Классификация материалов и требования к ним.

Материалы электронной техники по свойствам и техническому назначению делятся на электротехнические, конструкционные (материалы корпусов, разъемов, подложек и т.д.) и специальные материалы (флюсы, припои, контактолы и т.д.).

Электротехническими материалами (рис.1.1) называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.

Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупностью.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяются на сильномагнитные(магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике с учетом их магнитных свойств. По поведению в электрическом поле материалы подразделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабо магнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

Рис.1 Классификация материалов электронной техники.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность по сравнению с другими электротехническими материалами. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является очень сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинствеслучаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности ит. п.).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.

В различных случаях применения диэлектриков—одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов—довольно четко определились потребности в использовании пассивных или активных свойств этих материалов.

1)На основе пассивных свойств диэлектрические материалы применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов.

а) Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т. е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпус, от земли). В этих случаях величина диэлектрической проницаемости материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей.

б) В случае же использования материала в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров при прочих равных условиях желательно иметь большую величин диэлектрической проницаемости материала.

2) Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др. Характеристики различных свойств (электрических, оптических и т.д.) этих материалов управляются внешними воздействмями (электрическое поле, свет, тепло, механические усилия).

Условно к проводникам относя т материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10^-5 Ом·м, а к диэлектрикам – материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом_*м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10^-8 Ом⁸_*м, а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁶ Ом_*м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материала, а так же от условий их эксплуатации может изменяться в пределах10^-5 – 10⁸ Ом_*м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существует тысячи химических соединений, сплавов и композиций со свойствами проводников полупроводников и диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различного класса материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температура ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.

В зависимости от условий эксплуатации к материалам, используемым в электронной аппаратуре, предъявляются очень жесткие и разносторонние требования. Изоляционные материалы должны например, иметь низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность; магнитные сердечники должны обладать большой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением. Материалы по возможности должны быть легкими, механически прочными, не бояться тряски вибрации и ударных нагрузок с большими ускорениями. Они должны обеспечивать надежную эксплуатацию как при 150—200°С (а иногда и выше), так и при-(60-80) °С. Чередование многократных температурных циклов не должно вызывать их порчи. Материалы контактирующие с внешней средой, должны позволять использовать аппаратуру в странах с тропическим климатом—при влажности окружающей среды до 98% и температуре до 40°С, не бояться появления плесени, поражения насекомыми и т. д. Материалы используемые для аппаратуры массового потребления, должны быть дешевыми. Технология изготовления из них изделий должна быть простой, допускающей автоматизацию производства.

Развитие радиотехники потребовало также создания материалов, сочетающих специфические высокочастотные свойства с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными.

Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Для обеспечения требований, предъявляемых к электронной аппаратуре, используется большое количество различных материалов. Новые материалы в редких случаях можно получить в результате удачного опыта; необходимо глубокое изучение электрических, физических, механических и химических характеристик веществ.