第一章电子材料

第一章电子材料1.1导电材料1.2绝缘材料1.3磁性材料第1章电子材料1.1导电材料导电材料主要是金属材料，又称导电金属。用做导电材料的金属除应具有高导电性外，还应有足够的机械强度，不易氧化，不易腐蚀，容易加工和焊接。导电材料按用途一般可分为高电导材料、高电阻材料、焊接材料和导线材料。1.1.1导电材料的特性1.电阻特性在外电场的作用下，金属中的自由电子作定向运动时，不断与晶格结点上做热振动的正离子相碰撞，使电子运动受到阻碍，因而金属具有一定的电阻。金属的电阻特性通常用电阻率ρ来表示。2.电子逸出功金属中的电子脱离其本体变成自由电子所必需获得能量称为电子逸出功，单位为电子伏特(eV)。不同的金属，其电子逸出功不同。3.接触电位差接触电位差是指在两种不同金属或合金接触时，两者之间所产生的电位差。4.温差电势两种不同的金属接触，如果两个触点间有一定温度差时，则产生温差电势。根据温差电势现象，选用温差电势大的金属，可以组成热电偶用来测量温度和高频电流。此外，温度升高，会使金属电阻增大；合金元素和杂质也会使金属电阻增大；机械加工也会使金属电阻增大；电流频率升高，金属产生趋肤效应，导体的交流电流电阻也增大。1.1.2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。由于金银价格高，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.铜及合金纯铜（Cu）呈紫红色，故又称紫铜。它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，易于机械加工，便于焊接等到优点。铜有很好的耐腐蚀性，在室温、干燥的条件下，几乎不氧化。但在潮湿空气中，铜会产生铜绿；在腐蚀气体中会受腐蚀。但纯铜的硬度不够高，耐磨性不好。所以，对于某些特殊用途的导电材料，需要在铜的成分中适当加入其它元素构成铜合金。黄铜是加入锌元素的铜合金，具有良好的机械性能和压力加工性能，其导电性能较差，抗拉强度大，常用于制作焊片、螺钉、接线柱等。青铜是除黄铜、白铜(镍铜合金)外的铜合金的总称。常用的有锡磷青铜、铍青铜等。锡磷青铜常用做弹性材料，其缺点是导电能力差、脆性大。铍青铜具有特别高的机械强度、硬度和良好的耐磨、耐蚀、耐疲劳性，并有较好的导电性和导热性，弹性稳定性好，弹性极限高，用于制作导电的弹性零件。2.铝（Al）及其合金铝是一种白色的轻金属，具有良好的导电性和导热性，易进行机械加工，其导电能力仅次于铜，但比重小于铜。其化学性质活泼，在常温下的空气中表面很快氧化生成一层极薄的氧化膜，这层氧化膜能阻止铝的进一步的氧化，起到一定的保护作用。其缺点：熔点很高、不易还原、不易焊接，并且机械强度低。所以，在纯铝中加入硅、镁等杂质构成铝合金以提高其机械强度。铝合金的机械强度比铝高，有足够的塑性和耐腐蚀性。铝硅合金又称硅铝明，流动性好，收缩率小，耐腐蚀，易焊接，可代替细金丝用于连接线。3.金（Au）及其合金金具有良好的导电导热性，在空气中不氧化，抗硫化性也好，但价格高，主要用作贱金属接点的电镀材料。金的硬度较低，常用的是加入各种硬化元素的金基合金。金基合金具有良好的抗有机污染的能力，常用于要求较高的电接触元件中做弱电流小功率接点。其中金镍合金的硬度和耐磨性均高于纯金，常用在要求使用寿命长、小负荷、小接触压力的接点，如各种继电器、波段开关等。4.银（Ag）及其合金银的导电性和导热性很好，易于加工成形，其氧化膜也能导电，并能抵抗有机物污染。与其它贵重金属相比，银的价格比较便宜。但其耐磨性差，容易硫化，其硫化物不易导电，也不易清除。为此，常采用银铜、银镁镍等合金。银合金比银具有良好机械性能，银铅锌、银铜的导电性能与银相近，而强度、硬度和抗硫化性均有所提高。5.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，耐磨性能良好，但纯铂的硬度不高，价格昂贵。铂基合金耐磨性好、硬度高、使用寿命长，常用的是铂铱合金。与铂基合金相近的材料有钯银、钯铜、钯铱合金等。6.层状复合材料层状复合材料是由两种以上的金属材料所形成的面结合材料。层状复合材料的基体材料采用钢铁、黄铜、镍等价廉的金属，而表面的电接触材料则选用金、银、铂、钯及其合金，这样既有利于节约贵金属，又可满足不同的技术要求，提高产品的可靠性和稳定性。在开关、连接器、电刷等弱电接触元件中广泛采用。1.1.3高电阻材料高电阻材料是指某些具有高电阻率的导电金属。常用的高电阻材料大都是铜、镍、铬、铁等合金。1.锰铜锰铜是铜、镍、锰的合金，具有特殊的褐红色光泽，电阻率低，主要用于电桥、电位差计、标准电阻及分流器、分压器。2.康铜康铜是铜、镍合金，其机械强度高，抗氧化和耐腐蚀性好，工作温度较高。康铜丝在空气中加热氧化，能在其表面形成一层附着力很强的氧化膜绝缘层。康铜主要用于电流、电压调节装置。3.镍铬合金镍铬合金是一种电阻系数大的合金，具有良好的耐高温性能，常用来制造线绕电阻器、电阻式加热器及电炉丝。4.铁铬铝合金铁铬铝合金是以铁为主要成分，加入少量的铬和铝来提高材料的电阻系数和耐热性。其脆性较大，不易拉成细丝，但价格便宜，常制成带状或直径较大的电阻丝。1.1.4导线1.导线的分类在电子工业中，常用的连接导线有电线和电缆两大类，它们又可分为裸线、电磁线、绝缘电线电缆、通信电缆等。裸线是没有绝缘层的电线，常用有单股或多股铜线、镀锡铜线、电阻合金线等。电磁线是有涂漆或包缠纤维绝缘层的铜线。电磁线主要用铸电机、变压器、电感器件及电子仪表的绕组等。绝缘电线电缆一般由导电的线芯、绝缘层和保护层组成。线芯有单芯、二芯、三芯和多芯，如图1-1所示。1-镀锡铜线芯1-铜线芯1-铜线芯2-聚氯乙烯绝缘2-橡皮绝缘2-橡皮绝缘3-聚氯乙烯薄膜绕包3-橡皮护套3-橡皮护套4-聚氯乙烯护套4-镀锡铜线编织（a）聚氯乙烯安装电缆（b）橡皮软电缆（c）橡皮安装屏蔽电缆图1-1绝缘电线电缆种类1-铜线芯1-铜线芯1-铜线芯2-聚氯乙烯绝缘2-聚氯乙烯绝缘2-聚氯乙烯绝缘3-聚氯乙烯薄膜绕包3-铜线编织4-镀锡铜线编织4-聚氯乙烯护套5-聚氯乙烯护套（a）广播电缆（b）扁平电视电缆（c）同轴射频电缆图1-2通信电缆种类2.电线、电缆型号命名表1.1电线型号命名方法分类代号或用途绝缘护套派生特性符号意义符号意义符号意义符号意义A安装线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T天线B聚丙烯SK尼龙丝T特种SE双丝包表1.2射频电缆型号命名方法分类代号或用途绝缘护套派生特性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F氟塑料Z综合式ST特种射频电缆YK纵孔聚乙烯B玻璃丝编织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

3.导线选用(1)电路条件①允许电流。指常温下工作的电流值，导线在电路中工作时的电流要小于允许电流。②导线电阻的电压降。在导线很长时，要考虑导线电阻对电压的影响。③额定电压与绝缘性。使用时，电路的最大电压应低于额定电压，以保证绝缘性能和使用安全。④频率特性。对不同的频率选用不同线材，要考虑高频信号的趋肤效应。⑤特性阻抗。在射频电路中还应考虑导线的特性阻抗，保证电路的阻抗匹配，以防止信号的反射波。(2)环境条件①温度。由于环境温度的影响，会使导线的绝缘层变软或变硬，以致变形、开裂，造成短路。②湿度。环境潮湿会使导线的芯线氧化，绝缘层老化。③气候。恶劣的气候会加速导线的老化。④化学药品。许多化学药品都会造成导线腐蚀和氧化。选用线材应能适应环境的温度、温度及气候的要求。一般情况下导线不要与化学药品及日光直接接触。(3)机械强度所选择的导线应具备良好的拉伸强度、耐磨损性和柔软性，质量要轻，以适应环境的机械振动等条件。1.1.5焊接材料焊接是金属与金属建立一种牢固的电连接形式。焊接材料包括焊料和焊剂。1.焊料焊料是用来连接两种或多种金属表面，同时在被连接金属的表面之间起冶金学桥梁作用的金属材料。焊料应是易熔金属，其熔点应低于被焊金属。焊料按成分分类，有锡铅焊料、银焊料、铜焊料等。（1）对焊料的要求①熔点低。②凝固快。③有良好的浸润作用。④抗腐蚀性要强。⑤要有良好的导电性和足够的机械强度。⑥价格便宜而且材料来源丰富，以有利电子设备成本的降低。（2）锡铅合金的特性

表1.3各种焊料的物理和机械性能焊料合金熔化温度℃密度g/㎝3机械性能热膨胀系数×10-6/℃电导率SnPbAgSbBiInAu液相线固相拉伸强度MPa延伸率﹪硬度HB63371838.4614516.6241160401831838.5301511.6109029926810.8414512.728.78.259531230511304712297.8623621798.4643916.522.311.3197.51.530911.331509.528.77.296.53.52216.445551325.413.497.52.530411.330529298.89552452217.25403813.3—11.94343141631449.155571425.5842581388.77720~3019.315.4548521171183511.7155801571758513208028028—1187596.53.522120734014图1-3锡铅合金状态图采用共晶焊锡进行焊接的优点是：①焊点温度低，减少了元器件、印制板等被焊接物体受热损坏的机会。②熔点和凝固点一致，可使焊点快速凝固，减少焊点冷却过程中元器件松动而出现的虚焊现象。③流动性好，表面张力小，有利于提高焊点质量。④强度高，导电性好。（3）焊料的选用在电子产品的生产中，大都采用锡铅焊料。焊料可以根据需要加工成各种形状，如棒状、带状、线状、膏状等。手工焊接大量使用线状焊料。有的焊锡丝在丝中心加有松香（助焊剂），称为松香焊锡丝。2.焊剂焊剂与焊料不同，它是用来增加润湿，以帮助和加速焊接的进程，故焊剂又称助焊剂。焊剂的助焊能力，依靠焊剂的活性。焊剂的活性是指从金属表面迅速去除氧化膜的能力。（1）焊剂的作用原理①化学作用，主要表现在达到焊接温度前，能充分地使金属表面的氧化物还原或置换，形成新的金属盐类化合物。②物理作用，主要表现在两个方面；一是改善焊接时的热传导作用，促使热量从热源向焊接区扩散传送。二是施加焊剂能减少熔融焊剂的表面张力，提高焊料的流动性。（2）对焊剂的要求①焊剂的熔点必须比焊料的低，比重要小，以便在焊料未熔化前就能充分发挥作用。②焊剂的表面张力要比焊料的小，扩散速度快，有较好的附着力，而且焊接后不易炭化发黑，残留焊剂应色浅而透明。③焊剂应有较强的活性，在常温下化学性能应稳定，对被焊金属无腐蚀性。④在焊接过程中，焊剂不应产生有毒或有强烈刺激性气体，不产生飞溅，残渣容易清洗。⑤焊剂的电气性能要好，绝缘电阻要高。另外，还应配制简便，成本低廉。（3）焊剂的分类分为三大类，即无机焊剂、有机焊剂、树脂焊剂。①无机焊剂的化学作用强，有很强的活性，助焊性非常好，但腐蚀作用大。焊接后必需清洗干净，在电子产品的装配中一般禁止使用。②有机焊剂的化学作用缓和，腐蚀性小，有较好的助焊性能。③树脂焊剂腐蚀性小，在加热的条件下有一定的清除氧化物的能力，且在常温下绝缘电阻高，是一种在电子产品焊接中应用最广的可靠焊剂。3.阻焊剂为了提高印制板的焊接质量，特别是浸焊和波峰焊的质量，常在印制基板上，除焊盘以外的印制线条上全部涂上防焊材料，这种防焊材料称为阻焊剂。（1）采用阻焊剂的优点①可以使浸焊或波峰焊时桥接、拉头、虚焊和连条等毛病大为减少或基本消除，板子的返修率也大为降低，提高焊接质量，保证产品的可靠性。②除了焊接盘外，其它印制连线幸免不同锡，这样可节省大量的焊料。同时，由于只有焊盘部位上锡，受热少，冷却快，降低了印制板的温度直到了保护塑料封元器件及集成电路的作用。③阻焊剂本身具有三防性能和一定的硬度，形成印染制板表面一层很好的保护膜，还可直到防止碰撞等引起机械操作的作用。④使用阻焊剂特别是带有色彩的阻焊剂，使印制板的板面显得整洁美观。（2）阻焊剂和种类一般分为干膜型阻焊剂和印料型阻焊剂。目前广泛使用的是印料型焊剂，这种阻焊剂又分为热固化和光固化两种。①热固化阻焊剂的特点是附着力强，能耐300℃高温。②光固化阻焊剂（光敏阻焊剂）特点是在高压灯照射下，只要2～3分钟就能固化。1.1.6敷铜板

敷铜板全称是敷铜箔层压板，又称覆铜板。敷铜板是制作印制电路板的主要材料，常用的敷铜板有四种：（1）酚醛纸基敷铜箔板（又称纸铜箔板）（2）环氧酚醛玻璃布敷铜箔板（3）环氧玻璃布敷铜箔板（4）聚四氟乙烯玻璃布敷铜箔板印制电路板按其结构可分为以下五种。（1）单面印制电路板

（2）双面印制电路板（3）多层印制电路板（4）软印制板（5）平面印制电路板1.2绝缘材料绝缘材料具有很大的电阻系数。其主要作用是用来隔离带电的或不同电位的导体。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。无机材料则与之恰恰相反。按分子结构是否对称即正负电荷中心是否重合，又可分为非极性（中性）和极性介质。1.绝缘材料的基本性能(1)电介质的漏导电流(2)体积电阻和表面电阻(3)电介质的极化和介电常数(4)电介质的损耗(5)电介质的击穿2.影响绝缘材料的主要因素(1)温度。温度升高，电介质的电阻率下降，电阻减小；电介质的极化特性和损耗也随着温度变化而变化；温度升高还会加速热击穿和热老化。(2)湿度。绝缘材料的绝缘电阻，一般随湿度增大而下降；吸湿后介电常数和电导率普遍增大，介质损耗增大，抗电强度降低。(3)电场强度。外加电场增大，会使绝缘材料电阻率下降，介质损耗增大，还会加速击穿与老化。(4)频率。外加电场频率变大，会影响电介质的极化特性、损耗特性，影响介质的击穿与老化。1.2.2有机绝缘材料有机绝缘材料有树脂、塑料、橡胶、绝缘漆、绝缘油等。树脂又分为天然树脂和合成树脂两种，合成树脂包括热塑性树脂和热固性树脂。1.2.3无机绝缘材料无机绝缘