся главными конструкционными материалами. На этих кривых различают ха­рактерные, важные для конструкторских расчетов точки:

Рис. 1.10. Диаграмма растяжения

1) предел пропорциональности , ограничивающий прямоли­нейную часть диаграммы, на которой точно соблюдается закон Гука; , где Е — модуль упругости (модуль Юнга);

2) предел упругости — напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает малой нормированной величины, например 0,001; 0,005; 0,02; 0,05%. Соответствующие им пределы упругости обозначают , и т. д. При конструировании вы­бирают тот или иной предел в зависимости от необходимой жест­кости или вибропрочности детали;

3) предел текучести - напряжение, которому во многих случаях соответствует удлинение 0,2%, его обозначают . Именно этот предел характеризует переход от упругих дефор­маций к пластическим, и по нему чаще всего определяют несу­щую способность деталей конструкций;

4) временное сопротивление — характеризует максималь­ную несущую способность материала, его прочность, предшеству­ющую разрушению.

5) относительное удлинение после разрыва , , отношение (в процентах) приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине.

Подчеркнем, что удлинение после разрыва характеризует лишь пластическую, а не упругую деформацию и не может быть ис­пользовано для расчета модуля упругости.

Рассмотренные критические характеристики , , не являются фундаментальными параметрами материала, а зависят от содержания примесей и технологии обработки. Поскольку то и другое не удается в реальных условиях производства поддержи­вать строго постоянным, прочностные характеристики одной и той же марки металла колеблются в пределах, установленных ГОСТом, что и вынуждает применять повышенный коэффициент запаса. Другой причиной излишнего запаса является неточность конструкторских расчетов. Научно обоснованное снижение коэф­фициента запаса — важный резерв экономии дефицитных метал­лов.

Модуль упругости характеризует сопротивление материала к действию упругой деформации, т. е. обратимому смещению атомов (ионов) из положения равновесия. Значение модуля упругости для разных материалов находится в пределах 0,001... 1000 ГПа. Модуль упругости зависит от взаимодействия па атомном уровне, поэтому он связан с другими физическими параметрами, такими, как температура плавления, ТКЛР, теплота плавления и сублима­ции и т. д., которые могут быть рассчитаны исходя из чисто меха­нических свойств.

Коэффициент Пуассона — одна из важнейших констант, харак­теризующих упругие свойства материалов. Он входит в формулы для расчета внутренних напряжений в изделиях, полученных раз­личными методами, и в частности в многослойных пленочных структурах, широко используемых в микроэлектронной РЭА. Для большинства металлов и полу­проводников его значение составляет 0,25... 0,35; для керамиче­ских материалов 0,1; для резины 0,5.

Способностью пластически деформироваться перед разрушени­ем, являющейся следствием перемещения дислокаций, обладают только пластичные материалы — металлы. Это — ценнейшее каче­ство для конструкционных материалов, так как пластическое тече­ние предотвращает локальное повышение напряжений на дефек­тах и трещинах и напряжения распределяются относительно рав­номерно по объему. Поэтому коэффициент запаса прочности для пластичных материалов принимается значительно меньшим, чем для хрупких (в 1,5—2 раза). Пластичные конструкционные материалы обладают тем достоинством, что ве­роятность их внезапного разрушения намного меньше, чем хруп­ких.

Хрупкое разрушение есть следствие развития имеющихся в ма­териалах очагов — концентраторов напряжений-— микротрещин, которые образуются в процессе изготовления, прежде всего, из-за перепадов температуры при термообработках. Очевидно, что в крупных деталях возникают большие внутренние напряжения, чем в мелких, и удельная прочность (отнесенная к единице площади) оказывается меньшей. Проявляется, следовательно, размерный эффект прочности: чем больше размер хрупкого тела, тем ниже его удельная прочность. Этот эффект имеет важное значение в ке­рамическом производстве, где трудности резко растут по мере уве­личения размеров деталей.

Идеально хрупких и пластичных материалов не существует, ус­ловность этих понятий состоит и в том, что они верны лишь при­менительно к определенным режимам испытании и размерам де­талей, изменение которых может влиять на состояние материала. Так, сталь пластична, но при глубоком охлаждении она, как и большинство других материалов, становится хрупкой. Кремний, хрупкий при комнатной температуре, приобретает пластичность при 870 К (600 °С). Чугун при одноосном растяжении хрупок, а при всестороннем сжатии — пластичен. Стекло, изготовленное в виде тонкой нити, можно ткать и вязать в узлы диаметром около 5 мм. Итак, факторами, вызывающими хрупкость материала, мо­гут быть: снижение температуры, механические напряжения, рас­тяжения, увеличение сечения детали, что необходимо учитывать при конструировании.

Рассмотренные выше механические свойства выявляются в процессе испытаний на растяжение, которые при их очевидной простоте и наглядности обладают и наибольшей общностью, а их результаты служат основой для совершенствования, контроля производства и для многих конструкторских расчетов. При дальнейшей обработке материала (вытяжке, волоче­нии, прокатке, резании, шлифовке, прессовании, ковке, сварке и т. д.) приходится прибегать к измерению многих дру­гих параметров материалов.

К числу механических свойств, которые нельзя даже однознач­но определить, относится твердость. Твердость — это сопротивле­ние пластической деформации при статических нагрузках — ста­тическая твердость на вдавливание; твердость при динамических нагрузках — динамическая твердость; это и сопротивление царапанию и истиранию абразивом.

Способность материалов сопротивляться хрупкому разрушению при динамических нагрузках выявляется при испытаниях на удар­ный изгиб.

Из ряда теплофизических свойств материалов рас­смотрим лишь те, которые имеют наибольшее значение и харак­теризуют: 1) способность отводить тепло, выделяющееся при ра­боте радиокомпонента; 2) тепловое расширение и 3) устойчивость к воздействию повышенных температур.

Известны три способа теплопередачи. Один из них — излуче­ние— возможен без контакта источника тепла и нагреваемого те­ла, два других — контактные — конвекция и теплопроводность.

Механизм теплопроводности — обмен энергией между сопри­касающимися телами, при котором нагретое тело отдает энергию своих хаотически движущихся микрочастиц. Микрочастицы твердого тела участвуют в теплопроводности согласованно: при повышении температуры какого-либо участка возрастает амплитуда их колебаний относительно равновесных положений. За счет сил химических связей увеличивается также и амплитуда колебаний соседних микрочастиц, что эквивалентно передаче тепла в менее нагретую область. Теплопроводность име­ет, следовательно, волновой характер, и поэтому в физике вво­дится понятие фонона — кванта теплоты, а теплопроводность, осуществляющуюся закрепленными относительно своего равновес­ного положения микрочастицами, называют фононной. В полу­проводниках, и особенно в металлах, вклад в теплопроводность вносят также свободные электроны (электронная теплопровод­ность), а при высокой температуре во всех веществах возможен и фотонный перенос тепла излучением.

Коэффициент теплопроводности представляет собой тепловую мощность, Вт, передаваемую через стенку площадью 1 м² при гра­диенте температуры в ней , равном 1 К/м.

Очевидно, что за счет вклада электронов проводимости тепло­проводность металлов и полупроводников должна быть более вы­сокой, чем диэлектриков. Это в целом подтверждается справоч­ными данными (рис. 1.11). Исключение составляют два диэлектри­ка— алмаз, отличающийся тем, что это чисто ковалентный кри­сталл, и оксид бериллия ВеО. Оба материала дороги и дефицит­ны, поэтому они и не могут найти широкого применения в качест­ве подложек или корпусов ГИС и микросборок. Конструктору приходится использовать для этого диэлектрики с коэффициентом теплопроводности в 10... 100 раз меньшим.

Тепловое расширение. Характеристикой теплового расширения является температур­ный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), обозначаемый и имеющий, как и все встречающиеся далее температур­ные коэффициенты, размерность : .

Рис. 1.11. Коэффициенты теплопроводности материалов, Вт/(м К)

Строго го­воря, следует всегда уточнять, для какого интервала температур ТКЛР определен. Например, для плавленого кварца =0,5 10^-6 в диапазоне 293... 1173 К (20... 900°С).

Нагревостойкость материала — понятие, смысл которого легко определить лишь для веществ, имеющих точку плавления. Для стекол и полимеров, не имеющих точки плавления, нагревостойкость определяют по-разному — в стеклах чаще всего имеется в виду та температура, при которой происходит потеря механической прочности под действием собственного веса, а вяз­кость падает до 10⁶ ... 10⁷ Па · с. В полимерах, обладающих не­прочной связью Ван-дер-Ваальса, повышение температуры приво­дит к глубоким химическим изменениям. Поэтому под нагревостойкостью материала понимают его свойство сохранять без из­менений химический состав и структуру молекул при повышенных температурах.

Стойкость к термоударам - способность хрупких материалов (керамики и стекол) выдерживать без разрушения резкие смены температур. Это сложное термомеханическое свойство, не имею­щее общепринятого численного выражения.

Все металлы, поскольку они имеют высокую теплопроводность и прочность, обладают высокой стойкостью к термоударам. Среди керамик и стекол преимущества в этом отношении имеют плав­леный кварц, ТКЛР которого необычно мал, и бериллиевая керамика — брокерит, имеющая высочайшую тепло­проводность.

Взаимодействие света с веществом характеризуется пропусканием, отражением, преломлением.

Пропускная способность (светопропускание) характеризует прозрачность материалов. Оно зависит прежде всего от природы материала, то есть от простран­ственного распределения электронов. Диэлектрики прозрачны в видимом свете потому, что проходящий сквозь них свет может вы­зывать лишь колебания связанных в атомах электронов, не сопро­вождающиеся потерями световой энергии. Напротив, металлы практически непрозрачны. Световая энергия в них расходу­ется на повышение скорости хаотического движения свободных электронов, то есть в конечном счете превращается в тепло.

Количественной мерой поглощения света служит коэффициент поглощения К, равный обратному значению расстояния, на кото­ром интенсивность света J падает в е раз. Единицей измерения коэффициента поглощения служит 1 . Совершенно прозрачной средой является вакуум, для него K=0. Абсолютно непрозрачных тел не сущест­вует, поэтому значение К ограничено с верхней стороны, даже для металлов К<10⁵. Это означает, что в очень тонком слое прозрач­ным может быть любой материал.

Пропускание Т обычно выражают в процентах и при этом ука­зывают толщину образца.

Очевидно, что и пропускание, и коэффициент поглощения зави­сят от длины волны падающего света: и T= .

Необходимо отметить, что коэффициент поглощения измеря­ется на образцах с полированной поверхностью. Если материал имеет шероховатую поверхность или поликристаллическую струк­туру, свет рассеивается на границах и не проходит сквозь него.

Изучение и использование совместно оптических и электриче­ских свойств материалов лежит в основе оптоэлектроники — од­ного из новых направлений радиоэлектроники. Кроме того, их изучение и, в частности, снятие спектров поглощения служит удобным и точным методом исследования строения диэлектриков и полупроводников.

Отражательная способность— свойство, присущее в большей степени непрозрачным материалам, в первую очередь металлам. R — есть от­ношение интенсивности отраженного излучения и интенсивности падающего света: Так же, как и коэффициент погло­щения, коэффициент отражения зависит от длины волны света. Коэффициент отражения или просто отражение зависит от вида обработки поверхности и толщины окисных пленок. Так, для алюминия R=0,8... 0,9; для хрома — 0,6; для серебра — 0,9; для золота — 0,6; в ИК-области золото может отражать до 0,97 падающего света.

Фоточувствительность показывает возможность преобразования электромагнитного излучения оптического диапазона в соответствующий электрический сигнал.

В части классификации по электрическим свойствам, то все материалы, используемые в электронной технике делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Взаимодействие атомов при образовании кристалла приводит к тому, что вместо отдельных уровней на шкале энергий образу­ются зоны — уровни расщепляются (группируются) в зоны (рис. 1.12). Количество уровней и каждой зоне настолько велико, что энергетический спектр в ней можно считать непрерывным. Как и в ато­ме, в кристалле идеальный порядок возможен только при T= 0 К, когда все низшие и внешняя зоны заняты в полупроводниках и диэлектриках, а у металлов внешняя зона занята лишь частично. Большинство свойств материалов, включая электрические, за­висят лишь от тех электронов, которые находятся во внешней зоне, называемой валентной. У металлов эта внешняя зона не заполнена и электро­ны могут повышать энергию под действием электрического поля. Но поскольку E=mv²/2, это означает, что электроны приобрета­ют направленное движение, то есть становятся носителями тока. Та­ким образом, металл — проводник и при T ® 0 К.

Иное положение в полупроводниках и диэлектриках: в них следующая за валентной зона отделена энергетическим проме­жутком, называемым запрещенной зоной. Запрещенная зона — интервал энергий, которыми не могут обладать электроны (гово­рят, что электрон не может находиться в запрещенной зоне). Ши­рина запрещенной зоны E_g — минимальная энергия, отделяющая валентную зону от ближайшей энергетической зоны, где имеются пустые уровни, от зоны проводимости (рис. 1.13).

Следовательно, в полупроводниках и диэлектриках электрон становится носителем заряда, только преодолев запрещенную зону, то есть получив дополнительную энергию. Самым универсальным источником ее является тепло. Полупроводники являются ди­электриками при T ® 0 К, и в этом их принципиальное отличие от металлов.

Рис. 1.12. Расщепление уровней в зоны Рис.1.13. Схема расположения энегетических

при сближении атомов в кристалле уровней полупроводников и диэлектриков

Уточним, что количество тепла, необходимого для преодоления запрещенной зоны, равно ее ширине.

Именно по ширине запрещенной зоны ма­териалы делятся на три класса: у металлических проводников E_g = 0, у полупроводников 0,1< <3,0 эВ, у диэлектриков >3,0 эВ.

Концентрация носителей заряда. Носителями зарядов в метал­лах и полупроводниках являются свободные электроны, в диэлек­триках— слабосвязанные ионы. Концентрация носителей в метал­лах очень высока и достигает 10²¹... 10²² см ^-3, поскольку почти каждый атом отдает свой электрон. Атомы полуметаллов, напри­мер висмута, «расстаются» со своими валентными электронами труднее, и примерно на 1000 атомов приходится лишь один сво­бодный электрон.

В полупроводниках концентрация носителей может меняться очень сильно (в пределах 10¹⁰... 10²⁰ см ^-3) под действием как внутренних факторов (ширина запрещенной зоны, концентрация примесей и дефектов), таки внешних (изменения температуры, об­лучение, механическая деформация). Если концентрация приме­сей в образце невелика (собственный полупроводник), то концен­трация носителей в нем определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уравнению Больцмана:

,

которое отражает тот факт, что при 0<kT< переброс электро­нов через запрещенную зону возможен. Чем меньше величина ширины запрещенной зоны, тем больше вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, для широкозонного полупроводника (при E_g=3 эВ) вероятность такого перехода очень мала.

В первом случае концентрация носителей оказывается близкой к значениям, характерным для металлов. Во втором она составляет лишь 10^{-4 см -3}, т. е. пара носителей со­держится в десятке кубических дециметров, что служит признаком хорошего диэлектрика. Понятно, почему интервал значений

E_g = = 0,1... 3,0 эВ

занимают полупроводники.

Подвижность носителей, в отличие от концентрации, является их качественной характеристикой, она отражает прежде всего совершенно разную способность двух видов носителей — электро­нов и ионов — переносить электрический заряд.

Даже одни и те же носители в разных материалах по-разному реагируют на электрическое поле. Наконец, в одном и том же ма­териале поведение носителей зависит от концентрации примесей, структурных дефектов, температуры. Величиной, характеризую­щей упорядоченное движение носителей заряда в веществе, яв­ляется подвижность, которая представляет собой скорость, при­обретаемую свободным электроном или ионом в электрическом поле единичной напряженности:

[ м²/(В с) ].

Удельная электропроводность (g). Этот параметр учитывает вклад обеих характеристик носителей — и концентрации, и подвижности:

.

Для характеристики электропроводности материалов часто ис­пользуется величина, обратная удельной проводимости, — удель­ное электрическое сопротивление , Ом · м.

В микроэлектронике для характеристики тонкопленочных про­водников и резисторов вводится поверхностное (иногда его назы­вают сопротивлением слоя) удельное сопротивление [Ом], причем

Где — объемное удельное сопротивление, Ом · м; — толщина пленки, м.

Поверхностное сопротивление _s — неоднозначный параметр, физический смысл которого расшифровывается только через ве­личины и d. Он широко используется в пленочной технологии, а также в физике диэлектриков.