電功能金屬材料PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1電功能金屬材料電功能金屬材料電功能金屬材料電功能金屬材料固體固體電阻率電阻率/ m固體固體電阻率電阻率/ m金剛石金剛石10101212純鍺純鍺10104 4玻璃玻璃10101010鎳鉻電阻絲鎳鉻電阻絲1010-6-6純硅純硅10103 3銅銅1010-8-8表表1.1 1.1 室溫下一些材料的電阻率室溫下一些材料的電阻率第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第1頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料二、金屬導(dǎo)電的物理本質(zhì)二、金屬導(dǎo)電的物理本質(zhì)自由電子論自由電子論: : 能帶理論：能帶理論：自由電子沿電場(chǎng)反方向運(yùn)動(dòng)，形成電流自由電子沿電場(chǎng)反方向運(yùn)動(dòng)，形成電流滿帶（價(jià)帶）：被電子填滿的能帶滿帶（價(jià)帶）

2、：被電子填滿的能帶導(dǎo)帶：被電子部分填充的能帶導(dǎo)帶：被電子部分填充的能帶空帶：沒(méi)有電子填充的能帶空帶：沒(méi)有電子填充的能帶第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第2頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料三、影響金屬導(dǎo)電的因素三、影響金屬導(dǎo)電的因素1 1、溫度的影響、溫度的影響2 2、壓力的影響、壓力的影響在高溫時(shí)在高溫時(shí)ATAT在較低溫度時(shí)在較低溫度時(shí) BT BT5 5 A A、B B為常數(shù)為常數(shù)= = 0 0(1+P) (1+P) 為電阻壓力系數(shù)為電阻壓力系數(shù)3 3、缺陷的影響、缺陷的影響第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第3頁(yè)/共25頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料電功能金屬材料電功能金屬材料一

3、、導(dǎo)電材一、導(dǎo)電材料料要求：高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕要求：高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕性，良好的工藝性能（熱冷加工、焊接）價(jià)格便宜性，良好的工藝性能（熱冷加工、焊接）價(jià)格便宜用于生產(chǎn)電氣導(dǎo)線的金屬材料具有以用于生產(chǎn)電氣導(dǎo)線的金屬材料具有以下特性：下特性：卓越的導(dǎo)電性能，從而使焦耳效應(yīng)導(dǎo)卓越的導(dǎo)電性能，從而使焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的能量損失達(dá)到最小。致的能量損失達(dá)到最小。 對(duì)惡劣的環(huán)境有良好的承受能力。對(duì)惡劣的環(huán)境有良好的承受能力。 電氣接觸的永久可靠性。電氣接觸的永久可靠性。 便于使用和回收。便于使用和回收。 第4頁(yè)/共25頁(yè)1 1、銅及銅合、銅及銅合金金導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性高

4、，機(jī)械導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性高，機(jī)械強(qiáng)度好，易加工和焊接，易提煉強(qiáng)度好，易加工和焊接，易提煉鈹青銅鈹青銅 超高純銅超高純銅主要用途：電彈簧、電刷、插頭主要用途：電彈簧、電刷、插頭只有幾種元素能夠滿足這些特性，其中主要為自只有幾種元素能夠滿足這些特性，其中主要為自然界中儲(chǔ)量豐富的銅、鋁（以及他們的合金）。然界中儲(chǔ)量豐富的銅、鋁（以及他們的合金）。有時(shí)，材料的基本特征不足以滿足上述特性，必有時(shí)，材料的基本特征不足以滿足上述特性，必須增加鍍層以改善材料性能。須增加鍍層以改善材料性能。因此，在進(jìn)一步處理過(guò)程中（絕緣因此，在進(jìn)一步處理過(guò)程中（絕緣），我們通），我們通過(guò)鍍錫、銀、鎳等來(lái)改善某些性能，如可焊

5、性、過(guò)鍍錫、銀、鎳等來(lái)改善某些性能，如可焊性、抗氧化性、耐熱性等?？寡趸?、耐熱性等。 第5頁(yè)/共25頁(yè)有助于設(shè)計(jì)導(dǎo)體的主要物理性能如下表所示有助于設(shè)計(jì)導(dǎo)體的主要物理性能如下表所示 物理性能銅密度8,9電阻率（mWcm）1,7241導(dǎo)電率（%IACS）100電阻溫度系數(shù)（K-1）0,0039導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）400線性膨脹系數(shù)（K-1）17x10-6拉應(yīng)力（退火）（MPa）220 / 290拉應(yīng)力（硬）（MPa）350/450彈性模量（MPa）120000硬度（退火）50硬度（硬）110第6頁(yè)/共25頁(yè)第7頁(yè)/共25頁(yè)采用脈沖電解沉積技術(shù)制備出具有高密度納米尺寸生長(zhǎng)孿晶的純采用脈沖電解沉積

6、技術(shù)制備出具有高密度納米尺寸生長(zhǎng)孿晶的純銅薄膜，通過(guò)工藝過(guò)程研究調(diào)整樣品的晶粒尺寸、孿晶厚度及其銅薄膜，通過(guò)工藝過(guò)程研究調(diào)整樣品的晶粒尺寸、孿晶厚度及其分布、織構(gòu)狀態(tài)等，獲得了具有超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的純銅樣品分布、織構(gòu)狀態(tài)等，獲得了具有超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的純銅樣品，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1068MPa（是普通純銅的是普通純銅的10倍以上，達(dá)到高倍以上，達(dá)到高強(qiáng)度鋼或銅晶須的強(qiáng)度水平），而室溫電導(dǎo)率與無(wú)氧高導(dǎo)（強(qiáng)度鋼或銅晶須的強(qiáng)度水平），而室溫電導(dǎo)率與無(wú)氧高導(dǎo)（OFHC）銅相當(dāng)（銅相當(dāng)（97%IACS）。）。這種超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的同這種超高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的同時(shí)獲得是過(guò)去在任何材料中均無(wú)

7、法實(shí)現(xiàn)的。此成果發(fā)表于時(shí)獲得是過(guò)去在任何材料中均無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。此成果發(fā)表于Science（2004年）周刊上。年）周刊上。第8頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料2 2、鋁及鋁合、鋁及鋁合金金資源豐富，價(jià)格便宜，質(zhì)量小資源豐富，價(jià)格便宜，質(zhì)量小主要用途：送電線，配電線主要用途：送電線，配電線第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料對(duì)于設(shè)計(jì)導(dǎo)體有用的物理性能如下表所示對(duì)于設(shè)計(jì)導(dǎo)體有用的物理性能如下表所示 物理性能物理性能鋁鋁 密度密度2,7 電阻率電阻率 (mWmWcm)2,826 導(dǎo)電率導(dǎo)電率 (%IACS)61 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) (K-1)0,004 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)

8、 (W/m.K)220 線性膨脹系數(shù)線性膨脹系數(shù) (K-1)23x10-6 拉應(yīng)力（退火）拉應(yīng)力（退火） (MPa)60/80 拉應(yīng)力（硬）拉應(yīng)力（硬） (MPa)150/200 彈性模量彈性模量(MPa)66000 硬度（退火）硬度（退火）20 硬度（硬）硬度（硬）40 用于導(dǎo)體產(chǎn)品的鋁材料由用于導(dǎo)體產(chǎn)品的鋁材料由EN AW-1370以及以及EN AW-1350規(guī)定，或者由規(guī)定，或者由EAL 99.7以及以及EAL 99.5規(guī)定。規(guī)定。第9頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料3 3、金及金合、金及金合金金良好的導(dǎo)電性，極強(qiáng)的抗蝕能力良好的導(dǎo)電性，極強(qiáng)的抗蝕能力主要用途：作為金膜或金的合金

9、膜用于集成電路中主要用途：作為金膜或金的合金膜用于集成電路中布線，芯片粘結(jié)，半導(dǎo)體封裝等布線，芯片粘結(jié)，半導(dǎo)體封裝等4 4、銀及銀合、銀及銀合金金具有最高的電導(dǎo)率具有最高的電導(dǎo)率主要用途：觸點(diǎn)材料主要用途：觸點(diǎn)材料第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料第10頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料二、電阻材二、電阻材料料1 1、精密電阻材料、精密電阻材料 特點(diǎn)：特點(diǎn)：恒定的高電阻率，電阻溫度系數(shù)小，電阻恒定的高電阻率，電阻溫度系數(shù)小，電阻隨時(shí)間的變化小，機(jī)械性能和加工性能好，容易焊隨時(shí)間的變化小，機(jī)械性能和加工性能好，容易焊接，耐腐蝕，抗氧化，有一定的耐熱性。接，耐腐蝕，抗氧化

10、，有一定的耐熱性。 主要應(yīng)用：電器回路中的電阻部件和電子線路中主要應(yīng)用：電器回路中的電阻部件和電子線路中的電阻器件的電阻器件（1 1）Cu-Mn系系錳銅：錳銅：Cu86Cu86、Mn12Mn12 Ni2 Ni2第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料Mn的作用：提高電阻率，降低電阻溫度系數(shù)的作用：提高電阻率，降低電阻溫度系數(shù)第11頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料（2 2）Cu-Ni系系康銅：康銅： Cu60Cu60、Ni40Ni40Ni的作用：降低合金對(duì)銅的熱電勢(shì)，改善電的作用：降低合金對(duì)銅的熱電勢(shì)，改善電阻溫度系數(shù)并

11、提高耐腐蝕性能。阻溫度系數(shù)并提高耐腐蝕性能。電阻溫度線性比錳銅好，可以在較寬的電阻溫度線性比錳銅好，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其最高使用溫度可達(dá)溫度范圍內(nèi)使用，其最高使用溫度可達(dá)400C，而且耐腐蝕性，耐熱性均比錳銅好而且耐腐蝕性，耐熱性均比錳銅好。第12頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料（3 3）NiCr系系改良型改良型（4 4）FeCrAlAl系合金系合金具有更寬的使用溫度，電阻溫度系數(shù)更小具有更寬的使用溫度，電阻溫度系數(shù)更小，耐熱性良好，耐蝕性更佳，而且易于拉，耐熱性良好，耐蝕性更佳，而且易于拉絲，但焊接困難。絲，但焊接困難。

12、Fe CrAlAl系精密電阻合金是在電熱合系精密電阻合金是在電熱合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)改變金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)改變AlAl和和CrCr的組成使電阻溫度系數(shù)從正到負(fù)值之間變的組成使電阻溫度系數(shù)從正到負(fù)值之間變化。但加工性能差，焊接性能不好?；?。但加工性能差，焊接性能不好。第13頁(yè)/共25頁(yè)表表1-21-2具有代表性精密電阻材料的成分與性能具有代表性精密電阻材料的成分與性能電功能金屬材料電功能金屬材料第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料第14頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料2 2、敏感電阻材料、敏感電阻材料（1 1）應(yīng)變電阻材料應(yīng)變電阻材料應(yīng)變電阻效應(yīng)變電阻效

13、應(yīng)應(yīng) 經(jīng)受外力作用（拉伸或壓縮經(jīng)受外力作用（拉伸或壓縮）的金屬材料將會(huì)發(fā)生變形而）的金屬材料將會(huì)發(fā)生變形而使其電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化，使其電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化，其電阻值變化量與所受外力引其電阻值變化量與所受外力引起的變形量是成比例的，這種起的變形量是成比例的，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變電阻效應(yīng)現(xiàn)象稱為應(yīng)變電阻效應(yīng)應(yīng)變電阻材料的特點(diǎn)：應(yīng)變電阻材料的特點(diǎn)： ( (a) a) 具有高的、穩(wěn)定的電阻率在工作溫度范圍具有高的、穩(wěn)定的電阻率在工作溫度范圍內(nèi)具有低的、穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，以及大的應(yīng)變內(nèi)具有低的、穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，以及大的應(yīng)變靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K K（K KL/L)L/L)，并在較大范圍內(nèi)不隨溫并在較

14、大范圍內(nèi)不隨溫度變化；度變化；第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料第15頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料主要用途：電阻應(yīng)變片或傳感器，用來(lái)測(cè)量力主要用途：電阻應(yīng)變片或傳感器，用來(lái)測(cè)量力（或重量）位移，壓力扭距，加速度等（或重量）位移，壓力扭距，加速度等高溫：高溫：Fe-Cr-Al系和系和PtW系絲材系絲材中溫及低溫：康銅和中溫及低溫：康銅和NiCr改良型的箔材為主改良型的箔材為主( (b)b)在拉伸或壓縮時(shí)，在拉伸或壓縮時(shí)，K K值相向或相差很小，不氧值相向或相差很小，不氧化，線膨脹系數(shù)等于或略高于被測(cè)件的線膨脹系化，線膨脹系數(shù)等于或略高于被測(cè)件的線膨脹系數(shù)；數(shù)；(

15、(c)c)有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度高蠕變小，容易有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度高蠕變小，容易加工和焊接等加工和焊接等。第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料第16頁(yè)/共25頁(yè)電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)1 1、3 3粘結(jié)劑，粘結(jié)劑，2 2基底，基底，4 4蓋層，蓋層， 5 5敏感柵，敏感柵，6 6引線引線電功能金屬材料電功能金屬材料第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料機(jī)械量機(jī)械量電量電量電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片第17頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料 絲柵式應(yīng)變絲柵式應(yīng)變片片標(biāo)距：標(biāo)距：0.2mm 200mm箔式應(yīng)

16、變片箔式應(yīng)變片m80m3的金屬箔片的金屬箔片光刻腐蝕工藝光刻腐蝕工藝第18頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料（2 2）熱敏電阻材料熱敏電阻材料要求：電阻率較小，電阻溫度系數(shù)大，電要求：電阻率較小，電阻溫度系數(shù)大，電阻溫度曲線線性好，阻溫度曲線線性好，抗氧化性、耐腐蝕和加工性能好?？寡趸?、耐腐蝕和加工性能好。常用純金屬有常用純金屬有FeFe、CoCo、Ni Ni 等等第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料第19頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料三、電熱材料三、電熱材料要求：高的電阻率和低的電阻溫度系數(shù)，高溫時(shí)具要求：高的電阻率和低的電阻溫度系數(shù)，高溫時(shí)具有良好的抗氧

17、化性，有足夠的高溫強(qiáng)度，易于拉絲有良好的抗氧化性，有足夠的高溫強(qiáng)度，易于拉絲。1 1、NiNiCrCr系合系合金金表表1-3 1-3 Ni-CrNi-Cr系電熱合金的成分及特點(diǎn)系電熱合金的成分及特點(diǎn)第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料第20頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料2 2、Fe-Cr-Al系合金系合金表表1-4 Fe-Cr-Al1-4 Fe-Cr-Al系合金的成分與特點(diǎn)系合金的成分與特點(diǎn)第二節(jié)第二節(jié) 幾種典型的電功能材料幾種典型的電功能材料第21頁(yè)/共25頁(yè)電功能金屬材料電功能金屬材料四、熱電材四、熱電材料料（又稱溫差電材料（又稱溫差電材料）賽貝克（賽貝克（se

18、ebeck)seebeck)效應(yīng)效應(yīng)T1 T2IAB 在兩種固體材料（通常是金屬材料或半導(dǎo)體材料）在兩種固體材料（通常是金屬材料或半導(dǎo)體材料）A A與與B B組成的回路中，若使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，如組成的回路中，若使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，如T T1 1 T T2 2，則在回路中講出現(xiàn)熱電流，這種由于溫差而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象稱為賽貝克（則在回路中講出現(xiàn)熱電流，這種由于溫差而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象稱為賽貝克（seebeck)seebeck)效應(yīng)效應(yīng)用途：金屬熱電偶材料用途：金屬熱電偶材料 要求：高的熱電勢(shì)高的電熱溫度系數(shù)，良好的高溫抗氧化性和抗環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性，容易加工，價(jià)格低要求：高的熱電勢(shì)高的電熱溫度系數(shù)，良好的高溫抗氧化性和抗環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性，容易加工，價(jià)格低第二節(jié)第