Алюминий и его сплавы

Алюминий. Алюминий относится к так называемым легким ме­таллам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного -2700 кг/м³).

Алюминий обладает следующими особенностями:

удельное электрическое сопротивление ρ алюминия (при содер­жании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;

алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;

из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плав­ления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавле­ния требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавле­ние такого же количества меди;

даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках сто­имость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако исполь­зование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, ко­торая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но созда­ет большое переходное сопротивление в местах контакта алюми­ниевых проводов, что затрудняет пайку Al обычными способами. Чтобы разрушить оксидную пленку AL, используется ультразвук. Оксидная пленка очень прочно сцеплена с поверхностью Al, содержащего незначительное количество примесей. Поэтому Al высокой чистоты чрезвычайно стоек к кислотам, морской воде и другим средам;

алюминий менее дефицитен, чем медь;

существенным недостатком алюминия как проводникового ма­териала является низкая механическая прочность, для ее повыше­ния алюминий подвергается механической обработке;

прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству­ющим операциям для меди;

примеси значительно снижают проводимость алюминия.

Применение Al:

алюминиевая фольга толщиной 6-7 мкм применяется в качестве обкладок в бумажных конденсаторах или пластины конденсаторов переменной емкости;

из тонкой алюминиевой фольги, учитывая ее отражательные способности, изготавливают экраны для защиты чувствительной измерительной аппаратуры от воздействия тепла, излучаемого телом человека;

промышленностью выпускаются с алюминиевой обмоткой провода с круглыми и прямоугольными жилами в волокнистой или резиновой изоляции, широко распространенные кабели с алюминиевыми жилами для прокладки в земле, под водой внутри туннелей и т.д. Алюминиевые провода легче проводов из Cu, но обладают меньшей прочностью, поэтому для обеспечения необходимой надежности используются сталеалюминевые многожильные провода с центральной стальной жилой;

из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной межвитковой и междуслойной изоляции. Но алюминиевые провода с оксидной изоляцией имеют недостатки: ограниченную гибкость и заметную гигроскопичность. В некоторых случаях, чтобы избежать последнего недостатка, изоляцию покрывают лаком;

алюминиевые пленки хорошо используются в ИС и ГИС в качестве контактов и тонкопленочных проводников. Алюминиевые пленки обычно на Si – пластины наносят методом вакуумного напыления. Алюминий хорошо напыляется, причем обладает хорошим сцеплением к Si и SiO₂, обеспечивает хорошие омические контакты (невыпрямляющие) с Si (с p^-Si и n⁺Si);

алюминиевые проволоки d=25 – 60 мкм используются для подсоединения контактной площадки кристалла ИС к выводам корпуса, причем подсоединенных ультразвуковой сваркой;

в качестве обкладок тонкопленочных конденсаторов ГИС;

Контакт Al + Cu должен быть хорошо заизолирован, недопустимо попадание воды, что приводит к образованию гальванического элемента, идет интенсивное разрушение контакта со стороны Al, как наиболее активного, стоящего в ряду активности гораздо левее, чем Cu.

Недостатки Al в производстве ИМС:

- на границе контакта Si - Al возникает растворение Si в Al на базе твердотельной диффузии при 577˚С, поэтому применяют в СБИС вместо чистого Al, сплав Al + 1,5% Si или барьерный слой из W, Pd, Pt;

- мягкость Al может приводить к царапинам, повреждению алюминиевой пленки;

- невозможность крепления выводов к алюминиевой пленке пайки;

- из-за разных скоростей диффузии Al и Au, возникают пустоты со стороны Au – проволоки и контакт Al-Au не надежен, возникают также интерметаллические соединения между Al и Au, которые уменьшают механическую прочность контактной области и увеличивают переходное сопротивление контакта.

Преимущества Al в производстве ИМС:

- металлизация в ИМС выполняется одним металлом, что упрощает технологию;

- Al дешев;

- пленки Al обладают высокой электропроводностью;

- испарение в вакууме легко осуществляется с W-испарителя;

- Al обладает хорошей адгезией SiO₂ и другими окислями;

- легко Al пленки обрабатываются методом фотолитографии, чтобы получить проводники, контактные площадки определенной конфигурации;

- поддается травлению, при этом эти травители действуют на Si и SiО₂;

- в системе Si-Al нет химических соединений;

- Al пластичен и выдерживает циклическое изменение температуры.

Алюминий высокой степени чистоты (примесей не более 0,001...0,01%) марок А999 и А995 используют для изготовления анодной и катодной фольги электролитических конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких пленок.

Менее чистый алюминий марок А97 и А95 (примесей не более 0,03%) используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алю­миниевой фольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следующих марок: АТП - твердая повышенной прочности, AT - твердая, АПТ - полутвердая, AM - мягкая.

Основные свойства алюминиевой проволоки приведены ниже.

Марка алюминия AT AM

Плотность D, кг/м³ 2600...2700 2600...2700

Удельное электрическое

сопротивление ρ, мкОм·м, не более 0,02 0,0290

Предел прочности при растяжении

σ_р, МПа, не менее 160...170 80

Относительное удлинение при разрыве ∆l/l, % 1,5...2,0 10...18

По мере снижения твердости проволоки в 1,9...2,7 раза уменьшает­ся предел ее прочности при растяжении. Максимальное значение пре­дела прочности σ_p алюминиевого провода более чем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения медного. Из-за низкой механической проч­ности правильная эксплуатация алюминиевых поводов сопряжена с выполнением следующих условий: их нельзя протаскивать по твердо­му грунту, скручивать медной проволокой, загрязнять поверхность.

Алюминиевые сплавы. Сплав альдрей (0,3...0,5% меди Cu, 0,4...0,7% кремния Si, 0,2...0,3% железа Fe, остальное алюминий Al) обладает следующими свойствами:

- повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алю­миния, приближаясь к твердотянутой меди σ_p = 350 МПа);

- сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному электрическому сопротивлению (ρ = 0,0317 мкОм·м);

- более высоким пределом вибрационной прочности по сравне­нию с чистым алюминием.

Применяется для изготовления проводов малонагруженных ли­ний электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плот­ностью. Применяется для изготовления стрелок различных элект­рорадиотехнических приборов.

Натрий

Натрий относится к перспективным проводниковым матери­алам, обладающим следующими свойствами:

- удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза больше, чем у меди, и в 1,7 раз больше, чем у алюминия;

- низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводимости на единицу длины при нормальной температуре значитель­но легче, чем провода из любого другого металла;

- химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бур­но реагирует с водой);

- мягок;

- малый предел прочности при растяжении и других деформациях.

Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэтиленовые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создает электрическую изоляцию.