Плёночные резистивные материалы

1). Плёночные резистивные  материалы.

Пленочные резистивные материалы

      Материалы этого класса наиболее широко применяют при изготовлении постоянных и отчасти переменных резисторов различных типов. В зависимости от состава пленочные резистивные материалы можно разделить на материалы на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов) и неметаллические (углеродистые) материалы. Если материалы первой группы непрерывно совершенствуются и ассортимент их постоянно расширяется, то углеродистые резистивные материалы постепенно утрачивают свое значение.

      Пленочные материалы на основе металлов и их соединений преимущественно используют в микроэлектронике при изготовлении пленочных резисторов и резистивных элементов весьма малых размеров в микросхемах, интегральных схемах и других устройствах.

      Из  материалов этой группы можно выделить: тонкие металлические пленки; резистивные сплавы, содержащие кремний; кремневые пленки; металлооксидные пленки; композиционные пленочные материалы.

      Тонкие  металлические пленки тугоплавких  металлов (например тантала, рения), а также хрома и нихрома обладают мелкозернистой структурой, повышенными значениями удельного поверхностного сопротивления, низкими значениями температурного коэффициента. Для нанесения этих пленок используют методы вакуумной технологии: термическое вакуумное испарение (хром, нихром) или распыление резистивного материала под действием бомбардировки его ионами в среде инертного газа (тантал, рений и др.). Осаждение резистивной пленки происходит на стеклянном или другом диэлектрическом основании (подложке). В качестве исходного материала используют металлический хром, нихром или танталовую фольгу. В зависимости от толщины пленок и условий их нанесения параметры пленочных металлизированных резисторов можно регулировать в довольно широких пределах. Например, если нанесение танталовых пленок производить в атмосфере азота, происходит осаждение пленок нитрида тантала с более высоким поверхностным сопротивлением и улучшенной стабильностью. Однако при прочих равных условиях применения резистивных пленочных материалов необходимо учитывать дефицитность тантала и его высокую стоимость.

      Сплавы  выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц 40—70 мкм и применяют для получения тонкопленочных резисторов, в том числе и прецизионных, в микросхемах общего и частного применения.

Сплавы  марки МЛТ многокомпонентные и содержат кремний, железо, хром, никель, алюминий, вольфрам, а некоторые из них и лантаноиды. Выпускают в виде мелкозернистых порошков. Сплавы отличаются большой стойкостью к окислителям и воздействию различных химически активных сред. При изготовлении тонкопленочных дискретных резисторов наиболее широко применяется сплав МЛТ-ЗМ.

      Кремневые резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Эти пленки наносят методом испарения в вакууме смеси порошков металлов (Сг, Ni, Fe) и оксидов (SiO, Nd₂O_3, TiO₂ ), причем соотношение между количеством тех и других компонентов определяет основные свойства пленок. Кремневые пленки отличаются хорошей однородностью свойств, повышенной термостойкостью; широко используют для изготовления резисторных микросборок.

      Из  металлооксидных резистивных пленок наибольшее применение нашли пленки двуокиси олова. Для их нанесения используются различные методы, но наиболее распространен метод термического разложения хлористого олова. Полученные пленки отличаются плотной мелкозернистой структурой. Прочность сцепления этих пленок с керамическим или стеклянным основанием во много раз превосходит прочность сцепления металлических пленок и достигает 20 МПа. Эти пленки устойчивы к истиранию и весьма устойчивы химически, что позволяет выпускать на их основе не только постоянные, но и переменные резисторы.

      Композиционные  резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. В качестве проводящей фазы используют как проводники — порошки серебра, палладия, так и полупроводниковые материалы, такие, как оксиды этих металлов, карбиды кремния, вольфрама. В качестве связующих веществ применяют диэлектрические материалы — термопластичные и термореактивные (полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали).

     Композиционные  материалы сочетают в себе ряд  ценных свойств: большое удельное сопротивление, слабо зависящее от температуры; возможность управления электрическими свойствами путем изменения состава, сравнительно простая технология изготовления. Композиции, содержащие органические связующие вещества, сравнительно легко подвержены действию влаги и повышенной температуры.  Предельные рабочие   температуры   их  не выше 150° С. В композициях с неорганическими связующими веществам (стекло, эмаль) после спекания  при высоких температурах достигается высокая влагостойкость и теплостойкость   вплоть  до   350° С,   но   верхний    предел    сопротивлений резисторов   снижается,   увеличивается   нелинейность   и   собственные шумы.

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

      Углеродистые  материалы используют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода. Резистивные свойства этих материалов сильно зависят от степени их дисперсности и составляют в среднем: удельное сопротивление 8—50 мкОм-м, В качестве связующих веществ применяют лаки, термопластичные и термореактивные смолы.

      На  основе углеродистых материалов изготавливают сравнительно дешевые пленочные резисторы широкого применения.

2.)Физико-химические  свойства резин

^Резины 

       ^{Вулканизация улучшает  как нагревостоикость, так и холодостойкость каучука повышает его механическую прочность и стойкость к растворителям. В зависимости от количества серы, добавляемой к каучуку, при вулканизации получают различные продукты: при 1—3% серы—мягкую резину, обладающую весьма высокой растяжимостью, и упругостью, а при 30—35% серы—твердую резину (эбонит) — твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Относительное удлинение при разрыве для различных", технических 'резин 'составляет 150—500%, а для эбонита2—6% .' (остаточное удлинение—соответственно 10—45% и 0,8—1,2%).}

   ^{Помимо каучука и серы при изготовлении, резины и эбонита в сосштав резиновой смеси вводят различные наполнители (мел, тальк и пр.), а также красители, катализаторы (ускорители) процесса вулканизации и другие вещества}

^{Резину  широко применяют  в электропромышленности  для изоляции установочных и монтажных проводов, гибких переносных проводов и кабелей. Она  употребляется также  для изготовления защитных перчаток, галош, ковриков и  изоляционных трубок, применяемых при  монтаже проводов. К недостаткам  резины как электроизоляционного материала следует  отнести низкую нагревостоикость (при  нагреве резина стареет, становится хрупкой  и трескается), малую  стойкость к действию нефтяных масел в которых резина набухает и других неполярных жидкостей (бензол, бензин и пр.); малую стойкость к действию света, особенно ультрафиолетового, под влиянием которого резина быстр о стареет. Губительно действует на резину озон, образующийся при ионизации в воздушных включениях или в окружающем воздухе: озон резко ускоряет старение резины, в особенности работающей в растянутом состоянии; в этих случаях образующиеся при начавшемся старении трещины имеют тенденцию к увеличению и озон по ним проникает в глубь материала. В связи с этим применение резины для работы при высоких напряжениях, когда может иметь место ионизация воздуха, сопряжено с большими затруднениями. Содержащиеся в резине остатки свободной (не связанной химически с каучуком) серы могут оказывать вредное действие на медь, соприкасающуюся с резиной, особенно при повышенной температуре: медь соединяется с серой, образуя сернистую медь. Поэтому недопустимо непосредственно накладывать обычную резиновую изоляцию на медную жилу кабельного изделия; предварительно медь покрывают так называемым разделителем — слоем олова либо другого не подверженного влиянию серы металла или бумагой. На алюминиевые жилы резина может накладываться непосредственно, без разделителя.}

      ^{В последнее время  широко применяют  тиурамовую резину, при изготовлении которой берут  не чистую серу, а  тиурам — органическое сернистое соединение, при нагреве передающее часть содержащейся в нем серы каучуку, что и обеспечивает вулканизацию; тиурамовая резина не содержит свободной серы, и потому ее можно накладывать непосредственно на медь. Кроме того, тиурамовая резина обладает более высокой нагревостойкостью: так, в кабельных изоляциях для сернистых резин допускаётся рабочая температура -+55°С, а для тиурамовых резин+65°С (если тиурамовая резина защищена свинцовой или поливинилхлоридной оболочкой, даже до +80°С).}

^{Резины, содержащие в качестве наполнителя сажу и имеющие, поэтому  черный цвет, обладают хорошими механическими  свойства, но электроизоляционные  свойства их низки. Поэтому  сажевые резины в  электротехнике используют лишь в тех случаях, когда от них не требуются высокие  электрические свойства; пример — наружные защитные оболочки (шланги) резиновых кабелей}  

^{Чистый  каучук фактически неполярен; он имеет проводимость порядка 1014Ом∙м; ε=2,4; tg∙δ =0,002.}

^{Свойства  резины сильно зависят  от состава резиновой  смеси и от технологии; для обычных электроизоляционных  резин Е_пр = 20÷30МВ/м.}

^{Эбонит  для целей электротехники выпускается в  виде листов (досок), палок и трубок. Он хорошо поддается  механической обработке  и применяется  для различных  изделий, преимущественно  в технике слабых токов, для аккумуляторных баков и т. п. В  последние годы эбонит в значительной степени  вытеснен пластмассами, не содержащими каучука.} 

^{Синтетический каучук} 

       ^{В течение многих лет  натуральный каучук добывали исключительно  в тропических  странах, сначала  из дикорастущих каучуконосных  деревьев (Бразилия), затем из тех же деревьев, но разводимых на каучуковых плантациях (Индонезия, Шри Ланка и др.).}

^{До  Великой Октябрьской  социалистической революции  каучук в Россию полностью  ввозился из-за границы. Партия и Правительство  приняли ряд мер  для ликвидации зависимости  советской индустрии  от импорта этого  продукта посредством  получения отечественного каучука. Эта задача была разрешена как  нахождением отечественных  растений-каучуконосов (например, кок-сагыз), так и, главным образом, разработкой способов промышленного получения  синтетического каучука  СК; натуральный каучук — НК. Сырьем для  получения СК служат спирт, нефть и  природный газ. В  кабельной промышленности резины для защитных оболочек изготовляются  исключительно на основе СК, а в  изоляционных смесях более половины НК заменяется на СК}

^{Бутадиеновый  каучук (СКВ) получается, при полимеризации  газообразного углеводорода бутадиена (дивинила) Н_аС=СН-СН=СН_а}

^{При полимеризации в  присутствии катализатора (металлического натрия) бутадиен дает СКВ, цепочки молекул  которого имеют вид} 

^{...- СН_а—СН=СН—СН_а—....}

^{Таким образом, по составу  СКВ близок к НК, который мы можем  представить как  полимер углеводорода изопрена (метилдивинила)}

^{СКВ, используемый для электрической изоляции, должен быть тщательно отмыт от остатков катализатора (натрия), которые могут ухудшать его электроизоляционные свойства. При нагреве до 200—300°С СКВ (без добавки вулканизирующих веществ) дополнительно полимеризуется за счет частичного разрыва двойных связей и переходит в эскапон, по механическим свойствам приближающийся к эбониту, но более нагревостойкий и мало подверженный действию кислот и органических растворителей. По мере увеличения времени полимеризации материал получается все более твердым. Эскапон, название которого происходит от первых букв слов «синтетический каучук» и фамилии изобретателя материала Л. Т. Пономарева, имеет высокие электроизоляционные свойства (ρ около 1015 Ом∙м;  ε = 2,7÷3,tg δ около 5∙10-4), что объясняется неполярной природой этого пространственного полимера чисто углеводородного состава. На основе эскапона изготовляется целый ряд электроизоляционных материалов (лаки, лакоткани, компаунды и т. п.).}

      ^{Бутадиен-стирольный каучук (СКС) получается при совместной полимеризации бутадиена и стирола. По электроизоляционным свойствам СКС приближается к НК. Он обладает повышенной нагревостойкостью, маслостойкостью и бензиностойкостью.}

          ^{Бутилкаучук получают совместной полимеризацией изобути-лена}

^{Н₂С—С(СН₃)₂}

^{с небольшим количеством  изопрена или бутадиена. Число двойных  связей в молекуле бутилкаучука значительноменьше, чем в СКВ или СКС; этим обусловлена относительно высокая нагревостойкость бутилкаучука и резин на его основе, а также повышенная его стойкость к действию кислорода, озона и кислот. Его газопроницаемость в 10—20 раз меньше, чем НК; эластичность его относительно невысока, но сохраняется и при температурах ниже -60°С, что характеризует высокую холодостойкость бутилкаучука.}