导电材料专项培训课件.ppt

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1、1,第二章 导电材料,2,本章内容,金属导电材料电极及电刷材料厚膜导电材料薄膜导电材料导电聚合物材料,3,导电材料是电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料，用来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导线、引线和布线。,根据使用目的不同，除了导电性外，有时还要求有足够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐蚀、耐电弧、高的热导率等。,IEC(国际电工委员会标准)规定，电阻率为1.7241cm的标准软铜的电导率作为100，其他材料的电导率与之比较，以百分电导率表示。,导电材料最主要的性质是良好的导电性能。,4,2.1 金属导电材料,2.1.1 金属导电材料概论,1.定义 导电材料是指电流容易通

2、过的材料。常用作电极、电刷、电线等。作为导电材料，希望其电阻率尽可能地小(10-6m)。但是，为了满足其他条件，例如机械强度、加工性、耐腐蚀性、经济性等，在许多情况也会使用电阻率较大的。,5,2导电材料的电气性质,(1)电阻与电阻率导体的电阻材料与长度L成正比、与断面A成反比，可表示为R=L/A，是物质固有的参数，指1m3(或1cm3)材料的电阻，称为材料的电阻率，单位为m 或cm。,(2)电阻温度系数。导体的电阻随温度的变化而变化。温度为的电阻可表示为 RT=RT11+aT1(T-T1)式中，RT1为在基准温度T1的电阻,aT1为在基准温度T1的电阻温度系数。,一般金属导体的电阻随温度升高而

3、增大,6,导电材料的电阻率与电阻温度系数同材料的纯度和完整性有十分密切的关系，既所谓是结构敏感的。,所以对于同一种材料，由于制备方法不同，电阻率与电阻温度系数会存在一定差别。,7,3导电材料的标准,(1)标准软铜的电阻温度系数 在20时为 1/254.5=0.00393-1，在T1()的电阻温度系数用1/254.5+T1-20)-1表示。,(2)电导率和百分电导率电阻率的倒数为电导率，用来表示导体的导电度。这个电导率与国际标准软铜的电导率之比的百分率，称为百分电导率或称为IACS(国际退火铜标准,1米长截面积1平方毫米的铜，电阻0.017)电导率。,8,(3)国际标准软铜。作为导体电导率的表示

4、基 准的标准软铜。其特性在1913年的国际电 器标准 会议上规定如下：,各部分的切面积的均等面积为mm2的标准软铜，在20 时，长度m的电阻为1/58，即电阻率为0.17241 m(100%IACS)。在20 时的密度为8.89g/cm3标准软铜在20 时的电阻温度系数为1/254.5=0.00393-1,9,4影响导体电阻值的因素,杂质、缺陷、温度、应力是影响导体电阻的主要原因。一般纯金属的电导率比其合金的高。合金的电导率由于合金的组成不同而各异，例如，在二元合金中由于成分相互溶解而生成固溶体。如果在纯金属中加入少量的其他金属，则电导率将急剧下降。,10,5导电材料应具备的性质,作为金属导电

5、材料，用得最多的是铜，其次是铝、铁等。,作为导电材料应具备的条件：电导率大、易连接、较大的抗拉强度、易弯曲、容易加工成型、耐腐蚀、产量大、价格低等。,但是，由于纯金属的抗拉强度都比较低，所以在对抗拉强度要求高的场合，应采用热处理的金属或合金。,11,2.2 电极和电刷材料,2.2.1 电容器电极材料,电极是电容器的重要组成部分，它在电容器中起着形成电场，聚集电荷的作用。尽管电极的形式随着电容器的结构不同而有变化，但作用是相同的。因此，作为电容器的电极材料，其质量的好坏和选用是否合理，对电容器的性质、质量、制造工艺、重量、成本都有重要影响。应根据电极的要求来选用适当的电极材料。,12,电极材料的

6、主要要求：,应具有优良的导电性能，体积电阻率要小；具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性，不易氧化，并 且对介质材料的老化、催化作用要小；应有良好的机械性能。如不易变形、压延性和柔韧 性要好、抗拉强度高、与电容器工艺匹配；密度小，热导率大；易于焊接，具有适当的熔点和沸点；材料来源广泛，价格便宜。,13,2.2.2 引出线,电子元件的引出线与印制电路板联接，形成整机的功能部件。整机的可靠件在很大程度上取决于引线的可靠性。电子元件引出线所用的导电材料，因基材成分、镀(涂)层种类、含杂量、厚度和生产工艺不同，各种引出线在机械性能、电件能、热性能、磁性能，耐蚀性和可焊性上各有不同。,14,选用电子元件引出线时

7、应考虑：,引出线对电子元件本身的影响，如引出线的导电 性、接触电阻、离子和分子的迁移、化学变化和电化学影响。,是否适应电子元件生产工艺，如引出线是否适于清洗、烘干、对焊、熔焊、轧扁、铆接、涂漆、烘漆、电气老 化、机械设备的牵引打弯。是否适应高速连续生产，能 经受气体污染否等。,引出线对电子元件密封性影响，引出线与电子元件包 封料的亲和性。引出线的热胀系数及其熔封性。,引出线是否适应整机的工作环境，能否确保整机不因引出线而发生故障，如能经受高温、低温、潮热、盐雾、震动等恶劣工作条件。,引出线是否适于整机的高密度群焊技术，其电子元件能 否长期储存。,15,2.2.3 电刷与弹性材料,在电位器（用于

8、分压的可变电阻器）中，电刷是沿电阻体滑动的导电构件，也称接点或接触刷：在许多重要或特殊要求的电位器中，电刷单独制造，然后借助于钎焊、点焊、铆接或夹装与弹性簧片组成构件，而使电刷获得支承和弹力源。,一般情况下，接触簧片带有接点的簧片、用弹性材料直接加工成型。因此。电刷材料与弹性材料是相互联系且不可分割的一组材料。弹性材料还可用来制造其他弹性元件，如簧片和弹性集流片。,16,2.3 厚膜导电材料,在厚膜混合集成电路中，厚膜导电材料的作用是固定分立的有源器件和无源器件（需能/电源的器件叫有源器件，无需能/电源的器件就是无源器件。有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向

9、性进行“信号放大”。容、阻、感都是无源器件，IC、模块等都是有源器件），作为元件之间的互连线及作为厚膜电容的上下电极及外引线的焊区等。,17,由于贵金属价格上涨，需要寻求价格低廉而性能优良的新导体材料，因此出现了一起贱金属厚膜导电材料。常见的有铜、镍硼、铝硼，其中，铜导体是比较成熟的，目前已应用在混合电路中。,厚膜导电材料浆料是厚膜工艺中使用的一种浆料。现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料，它们在空气中烧结，所用的贵金属主要为金、银金以及银、铂、钯的二元或三元合金。这些厚膜导电材料的电导性能很好，并且铂金导体具有非常好的抗焊料溶解性。,18,2.3.1 厚膜导电材料的特性,厚膜导电材料应

10、具有很低的电阻率、容易进行焊接、焊点有良好的机电完整性、与基片的粘附牢固等特点。影响厚膜导电材料性能的主要因素是功能相(导电体）和粘接剂（玻璃）的优劣，基片的化学性质和表面平整度对导体膜的粘附性（常称为键合）影响也很大。厚膜导电材料用的导电相材料，要求有良好的导电性。通常用两种或多种金属，形成二元或多元合金，以提高厚膜导电材料的性能。,19,2.3.2 厚膜导电材料用的有机载体,有机载体的功能 是把金属粉和作粘合用的玻璃粉及其他固体粉末混合分散成膏状浆料，以便用丝网印刷方法将其印刷在陶瓷基片上 有机载体的组成 由溶剂(挥发成分)、增稠刑(非挥发成分又叫凝聚剂）、流动性控制剂、表面活性剂等组成，

11、每种成分可以由一种或数种材料组成。,20,对有机载体的要求：,应是化学惰性物质。载体与固体粉粒接触(包括在加热情况下)时，不能发生化学反应。能形成悬浮体，载体与固体粉粒相接触的界面上，表面张力应小，以保证固体与液体之间很好地浸润。液体中应有使电解质稳定的极性基团，不应有过量的凝结剂，避免浆料在长期仔放时发生凝结变质。有合适的流变性。载体与固体粉粒结合，可能提供网状结构的成分，形成塑流型触变系统载体的粘度要适中，可调节。有适度的挥发性。载体在室温下饱和蒸气压要低。但在一定的温度下，其中的溶剂应易挥受，在高温下能够迅速挥发，使网印的浆料不产生二次流动现象。粘结性能好。载体能浸润陶瓷基片表面，因此其

12、表面张力应适当，使其能牢固地粘附在基片上。其他特性。载体应无固定沸点，在加热过程中逐步汽化、燃烧。避免造成电阻膜上的针孔。在一定的高温下应完全燃烧而不留灰分。,21,2.3.4 贵金属厚膜导电材料,贵金厚膜导电材料包括金、钯金、铂钯金、钯银等，应用较为广泛的是钯银、金、铂金等。特点:有很好的导电性，工艺简单，可在空气中 烧成，工艺敏感性差，重复性好，导电膜 性能稳定。,22,2.3.5 贱金属厚膜导电材料,贱金属厚膜导电材料是一种新型导体，常见的有厚膜铜导体、镍导体和铝导体等。这些贱金属导体浆料有的可以在空气中烧成，有些则必须在中性(N2，Ar)或还原性(N2-H2)气氛中烧成。贱金属导体有许

13、多优点，如电阻低、可焊件和抗焊溶性好、无离子迁移等。其缺点是时工艺要求很高，老化性能不如贵金属好。,23,2.4 薄膜导电材料,在集成电路中，薄膜导体在电路内部元器件的互连线；薄膜电阻的端头电极、薄膜电容的电极、薄膜电感线圈、微带线、外贴元器件的焊区、外引线焊区等起着重要作用。,对薄膜导电材料的主要要求是：导电性好、附着性好、化学稳定性高、可焊性和耐焊接性好、成本低。,薄膜导电材料的电阻率高于同种的块状材料，这是由于薄膜的厚度较薄所产生的表面散射效应，以及薄膜具有较高的杂质和缺陷浓度所成的结果。连续金属薄膜的电阻率为声子、杂质、缺陷、晶界和表面对电子散射所产生的电阻率之和。,24,薄膜导电材料

14、的分类,单元素薄膜系指用单一金属形成的薄膜导电材料。主要材料是铝膜。,多层薄膜系指不同的金属膜构成的薄膜导电材料。有二元系统(如铬金)、三元系统(如钴钯金)、四元系统(加钴铜镍金)等。,25,底层：也称为粘附层，主要起粘附作用，使顶层 导体膜能牢固地附着在基片上。,多层膜结构,顶层：主要起导电和焊接作用,薄膜的附着性取决于膜层与基片的结合形式,薄膜混合集成电路中，应用最为广泛的薄膜导电材料是结构多层薄膜。这是因为多层薄膜能较好地满足对薄膜导电材料的要求。,26,2.4.9 透明导电薄膜,透明导电膜的用途：用于透明电极、仪器仪表的防静电及电磁屏蔽窗口、防霜玻璃以及电子记录材料等领域。,透明导电薄

15、膜的分类：根据导电膜的情况，可分成金属型、半导体型和多层膜复合型三种。,27,2.4.10 薄膜导电材料在半导体集成电路中的应用,21世纪的集成电路将冲破来自工艺技术和物理因素等方面的限制继续以高速度向着高频、高速、高集成度、低功耗和低成本等方向迈进。对集成电路的薄膜电极系统、互联技术就有较高的要求。,28,1.电极系统,集成电路的电极系统起着传递器件电功率的作用。它要求电极系统本身不消耗电功率，仅起传递作用，且电极系统必须可靠。器件电极系统的组成：金属化层、引线键合、芯片与座底的欧姆接触。,29,理想的金属化电极系统的特点,电导率高(电阻率小于10cm)；与SiO2或其他淀积介质薄膜粘附性好

16、；能够与半导体材料形成低阻的欧姆接触；便于淀积和光刻；化学性能稳定，在淀积过程中不会引起半导体表面 的不稳定性，金属与金属、金属与半导体之间不产 生使器件性能退化的金属间化合物；抗电迁移能力强；抗电化学腐蚀能力强；适合集成电路中多层布线技术的要求，有良好的可 焊性。,30,2.多层化电极的组成,以金属为基础的多层化系统，抗电迁移能力和化学腐蚀能力较强，是目前研究和应较多的电极系统。按其作用和功能大体可分为四层：欧姆接触层，粘附层，过渡层，导电层。,31,(1)欧姆接触层,它是直接与硅芯片接触的，要求与N型或P型硅都能形成良好的欧姆接触、性能稳定，不与硅、上层金属形成高阻化合物。常用的金属有铁、

17、铂、银、铝等。欧姆接触层一般只需几个纳米。目前用得较多的是铂，铂硅合金的优点是：当温度超过组装工艺中的温度时，器件仍能稳定工作，且提供了一种适合于多种金属的良好的欧姻接触。,32,(2)粘附层,若欧姆接触层材料(如铂)与SiO2粘附不好，还需要加上粘附层，把欧姆接触层与 SiO2、上层金属粘合起来，以便在 SiO2 上形成牢固的引线键合点和集成电路的内引线互联。常用的金属有钛、锆、铬、铝等。粘附层约几十纳米厚。,33,(3)过渡层,作用：一方面用来阻挡上层的金属透过粘附层与硅合金形成化合物；另一方面要阻挡导电层与下层金属产生高阻化合物，且要求它与上下层接触电阻小，针孔少。常用铂、钯、钨、镍、镍

18、铬等材料。过渡层应足够厚，一般为100200 nm，才能防止扩散。若过渡层工艺控制不当，将导致器件失效。,34,(4)导电层,导电层是金属，位于多层金属的最上层，直接与内引线键合。导电层应稳定性好，电阻率低以及利于压焊。金与二氧化硅粘附差，与硅的共熔温度低(370)，故它不能像铝那样单独作为电极使用。由于它的抗电迁移能力与稳定性比铝好，所以在多层电极中用作导电层是很合适的。,35,3.铜互连技术,器件和互连线的尺寸和间距不断缩小，互连线的电阻和电容急剧增加，引起电信号传输的延迟。除了时间延迟以外，还产生了噪声容限。功率耗散和电迁移等问题。因此研究导电性能好、抗电迁移能力强的金属一直是一个重要的

19、课题。Cu互连的优点：电阻率较Al低40%，可以减少金属布线层数，缩小芯片面积，提高性能和可靠性Cu互连的缺点：Cu原子在Si和SiO2中扩散快；不易产生挥发性物质；在空气中容易氧化。,36,4.集成电路栅极薄膜用硅化物,随着集成电路集成度的提高，对其栅极和互连线材料的耐热性要求在不断提高。传统的多晶硅及铝材料己不能满足要求；难镕金属W、Mo虽具有良好的导电件和高熔点。但它们不抗氧化。致使集成电路的制备温度受到限制。难熔金属硅化物因只有低的电阻率和高的稳定性而受到重视。最受人注目的4种硅化物是TiSi2、TaSi2、MoSi2和WSi2，,37,2.4.11 薄膜导电材料的发展,薄膜导电材料的

20、发展方向：高温薄膜导电材料:高温薄膜导电材料主要有钛钨金复合薄膜。它可在4004500C温度下稳定地工作。贱金属薄膜导电材料:贱金属薄膜导电材料主要有Ni膜、NiCr-Ni膜和Cu膜。,38,2.5 复合导电材料,复合导电材料是由不导电的聚合物与导电体、半导体、有机络合物和有机电解质等复合制成的。其导电填料、母料及制备工艺对材料的性能影响都很大。导电填料有金属（金属粒子、覆银玻璃珠以及铝箔等）和非金属（碳黑、碳纤维、高分子导体）两类。,39,2.5.1 加压导电薄片,加压导电薄片：在选择母料时使用了橡胶一类弹性较大的导电复合材料。在薄片受到压力时，由于物体压缩，导电材料接触，其厚度方向的电阻值

21、立刻从绝缘状态(108 cm)以上变为导电状态(102 cm)以下。为了增加它们的使用寿命，一胶添加两种以上的微细金属粒子。加压导电薄片的用途：主要用于感压（力）变电（信号）的传感器和有感压力功能开关。,40,各向异性导电片的用途：主要用于电子元器件与印刷电路基板或电路基板的中间电极。,41,2.5.2 有机导电纤维,导电纤维的种类：有碳纤、金属细线，或碳分散型纤维，或在塑料纤维表面蒸发全属、电镀处理的导电纤维。导电纤维的用途：用来作防静电、防尘、防静电火花的混纺织物，用来制作集成电路或其他要求很高的精密设备生产人员的衣帽。,42,2.6 导电聚合物,两位美国科学家AFHeeger和Macdi

22、armid发现聚乙炔有明显导电性质以后，有机聚合物不能作为导电介质的这一观念被彻底收变了。目前，经加碘掺杂的聚乙炔的导电能力已经进入金属导电范围，接近于室温下铜的电导率。考虑到其导电机理和特征类似于金属导体，因此也有人称其为金属化聚合物，或者称合成金属。导电聚合物这一性质的发现对高分子物理和高分子化学的理论研究是一次划时代的事件；有机聚合物的电学性质从绝缘体向导体的转变。对有机聚合物基础理论研究具有重要意义，它促进了分子导电理论和固态离子导电理论的建立和发展。更因为导电聚合物潜在的巨大的应用价值，导电高分子材料研究引起了众多科学家的观注，成为有机化学领域研究的热点之一。,2.6.1 导电高分子

23、材料概述 1导电聚合物的发现与发展,43,2导电聚合物的定义和分类,导电高分子材料也称导电聚合物，具有明显聚合物特征。如果在材料两端加上一定电压，则该材料中应有电流流过，即具有导体的性质。同时具备上述两个性质的材料称其为导电高分子材料。虽然同为导电体，但导电聚合物与常规的金属导电体不同。导电聚合物如果按其结构特征和导电机理还可以分成以下三类：载流子为自由电子的电子导电聚合物；载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物；以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物(导电能力是由于在可逆氧化还原还原反应中电子在分子间的转移产生的)。,44,结构差别,电子导电型聚合物的共同结构特征

24、是分子内有大的线性共扼电子体系，给载流子自由电子提供离域迁移的条件。离子导电型聚合物的分子有亲水性，柔性好，在一定温度条件下有类似液体的性质，允许相对体积较大的正负离子在电场作用下在聚合物中迁移。氧化还原型导电聚合物必须在聚合物骨架上带有可进行可逆氧化还原反应的活性中心。,45,2.6.2 电子导电型聚合物,1导电机理与结构特征在电子导电聚合物的导电过程中载流子是聚合物中的自由电子或空穴，导电过程需要载流子在电场作用下能够在聚合物内做定向迁移形成电流。因此，在聚合物内部具有定向迁移能力的自由电子或空穴是聚合物导电的关键。,46,有机化合物中电子以下面四种形式存在,内层电子。这种电子一般处在紧靠

25、原子核的原子内层，受到原子核的强力束缚，一般不参与化学反应，在正常电扬作用下没有移动能力。电子。在分子中电子是成键电子，一般处在两个成键原子中间。键能较高，离域性很小被称为定域电子。电子。这种电子与掺杂原子(O、N、S、P等)结合在一起，在化学反应中具有重要意义，当孤立存在时没有离域性。电子是两个成键原子中P电子相互重叠后产生的。当电子孤立存在时，这种电子具有有限离域性，电子可以在两个原子核周围运行。在电扬作用下电子可以在局部做定向移动，随着电子共躯体系的增大，离域性显著增加。,47,48,电子的相对迁移是导电的基础。电子如若要在共扼 电子体系中自由移动，首先要克服满带与空带之间的能级差，因为

26、满带与空带在分子结构中是互相间隔的。这一能级差的大小决定了共轭型聚合物的导电能力的高低。正是由于这一能级差的存在决定了我们得到的不是一个良导体，而是半导体。提高共扼型导电聚合物导电率的方法，主要是减少能带分裂造成的能级差。实现这一目标的首要手段之 就是用所谓的“掺杂法来改变能带中电子的占有状况，减小能级差。,49,2掺杂剂、掺杂量与电导率之间的关系,在制备导电聚合物时，为了增强材料的电导率也可以进行类似的掺杂”操作。对于线性共轭聚合物进行掺杂有两种方式：一是同半导体材料的掺杂一样，通过加入第二种具有不同氧化态的物质；二是通过聚合材料在电极表面进行氧化或还原反应直接改变聚合物的荷电状态。其目的都

27、是为了在聚合物的空轨道中加入电子，或从占有轨道中拉出电子，进而改变现有电子能带的能级，出现能量居中的半充满能带、减小能带间的能量差。使自由电子或空穴迁移时的阻碍减小。掺杂实际上是一个氧化还原反应。,50,温度与电子导电聚合物电导率之间的关系,金属材料的电导温度系数是负值，即温度越高，电导率越低。与金属材料的特性不同，电子导电聚合物的温度系数是正的，即随着温度的升高，电阻减小，电导率增加。,51,4 聚合物电导率与分子中共轭链长度之间的关系,电子导电聚合物的电导率还受到聚合物分子中共轭链长度的影响。与晶体化的金属和无机半导体相比、聚合物的晶体化程度不同，晶格对电导率的影响可以不予考虑，而且，即使

28、从微观的角度看，线性共轭导电聚合物分子结构中的电子分布也不是各向同性的。聚合物内的价电子更倾向于沿着线性共轭的分子内部移动，而不是在两条分子链之间，随着共轭链长度的增加，电子波函数的这种趋势越明显，从而有啊利于自由电子沿着分子共轭链移动，导致聚合物的电导率增加。提高共轭链的长度是提高聚合物导电性能的重要手段之一，这一结论对所有类型的电子导电聚合物都适用用。这里所指的是分子链的总长度。而不是聚合物分子长度。,52,2.6.3 电子导电聚合物的应用,电子导电聚合物的应用开发主要依据它们的下述物理化学性质：高电导率、可逆氧化还原性、不同氧化态下的光吸收特性、电荷储存性、导电与非导电状态的可转换性等。

29、利用这些性质，电子导电聚合材料在作为有机可充电电池电极材料、光电显示材料、信息记忆材料、屏蔽和抗静电材料，以及分子电子器件等方面，已经或正在得到应用。其中，在二次电池(可充电电池)电极生产中的应用已经达到实用化阶段。,53,1导电材料,理论上，导电聚合物应该成为金属电力输送材料的有力竞争者缺点：多数导电聚合物来说，导电率相对较低化学稳定性较差，在空气中很快失去导电性能，溶解性很差，不溶和不熔。因此，在加工性方面存在一 定难度，因而作为电力输送材料在综合性能方而与现有导电材料相比还有较大差距。在作为抗静电材料和屏蔽材料方面导电聚合物有一定竞争力，但是与其他类似材料用比，如碳粉或者金属粉与塑料的混合材料，以及碳纤维增强材料等，目前在价格方向也缺乏竞争力。因此在这方面的大规模应用开发还有待上述性能的改善。,54,2电极材料,与无机电池电极材料相比，在电容量一定时。由电子导电聚合物作为电极材科构成的电池重量要轻得多，电压特性也好。这一优势对于可充电池来说有重要意义。,55,3电显示材料,导电聚合物电显示的依据：在电极电压的作用下聚合物本身发生电化学反应，使它的氧化态发生变化。在氧化还原反应的同时，聚合物的颜色在可见光区发生明显改变。与液晶显示器相比，这种装置的优点是没有视角的限制。,