《电子元器件和材料》-第11章电子材料

1第11章电子材料

物质的种类繁多，可以有许多不同的分类方法。如按其聚集状态可分为气体、液体和固体；按其导电性则可分为绝缘体、导体和半导体。电阻系数10-8～10-4Ω·m的为导电材料，10-4～107Ω·m的为半导体材料，10-7～1020Ω·m以上的则是绝缘材料。11.1.1绝缘材料的基本性能1．绝缘材料的基本性能（1）电介质的电导1）电介质的漏导电流绝缘材料并不是绝对不导电的材料。这是因为在材料内部总多少存在一些带电质点，一般在不太强的电场下，电介质中参加导电的带电质点主要是离子，而金属的电导则完全是由自由电子的移动引起的。当对绝缘材料施加一定的直流电压后，绝缘材料中会有极其微弱的电流通过．并随时间而减小，最后逐渐趋近于一个常数。这个常数就是电介质的漏导电流，如图11.1.1所示。

22)体积电阻和表面电阻在固体电介质中，漏导电流Il有两个流通途径，如图11.1.2所示。一部分电流穿过固体介质的内部，称为体积漏导电流IV，另一部分沿介质表面流过．称为表面漏导电流IS，显然Il

=IV+IS。因此，固体介质的绝缘电阻R由两部分组成：体积电阻RV和表面电阻RS，并且。表面电阻只有对固体绝缘材料才需考虑，气体或液体绝缘材料均无表面电阻与体积电阻之分。3（2）电介质的极化和介电常数1）电介质的极化现象电介质中的绝大多数电荷是被束缚的，在电场作用下，这些束缚电荷将按其所受作用力的方向发生位移。当电场撤除时，这些束缚电荷又恢复到原来的位置。在某些极性分子中，其正负电荷中心不在同一点上，称为偶极分子，在没有电场作用时，由于热运动．这些偶极分子处于杂乱的无秩序状态．如图11.1.3(a)；在电场作用下，整个偶极分子将趋向沿电场的取向，即转到与电场相反的方向排列如图11.1.3(b)。当外电场撤除时．偶极分子的这种有序状态将消失。在外电场作用下，束缚电荷的弹性位移和偶极分子沿电场的取向，称为电介质的极化。由于极化作用的结果．在电介质的表面形成了符号相反的感应电荷．如图11.1.3(c)。4图11.1.3电介质的极化2)电介质的介电常数：任何接于电路中的电介质都可看作具有一定电容量的电容器。由于介质极化，使电容器极片上的电荷量增大(图11.1.4)。因而电容器的电容量C比真空时的电容量C0增大。以某种物质为介质的电容器的电容与以真空作介质的同样尺寸的电容器的电容之比值，称为该物质的相对介电系数，又称介电常数ε，即ε=C/C0

。5显然，真空的介电常数等于l，任何介质的介电常数均大于l。介电常数是表征电介质极化程度的一个参量。在电容器尺寸一定时，介电常数ε越大，电容器的电容量C也越大．因此，介电常数是绝缘材料的一个主要特性参数。应根据不同的使用要求，合理选用具有不同ε的绝缘材料。

图11.1.4介质极化使电容器极片上的电荷量增大6（3）电介质的损耗（4）电介质的老化（5）电介质的击穿2．影响绝缘材料性能的主要因素（1）温度。（2）湿度。（3）频率。（4）电场强度。11.1.2绝缘材料的种类绝缘材料按其构成元素分为两大类：有机绝缘材料和无机绝缘材料。有机材料的特点是轻、柔软、易加工，但耐热性不高、化学稳定性差、易老化。1．有机绝缘材料（1）树脂树脂是某些复杂的高分子有机化合物的通称。树脂的溶液或熔化了的树脂都具有胶粘性，在电子工业中树脂是制造绝缘涂料，塑料、胶粘剂、灌封材料等的重要原料。树脂按结构的不同又可分成两类：热塑性树脂和热固性树脂。7（2）塑料塑料是以合成树脂为主要原料，加入填料和各种添加剂等配制而成的粉状、粒状或纤维状，在一定的温度、压力条件下可以塑制的高分子材料。塑料的特点：重量轻、化学稳定性高、有良好的弹性能减震、耐磨、具有优良的介电性能等。塑料的基本成分。塑料的基本成分是胶黏剂和填料。塑料的分类。塑料按其主要成分树脂的类型可分为热固性和热塑性两大类。热固性塑料热压成型后成为不溶不熔的固化物，常用的有以酚醛树脂为主要成分的酚醛塑料，还有耐高温的4250塑料、聚酰亚胺塑料、聚酯塑料等等。热塑性塑料在热挤压成型后虽固化，但其物理、化学性质不发生明显变化，仍可溶、可熔，可反复成型。常用的热塑性塑料有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（又称塑料王）、ABS工程塑料、聚酰胺（尼龙）1010、聚酯等。塑料的主要用途。塑料在电子工业中主要用做绝缘零件、结构零件、外观零件（如仪器仪表的塑料机壳）等。8（3）橡胶（4）绝缘胶黏剂绝缘胶黏剂是一类具有黏结性能的物质，可以部分代替焊接、铆接和螺钉等机械连接。常用的胶黏剂有以下两种。环氧树脂胶。环氧树脂胶由环氧树脂加入固化剂、增塑剂和填料组成，固化时间长，需要24小时左右。其黏结强度随时间延长和温度提高而增强。环氧树脂胶对于各种材料均有较强的黏合力，多用于密封零件的灌封。502胶。502胶是无色或微黄色的透明液体。在室温下很短时间内会产生聚合作用而硬化，储存期短，有较强的黏合作用。502胶对各种金属、玻璃、塑料（聚乙烯和聚四氟乙烯除外）及橡胶等材料均有较强黏合力，适合于大面积黏合。（5）绝缘漆（6）油类及蜡状介质（7）绝缘纸和纸板（8）层压板92.无机绝缘材料无机绝缘材料的耐热性比有机材料高，不燃，不易老化，适于制造要求稳定性高而机械性能坚实的零件，缺点是柔韧性和弹性差，易于脆裂，加工也比较困难。下面介绍几种常用的无机绝缘材料。（1）云母及云母制品云母属稀有矿物。具有优异的电性能，适用于高频绝缘；其耐热性很高，在500℃以下能长期保持透明状态，没有弹性损失和碳化现象。此外，云母还有不收缩、不燃、化学稳定性好等优点，机械性能良好，并能制成薄片和加工成各种成型的绝缘制品。天然云母有两种：白云母和金云母。白云母易于制成薄片，可用于制作电气性能优良的云母电容器的介质；天然云母的价格很高，因而发展了合成云母，其耐热性和介电性能均优于天然云母。杂质和皱纹是衡量云母剥片质量好坏的重要标志。当云母剥片中含有氧化铁等杂质时，会在云母剥片的内部形成许多斑点，杂质越多斑点面积就越大，电气绝缘性能就越差。皱纹对云母剥片的平坦性和电气性能影响也很大。10（2）玻璃玻璃是脆性、透明的无定形物质，由多种元素的氧化物构成。大部分工业用玻璃的主要成分是SiO2，称为硅酸盐玻璃。（3）陶瓷陶瓷是以黏土、石英等为原料，经过研磨、成型、干燥、焙烧等工序制成的。它具有耐热、耐湿性好，机械强度高，电绝缘性能优良，温度膨胀系数小的优点，但质地较脆。常用于制作插座、线圈骨架、瓷介质电容等。按用途和性能可分为装置陶瓷、电容器陶瓷和多孔陶瓷。11.2导电材料导电材料主要是金属材料，称为导电金属。用做导电材料的金属除应具有高导电性外，还应具有足够的机械强度，不易氧化，不易腐蚀，容易加工和焊接等特点。常用的导电材料有导电金属材料、电线电缆、焊接材料、电接触材料和超导材料等。11（1）金属的电阻（2）金属的电阻系数金属的电阻特性通常用电阻系数来表征：

ρ＝R·S／l

式中，R为金属的电阻；S为金属的截面积；l为金属的长度；ρ为金属的电阻系数或称电阻率，它是单位截面积、单位长度的金属导体所具有的电阻值。ρ的常用单位为Ω·mm2／m或Ω·cm，有时也用μΩ·cm，它们间的换算关系如下：1Ω·cm＝104Ω·mm2／m＝106μΩ·cm电阻系数的倒数称为电导系数或电导率，以r表示，电导率表征金属的导电能力。r＝1／ρ（3）影响金属电阻的主要因素温度：温度升高，会使金属电阻增大。合金元素和杂质：合金元素和杂质都会使金属电阻增大。机械加工：机械加工会使电阻增大。频率：导体中通以交变电流的频率越高，导体的交流电阻也增大。122.高电导材料高电导材料是指某些具有低电阻率的导电金属。常见金属的导电能力顺序为银、铜、金、铝、锌、铂、铁、锡、汞。由于银、金价格高，仅在一些特殊场合使用。电子工业中常用的高电导材料为铜、铝及它们的合金。（1）铜及铜合金铜有良好的导电性和导热性，不易氧化和腐蚀，机械强度较高，有良好的延展性和可塑性，易机械加工，易焊接。铜的缺点是耐磨性不好，硬度不够。（2）铝及铝合金铝是一种银白色的轻金属，具有良好的导电、导热性，易进行机械加工。铝的化学性质活泼，在室温空气中极易氧化，在工业中往往在铝的表面人为生成一层均匀而致密的氧化膜作为保护层，这个过程称为钝化。由于铝易氧化，焊接比较困难，表面刮净后要马上搪松香焊锡，速度要快；或使用焊锡膏为助焊剂，但焊完后要清理干净，防止腐蚀。133.高电阻材料某些场合需要用到高电阻系数的导线如电阻丝等。常用的高电阻材料大都是铜、镍、铬、铁等的合金。(1)锰铜。(2)康铜。(3)镍铬合金。(4)铁铬铝合金。11.2.2电线电缆

1.导线导线按其材质可分为单金属线(如铜丝、铝丝)、双金属线(如银包铜线、镀锡铜线)和合金线(如铜合金线、铝合金线)；按有无绝缘层可分为裸电线、外包绝缘的电磁线。导线的品种、规格繁多。但其粗细有一定的标准系列，称为线规。14(1)线规线规是导线粗细的系列标准，它有两种表示方法。线号制：按导线粗细排列成一定的号码，线号越大，截面积越小。英、美等国采用线号制。线径制：按导线直径大小，直接用为单位mm表示。中国线规采用线径制，共分为48级，即有48种线径规格。线径为0.05～11.2mm，截面积为0.02～100mm2。例：线径为1.12mm，标称截面积为1mm2。线径为1.80mm，标称截面积为2.50mm2。(2)裸电线指没有绝缘层的导线。有单根裸线．也有多根绞合的软绞线，还有编织而成的编织线；有圆线，也有扁线或其它型线。裸导线大部分用作电线、电缆的导电线芯，一部分则直接使用，如用于电子整机中元器件的连接、用于制作各种零部件，也可做电力及通信架空线。15(3)电磁线指具有绝缘层的导线。电磁线的导电线芯有圆线、扁线、带、箔等，有铜线，也有铝线线。按绝缘层的特点和用途，电磁线又分为漆包线、绕包线及安装和装配用线。安装和装配用线。安装和装配用线一般由导电的线芯、绝缘层和保护层（护套）组成，绝缘层大多使用橡胶或聚氯乙烯。在结构上有硬型、软型、特软型之分。线芯有单芯、二芯、三芯等，并有各种不同的线径。图11.2.1为二芯橡皮软电线。图11.2.1162.电缆由单根或多根绞合并并相互绝缘的金属芯线外面再包以金属壳层或绝缘护套而组成。电力电缆通信电缆(3)高频电缆用于传输高频信号。高频电缆分为单芯和双芯电缆两种。双芯高频电缆又称平行线，是由两根平行导线外包塑料制成的扁馈线，如图11.2.2所示的SBVD型带形电视引线即适用于电视接收饥天线的馈线。图11.2.2带形电视引线17单芯高频电缆又称同轴电缆。同轴电缆一般由内外导体、绝缘层和绝缘护套组成。电磁能集中在导体间的空间传播，不产生辐射损耗，适于长距离和高频率的传输。同轴电缆内外导体的空间一般以聚乙烯或空气-聚乙烯绝缘，内导体一般是单根铜线，也有的采用多股绞线以保持其柔软性；外导体通常用铜线编织而成，为了提高传输效率，内导体的外表面和外导体的内表面往往还镀以银层，外面再包以绝缘护套，如图11.2.3所示。图11.2.3射频同轴电缆183．电线、电缆型号命名表11.2.1电线型号命名法分类代号及意义绝缘材料代号及意义护套材料代号及意义派生特性代号及意义符号意义符号意义符号意义符号意义A安装线缆V聚氯乙烯V聚氯乙烯P屏蔽B布电线F氟塑料H橡胶套R软F飞机用低压线Y聚乙烯B编织套S双绞R日用电器用软线X橡皮L蜡克B平行Y一般工业移动电器用线ST天然丝N尼龙套D带形B聚丙烯T天线SE双丝包SK尼龙丝T特种例：天然丝聚氯乙烯安装线ASTVRP。19（2）射频电缆型号命名法如表11.2.2所示。表11.2.2射频电缆型号命名法分类代号及意义绝缘材料代号及意义护套材料代号及意义派生特性代号及意义符号意义符号意义符号意义符号意义S射频同轴电缆Y聚乙烯实芯V聚氯乙烯P屏蔽SE射频对称电缆YF发泡聚乙烯半空气F氟塑料Z综合气ST特种射频电缆YK纵孔聚乙烯半空气B玻璃丝编织浸有机硅漆D镀铜屏蔽层SJ强力射频电缆X橡皮H橡胶套SG高压射频电缆D聚乙烯空气VZ阻燃聚氯乙烯SZ延迟射频电缆F氟塑料实芯Y聚乙烯SS电视电缆U氟塑料空气例：聚乙烯绝缘射频同轴电缆SYV—75—5—1。S：分类（射频同轴电缆）Y：绝缘（聚乙烯实芯）V：护套（聚氯乙烯）75：特性阻抗（75Ω）5：外导体直径（5mm）1：结构序号为1204．电线电缆的选用(1)导线的允许通过电流应大于正常工作电流。(2)使用时电路的最大电压应低于导线额定电压。(3)如果电路中频率较高，则选用导线时应考虑其高频特性。为减少分布电容，介质损耗及集肤效应影响，应选用高频电缆。为减少集肤效应还可选用粗裸铜线或铜管。(4)为防止反射波，一般希望同轴电缆和馈线具有一定的特性阻抗。因此，选用射频电缆时，应注意电缆和其他器件阻抗匹配。(5)当信号较小时，为防止外来噪声电平的干扰，应选用有屏蔽层的导线。(6)一般情况下，不应使线材受日光直射及长期置于高温下使用，也不能与有机溶剂和有腐蚀性材料接触，以免老化变质。如发现有老化和变质现象，应立即更换线材，以防火灾和人身事故。2111.2.3其它导电材料1．焊接材料（1）焊料对焊料的要求是：熔点低，凝固快，与被焊金属能互相熔化、互相渗透，有良好的浸润性，还要有良好的流动性和韧性．并有足够的机械强度。焊料分为软焊料和硬焊料，软焊料熔点较低，通常在450℃以下；熔点450以上℃的为硬焊料（如黄铜焊料）。电子工业焊接常用的是软焊料—铅锡合金，在锡中加入铅可以增大焊料流动性，增加强度，降低成本。常用的锡铅焊料中锡占62.7％，铅占37.3％，这种配比的焊锡熔点和凝固点都是183℃，可以由液态直接冷却为固态，不经过半液态，焊点可迅速凝固，缩短焊接时间，减少虚焊，该点温度称为共晶点，该成分配比的焊锡称为共晶焊锡。共晶焊锡还能承受较大的拉力和剪切力，有较高的焊接强度，其熔化温度低于非共晶焊锡，可减少被焊元器件受热损坏的机会。非共晶焊锡的凝固性、流动性差，不易焊接，焊接速度慢，效率低，焊接质量差。22(2)焊剂

1)助焊剂助焊剂的作用就是溶解金属表面的氧化膜，使其漂浮、覆盖在焊锡表面，一方面方便焊接，一方面也可防止焊料或金属的进一步氧化。同时，还具有增强焊料与金属表面的活性、增加浸润性的作用。手工焊接常用松香做助焊剂。为了使用方便，常采用中心夹有松香助焊剂、含锡量为61％的焊锡丝，称为松香焊锡丝。

2)阻焊剂阻焊剂是一种耐高温的涂料，在焊接时，可将不需焊接的部分涂上阻焊剂保护起来，使焊接仅限于焊盘，防止在浸焊或波峰焊时发生焊锡搭连短路，同时还可使焊点饱满，减少虚焊，且有助于节约焊料。阻焊剂按其固化方法不同可分为热固化型、光固化型（又称光敏阻焊剂）、电子束辐射固化型。

3)波峰焊防氧化剂为保证波峰焊的焊接质量和节约焊锡，需在锡浴上层加入防氧化剂。防氧化剂具有防止锡的氧化和还原作用232．电接触材料用于电接触连接的导电材料称为电接触材料或接点材料。接点材料大致分为两类：纯金属及其合金和金属陶瓷材料，后者只适用于大功率接点。电子设备中电接触元件所用接点，一般承受的电流小、电压低、电弧及火花小，因此对其接点材料的主要要求是：接触可靠、耐腐蚀、抗氧化、寿命长。常用接点材料有：（1）贵重金属及其合金1)金及其合金。金具有良好的导电导热性，在空气中不氧化，抗硫化性也较好，但价格较高，主要用做金属接点的电镀材料。2)银及其合金。银的导电性和导热性都很好，易于加工成型，其氧化膜也能导电，对接触电阻影响不大，并能抵抗有机污染。与其他贵重金属相比，银的价格比较便宜.3)铂族金属及其合金。铂不会氧化，也不易形成高阻薄膜，接触电阻低而且稳定，耐磨性良好，但纯铂的硬度不高，价格昂贵，在电接触元件中用得不多。24(2)层状复合材料层状复合材料是由两种或两种以上金属材料所形成的面结合材料。

3．超导材料一般金属的直流电阻率均随温度的降低而减小，在接近绝对零度时，其电阻率就不再继续下降而趋于一个有限值。但某些导体的直流电阻率却在一定低温下陡降到零。称为零电阻现象或超导电现象，通常将具有这种超导电性质的物体称为超导体。超导体有电阻时称为处于正常态．上述以零电阻为特征的状态称为超导态，电阻突变为零的温度则称为超导转变温度或临界温度。超导体除在超导态时具有完全导电性外，还有一个特点：完全抗磁性，只要温度低于超导转变温度，则置于外磁场中的超导体内部的磁感应强度恒等于零。完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本属性。2511.3磁性材料

11.3.1概说

1．物质按磁性的分类描述磁场中各点的磁场强弱和方向的物理量称为磁感应强度。此外，还有一个与磁场有关的物理量称为磁场强度．磁场强度只计及电流的大小、导体的几何形状以及位置对磁场的影响。磁场中某点磁感应强度B与该点磁场强度H存在如下关系：

B=μH

式中，μ称为导磁系数或导磁率．是用来衡量物质导磁性能的物理最。自然界中大多数物质对磁场强弱的影响都很小，有的物质使磁场比真空时略为增强．称为顺磁性物质；有的则使其略为减弱．称为逆磁性物质。它们的导磁系数均近似地等于真空的导磁系数，统称为非磁性物质。只有铁、镍、钴及其合金以及铁的氧化物与大多数金属氧化物的复合化合物(铁氧体)的μ值很大，能使磁场大为增强，这类物质称为铁磁性物质．在电工和电子工业中有着广泛应用的磁性材料就是这些铁磁性物质。262．磁性材料的分类磁性材料主要分为两大类：软磁材料和硬磁材料(又称永磁材料)。软磁材料的主要特点是高导磁率和低矫顽力。这类材料在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。当外磁场去除时，其磁性即基本消失。硬磁材料的主要特点是具有高矫顽力。硬磁材料经饱和磁化后，当外磁场去除时磁性并不完全消失，而能在较长时间内仍保留相当强的磁性。这类材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源．在电子工业中广泛用于各种电声器件。

3．铁磁性理论简介

(1)磁畴和磁化在没有外磁场时，铁磁性物质内的原子磁矩形成一个个小磁畴(即原子中电子旋转形成的小磁场)，每个磁畴磁性取向各不相同，作用相互抵消，对外不表现出磁性，如图11.1.1(a)所示。27

磁性材料在外磁场作用下，磁畴的磁矩将从各个不同方向转动到接近外加磁场方向，对外呈现出很强的磁性，这个过程称为技术磁化，简称磁化，如图11.1.1(b)所示。当所有磁畴的磁矩都完全与外磁场方向一致时，达到磁饱和，如图11.1.1(c)所示。

图11.1.1磁性材料的磁化28

(2)磁化强度、磁感应强度、居里点在外加磁场H作用下，铁磁性物质的磁化程度用磁化强度M表示。当日足够大时，再增加日，M也不会再增大，这时的磁化强度称为饱和磁化强度MS。磁化之后，铁磁物质内部的磁感应强度B大大增加，

B=μ0×(M+H)。

μ0为真空磁导率μ0=4π×10-7H/m。铁磁性物质的MS与温度有关，当温度升高到一定值后，MS降为零，这个温度称为居里点，这是由于温度升高，热运动破坏了磁畴磁矩的定向排列作用。居里点越高，铁磁性物质允许使用的工作温度就越高，铁的居里点为768℃。

(3)磁化曲线与磁化过程如果将磁性物质置于交变磁场中，当磁场强度H由零逐渐增强，磁感应强度B就从零开始增大，这段曲线叫初始磁化曲线。磁化曲线表示铁磁性物质以未被磁化状态为出发点，在外加磁场H作用下，产生磁感应强度B随H变化的规律，如图11.1.2所示。29在不同阶段上，磁化过程是不同的。0a段：软磁材料可逆磁化阶段，若H退回零，则B也几乎退回零；ab段：软磁材料不可逆磁化阶段，B随H增加而增加很快；bc段：软磁材料强磁化阶段；cd段：软磁材料饱和阶段，达到饱和磁感应强度BS。

图11.1.2磁化曲线3011.3.2磁性材料的基本磁性能

1.导磁系数导磁系数又称导磁率，表征磁性材料的导磁性能，它与外磁场的磁场强度有关，其数值等于磁化曲线上某一点的磁感应强度与磁场强度之比．即μ=B／H磁性材料的导磁率μ与真空导磁率μ0之比称为相对导磁率，以μr表示。μr=μ／μ02.磁滞回线设某一磁性材料的磁化曲线为图11.1.3中的0a。当材料在强度为H1的外磁场中磁化至a1时，如使外磁场减小。磁感应强度B将不是沿着0a1曲线下降，而是沿另一曲线a1b1下降，如图11.1.3所示，即B的变化滞后于H，这一现象称为磁滞。如H1由H1→0→－H1→0→H1缓慢地变化一周，由于磁滞，B随H的变化即成为一个闭合曲线a1b1c1d1e1f1a1，称为磁滞回线。31

图11.1.3磁滞回线32

在磁化曲线0a上任一点所对应的H变化一周，都可得到相应的磁滞回线。显然．随着磁场强度H值的增大，磁滞回线的面积也随之增大；当磁化达到饱和时，再增大H，磁滞回线的面积即基本上不再改变，这时的磁滞回线称为极限磁滞回线，如图11.1.3中的闭合曲线abcdefa。由极限磁滞回线可见，当H由HS降到零时，磁感应强度并不由BS回到零值，而是下降到b点，这一点的磁感应强度值Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。要使降Br为零，必须加一反向磁场，这个反向磁场磁场强度的绝对值称为磁感应矫顽力，简称矫顽力HC。剩磁Br与饱和磁感应强度BS的比值Br／BS称为剩磁比(或开关矩形比)，表征矩磁材料磁滞回线接近矩形的程度。由磁滞引起的损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗与磁滞网线的面积有关，磁滞回线的面积愈大，则磁滞损耗也愈大。33

软磁材料的磁滞回线窄(图11.1.4(a))，其矫顽力低，磁滞损耗也小；有的软磁材料其磁滞回线不仅狭窄而且接近矩形(图11.1.4(c))，这种软磁材料称为矩磁材料，矩磁材料不仅矫顽力低，而且剩磁比也高，适用于记忆元件和开关元件，如计算机的硬盘／软