Порядок выполнения работы

Ю.А. Брусенцов, В.А. Пручкин, И.С. Филатов

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации

в качестве лабораторного практикума

Издание второе, стереотипное

Тамбов Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

УДК 621.396.6 ББК Á813я73-5 Б892

Р е ц е н з е н т ы :

Доктор физико-математических наук, профессор ТГУ им. Г.Р. Державина

В.А. Федоров

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

А.М. Савельев

Брусенцов, Ю.А.

Б892 Материалы электронной техники : лабораторный практикум / Ю.А. Брусенцов, В.А. Пручкин, И.С. Филатов. – 2- е изд., стерео-тип. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 44 с. – 100 экз.

Содержит указания к выполнению лабораторных и практических ра-бот по изучению структуры, механических, электрических и магнитных свойств металлов и сплавов. Позволит разобраться студентам в методах прогнозирования свойств металлических и неметаллических материалов с помощью равновесных диаграмм состояния, а также по изменению их структуры с помощью различных видов термообработки.

Лабораторный практикум предназначен для студентов 1 – 3 курсов специальностей 210201, 210303, 210200, 140106, 140211 дневной и заочной форм обучения.

УДК 621.396.6 ББК Á813я73-5

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2011

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие электроники связано с появлением новых раз-нообразных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое применение в вычислительной технике, космо-навтике, автоматике, радиотехнике, телевидении, в установках измери-тельной техники, медицине, биологии и др. В настоящее время число на-именований материалов, применяемых в электронной технике для раз-личных целей, составляет несколько тысяч.

При использовании материалов необходимо знание комплекса их свойств, позволяющих использовать их при различных условиях эксплуа-тации. Нередко перед конструкторами и технологами возникают и бо-лее сложные задачи по созданию материалов с заранее заданными свойст-вами.

В электронной промышленности для изготовления полупроводнико-вых приборов и интегральных микросхем широко используются как тра-диционные полупроводники, металлы и сплавы, так и новые материалы, специально разработанные для полупроводниковой технологии.

Основной задачей настоящего лабораторного практикума является освоение методик измерения основных характеристик материалов элек-тронной техники и умение определять их свойства и область приме-нения.

Лабораторная работа 1

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы:ознакомиться с методами микроанализа структуры ме-таллов и сплавов. Изучить структуру чистых металлов и различных типов твердых сплавов.

Приборы и принадлежности:оптические микроскопы,металлогра-фические шлифы.

Методические указания

Из 106 элементов периодической системы Д.И. Менделеева 82 – ме-талла. Поэтому изучение их структуры и свойств так важно для практиче-ских целей в электронной технике.

Металлы обычно являются кристаллическими телами или кристал-лами. Кристаллом называют бесконечное упорядоченное расположение атомов в пространстве. Все кристаллические материалы обладают анизо-тропией – зависимостью свойств материала от направления в нем. Это объясняется тем, что в каждом направлении в кристалле расстояние меж-ду атомами или молекулами строго определенное, а значит и силы взаи-модействия между ними в каждом случае различные.

Реальные кристаллы содержат большое количество нарушений в упорядоченном расположении атомов. Поэтому чаще встречаются не моно-, а поликристаллы (рис. 1, а), которые состоят из большого количе-ства зерен, в которых одна и та же кристаллическая решетка (показана штриховкой) ориентирована в пространстве по-разному.

Для проведения микроанализа образец разрезают (плоскость разреза А-А) и на одной из его половин шлифовкой и полировкой приготавлива-ют шлиф (рис. 1, б). Его поверхность гладкая и чаще всего не показывает

А А

Рис. 1. Микроанализ поликристаллического материала:

а –схема поликристалла(1 –зерна или кристаллиты, 2 –границы зерен); б –полированный шлиф; в –отражение света от травленого шлифа

структуры металла. Для выявления структуры шлиф подвергают дейст-вию специального реактива – травителя, состав которого зависит от изу-чаемого материала и цели металлографического исследования. Обычно травители – растворы кислот, щелочей или солей. В процессе травления скорость и характер растворения разных зерен шлифа будет разной из-за анизотропии, так как они выходят на поверхность шлифа разными на-правлениями.

Границы зерен – это дефект кристалла, где атомы более активны и легче растворяются. Поэтому на границах зерен в поликристалле шлиф будет растравливаться сильнее (рис. 1, в).

При освещении травленой поверхности лучи света будут по-разному отражаться от ее рельефа. Поэтому при наблюдении шлифа в отраженных

М_ок–увеличение объектива и окуляра.

Для получения изображения необходи-мо установить изучаемый шлиф на предмет-ный стол микроскопа полированной поверх-ностью в сторону объектива. Включить мик-роскоп тумблером на блоке питания. По-смотреть в окуляр микроскопа и, вращая ру-

Рис. 3. Схема микроскопа на отражение:

1 –источник света;

2 –конденсор;

3 –полупрозрачное зеркало;

4 –объектив; 5 –объект;

6 –окуляр

коятку грубой настройки резкости микроскопа, приблизить объектив к шлифу до появления изображения. Получить резкое изображение с помо-щью рукоятки тонкой настройки. При изучении шлифа перемещать образец

с помощью винтов предметного стола.

В технике применяют обычно не чистые металлы, а сплавы, в состав которых входят два и более компонентов (элементов). В зависимости от

химического состава и условий производства сплавы могут состоять из одной или нескольких фаз.

Фаза–это однородная часть сплава,отделенная от других поверхно-стью раздела, при переходе через которую кристаллическая решетка, хи-

мический состав и свойства резко изменяются.

Фазовый состав сплавапоказывает:

· какие фазы в него входят;

· химический состав каждой фазы;

· количество каждой фазы.

Структура сплавапоказывает форму,размеры и взаимное располо-жение зерен каждой фазы в материале.

Только зная фазовый состав и структуру сплава, можно точно предсказать и объяснить его свойства!

Рассмотрим различные структуры, которые может иметь технически чистый металл на стадиях его металлургического передела (рис. 4).

После выплавки и заливки в форму начинается затвердевание метал-ла. При кристаллизации также проявляется анизотропия – зародыши обра-зуются не круглой равноосной формы, а в виде иголочек в направлении, где его скорость роста максимальна. В кристаллах с кубической решет-кой – это обычно направление ребра куба. Спустя некоторое время на об-разовавшихся иглах появляются «ветки» – отростки в направлении друго-го ребра куба. Такие кристаллы называют дендритами («dendros» – дере-во). Полученная структура литого металла (рис. 4, а) имеет высокую не-однородность химического состава – все вредные примеси собираются между дендритами, резко охрупчивая металл.

а) б) в) г)

Рис. 4. Структуры передела металла:

а –литой; б –отожженный; в –деформированный; г –после рекристаллизации

Для улучшения качества слитки подвергают выравнивающему (го-могенизирующему) отжигу при температуре, близкой к температуре плавления, t = (0,7…0,8) t_пл . Такой нагрев активизирует диффузию ато-мов, и они располагаются равномерно по всему объему. Одновременно при этом образуется крупное равноосное зерно в структуре отожженного металла в виде правильных многогранников (рис. 4, б).

Для придания металлу необходимой формы (с поперечным сечением в виде круга, квадрата, прямоугольника, двутавра и др.) слиток подверга-ют пластической деформации. При этом меняется структура металла: при холодной пластической деформации зерна вытягиваются и утоняются, превращаясь в волокна (рис. 4, в).

Для улучшения комплекса механических и технологических свойств металл после пластической деформации подвергают повторному отжигу (рекристаллизационному) при более низкой температуре. При этом форми-руется мелкозернистая структура отожженного металла (рис. 4, г), кото-рая обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием.

Таким образом, в зависимости от состояния металла (стадии его пе-редела) структура меняется, что вызывает изменение его свойств. Очень часто при микроанализе ставится вопрос – описать структуру сплава. При этом необходимо перечислить все структурные составляющие и указать фазы, из которых они состоят (обычно это пишут на рисунке структуры сплава на выносных линиях).

П р и м е р :Задание:описать структуру технически чистого метал-ла A, изображенную на рис. 2. Ответ: структура технически чистого ме-талла состоит из равноосных зерен фазы A.

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство светового металлографического микроскопа. Научиться пользоваться рукоятками грубой и тонкой настройки резкости

и микровинтами перемещения предметного стола.

2. Изучить и зарисовать структуру предложенных металлов и спла-

вов.

Результаты микроанализа

3. Определить их металлургическое состояние, сравнивая с образ-цами на рис. 4. Занести результаты микроанализа в табл. 1.

4. По результатам микроанализа и химическому составу образцов указать тип сплава в твердом состоянии для каждого шлифа в табл. 1.

В зависимости от того, какие компоненты входят в сплав, насколько

они близки по свойствам, насколько сильно они взаимодействуют между собой, различают три основных типа сплавов в твердом состоянии:

·Твердый раствор–это:

а) однофазный сплав, у которого одна кристаллическая решетка; б) его кристаллическая решетка похожа на один из компонентов

сплава; в) его свойства похожи на один из компонентов сплава;

г) он обозначается греческой буквой (a, b, g, …).

Структура отожженного твердого раствора показана на рис. 2.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: