Назначение и основные свойства радиоматериалов
Введение
ЛЕКЦИЯ №1
Курс «Материаловедение» имеет целью ознакомление студентов с применением различных материалов при изготовлении современных электронных компонентов, на основе которых ведется разработка и совершенствование радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). В настоящее время РЭА используется как бытовая, медицинская, измерительная, радиолокационная, радионавигационная, аэрокосмическая, РЭА также применяется и во многих других областях. Совершенствование РЭА обязано стремительному развитию микроэлектронной техники, которая в свою очередь базируется на совершенствовании используемых в электронике материалов и технологии изготовления интегральных микросхем и других электронных компонентов.
Так, переход от кремния к арсениду галлия и фосфиду индия, обладающим большей подвижностью электронов, позволили создать сверхскоростные интегральные схемы, что во многом увеличило быстродействие и производительность обработки информации в ЭВМ. Разработка и внедрение ряда новых материалов и электронных компонентов позволили создать новые функциональные приборы и интегральные схемы, а в целом – компактную высоконадежную электронную аппаратуру.
Значительная часть изделий электронной техники, выпускаемых миллионными тиражами на специализированных фабриках, составляют радиоэлектронные компоненты: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, фильтры, реле, переключатели, трансформаторы, соединители и многое другое. Широкая номенклатура радиокомпонентов и огромное их разнообразие по свойствам ставят разработчиков аппаратуры перед необходимостью проявлять грамотный подход к выбору компонентов, которые будут надежно работать в проектируемом оборудовании.
В отличие от конструкционных (пластмассы, металлы) и вспомогательных (припои, клеи) материалов электронные материалы в устройствах, находясь под действием электромагнитных полей, должны выполнять свойственные им функции. Некоторые из радиоматериалов, например, диэлектрики, могут находиться одновременно под действием высокого электрического напряжения, постоянного и переменного токов. Это вызывает в материале особое напряженное состояние. Если приложенное к диэлектрику электрическое напряжение превысит предел его электрической плотности, то наступит пробой (разрушение) диэлектрика. Выход из строя даже одного из диэлектриков часто влечет за собой выход из работы радиокомпонента, в котором используется данный диэлектрик, (конденса-тора, трансформатора, соединителя и т.д.), а иногда и всего аппарата.
Известно, что под действием электромагнитного поля высокой частоты во многих материалах возникают значительные потери энергии, которая выделяется в виде тепла и вызывает нагрев материала, вызываемый потерями от токов высокой частоты, может быть столь интенсивным, что приведет к резкому понижению электрических характеристик или даже к выходу из строя отдельных узлов аппарата.
Роль материалов при микроминиатюризации аппаратуры, особенно велика, т.к. создание малогабаритной РЭА с очень большой плотностью упаковки радиодеталей может быть достигнуто только с помощью сов-ременных радиоматериалов, проводников, полупроводников, магнетиков. Так, для изготовления интегральной тонкопленочной микросхемы требуется изоляционное основание (подложка) микрокристаллической структуры, которое шлифуют по 14-му классу чистоты. Только в этом случае на поверхности подложки можно создать микросхему, т.е. проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические слои толщиной не более 1 мкм.
Очень сложной задачей является правильный выбор материала, определяемый в первую очередь совокупностью его электрических, механи-ческих, магнитных, тепловых и физико-химических свойств. Эти свойства определяются величинами, называемыми характеристиками или парамет-рами материалов.
Согласно основным свойствам, определяемым электрическими и магнитными характеристиками, все радиоматериалы можно разделить на четыре основные группы: проводники, полупроводники, диэлектрики, магнитные материалы.
Проводники – это металлические материалы, обладающие большой электропроводностью, обусловленной наличием у них большого числа свободных электронов.
Диэлектрики – это материалы, обладающие незначительной электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц (электронов и ионов).
Полупроводники – это материалы, обладающие меньшей электропро-водностью, чем проводники, т.к. у них значительно меньше свободных электронов.
Магнитными называют материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, т.е. приобретать магнитные свойства, что обусловлено их строением.