Funktionswerkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik

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1 Funktionswerkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik Herausgegeben von Prof. em. Dr.-Ing. habil. Karl Nitzsche und Prof. Dr. rer. nat. habil. Hans-Jürgen Ullrich 2., stark überarbeitete Auflage Mit 341 Abbildungen und 120 Tabellen Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart

2 Inhaltsverzeichnis 0 Einführung: Atome, Moleküle, Festkörper Atome Zugang zum Aufbau der Atomhülle: Die Quantenmechanik Die Schrödinger-Gleichung, Das Wasserstoff-Atom Pau/i-Prinzip und Austausch-Wechselwirkung Die Struktur der Atomhülle Moleküle Das H 2 -Molekül Die Valenz Bindungstypen Festkörper Ideale Kristalle Zusammenhang von chemischer Bindung und Kristallstruktur Die elektronische Struktur Die magnetische Struktur Anregungen Ungeordnete Festkörper 47 Literaturhinweise 49 1 Leiterwerkstoffe Grundlagen Elektrische Leitfähigkeit der Metalle OAmsches Gesetz Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit der Metalle Einfluß des Probendurchmessers auf die elektrische Leitfähigkeit Kristallbaufehler und elektrische Leitfähigkeit Nulldimensionale Kristallbaufehler Eindimensionale Kristallbaufehler Zweidimensionale Kristallbaufehler Dreidimensionale Kristallbaufehler Schlußfolgerungen für die Werkstoffauswahl Leiterwerkstoffe auf Kupferbasis ' Reines Kupfer Binäre Kupferleitlegierungen Mehrkomponenten-Kupferleitlegierungen Leiterwerkstoffe auf Aluminiumbasis 71

3 8 Inhaltsverzeichnis Reines Aluminium Binäre Aluminiumleitlegierungen Kupferbeschichtetes Aluminium Leiterwerkstoffe auf Goldbasis Leiterwerkstoffe auf Silberbasis Eindimensionale Leiter Flächenleiterwerkstoffe Werkstoffe der Leiterplattentechnik Träger oder Substrat. " Leiterschicht Verbindungs-oder Haftschicht Isolationsschicht Veredlungsschicht ; Schutz-oder Abdeckschicht Leiterplatten-Herstellung Werkstoffe der Dickschichttechnik Werkstoffe für Träger oder Substrat Werkstoffe für Dickschicht-Leitbahnen Herstellung der Dickschichtelemente Werkstoffe der Dünnschichttechnik Substratwerkstoffe Leitbahnwerkstoffe der Dünnschichttechnik Herstellung der Dünnschichtelemente Supraleiter Supraleitfähigkeit Supraleiter 1. Art Supraleiter 2. Art Supraleitende Werkstoffe Supraleitende Elemente Verformbare supraleitende Legierungen Supraleitende intermetallische Verbindungen Hochtemperatursupraleiter Herstellung supraleitender Werkstoffe Herstellung metallischer Supraleiter Herstellung von Hochtemperatursupraleitern Anwendung supraleitender Werkstoffe Supraleitende Magnete Supraleitende Kabel Anwendung und anwendungsbezogene Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern Elektrodenwerkstoffe Definition Einteilung der Elektrodenwerkstoffe Kohlenstoffwerkstoffe Eigenschaften Herstellung Kennwerte und Anwendungshinweise Werkstoffe für dimensionsstabile Anoden (DSA) Eigenschaften und Aufbau.. ' Herstellung Anwendungshinweise 126

4 Inhaltsverzeichnis Entwicklungstendenzen Lichtleiter Grundlagen Werkstoffauswahl und Herstellung Anorganische Gläser für Lichtleitfasern Organische Gläser für Lichtleitfasern 131 Literaturhinweise Kontaktwerkstoffe Grundlagen Kontakteigenschaften Kontaktwiderstand Verschleiß elektrischer Kontakte Mechanischer Verschleiß Elektrischer Verschleiß Verschleiß durch Korrosion Schweißverhalten Werkstoffe für Kontakte Allgemeine Anforderungen an Kontaktwerkstoffe Werkstoffauswahl in Abhängigkeit von der Schaltleistung Werkstoffe für niedrige Schaltleistungen Werkstoffe für mittlere Schaltleistungen Werkstoffe für hohe Schaltleistungen Auswahl der Werkstoffe nach dem Entladungsverhalten Maßnahmen zum Einsparen von Edelmetall Werkstoffe für Kontakte in der Computertechnik und Mikroelektronik »Literaturhinweise Widerstandswerkstoffe Grundlagen Werkstoffe für Drahtwiderstände (DIN ) Präzisionswiderstände Chemisch stabile Widerstände Werkstoffe für Schichtwiderstände (DIN ) Eigenschaften der Werkstoffe als Schichten Werkstoffe für Dickschichtwiderstände Werkstoffe für Dünnschichtwiderstände (DIN ) " Kohlenstoffwerkstoffe für Schichtwiderstände (DIN bis ) Werkstoffe für Metalloxid-Schichtwiderstände (DIN ) Werkstoffe für Massewiderstände Werkstoffeigenschaften Massewiderstände auf SiC-Basis Massewiderstände auf BaTiO 3 -Basis (PTC-Thermistoren; DIN ) Massewiderstände auf Fe 2 O 3 NiO-Bäsis (NTC-Thermistoren; DIN ) Massewiderstände auf Kohlenstoffbasis (DIN ) Werkstoffe für diffundierte Widerstände auf Halbleiterbasis (Integrierte Widerstände) Widerstandswerkstoffe für Sonderfunktionen Druckabhängige Widerstandswerkstoffe (Dehnmeßstreifen) Thermisch hochbelastbare Widerstandswerkstoffe (Heizleiter) Magnetfeldabhängige Widerstandswerkstoffe 170

5 10 Inhaltsverzeichnis Lichtabhängige Widerstandswerkstoffe (DIN ) Werkstoffe für veränderbare Widerstände (DIN ) 170 Literaturhinweise Halbleiterwerkstoffe Grundlagen Definition und Arten von Halbleitern Eigenleitung Energiebänder- und Valenzbandmodell :2 Konzept der «negativen effektiven Masse» Verfeinerte Bandstruktur Temperaturabhängigkeit der Eigenleitung Fotoleitung, Generation und Rekombination von Ladungsträgerpaaren Lumineszenz Störstellenleitung Bänder-und Valenzbandmodell für die «-Leitung Bänder- und Valenzbandmodell für die p-leitung Majoritäts-und Minoritätsträger ffö/zeffekt Temperaturabhängigkeit der Störstellenleitung Rekombinationszentren, Trap- und Grenzflächenzustände Halbleiterbauelemente pn-übergang pn-diode Funktionsmechahismus und Kennlinienverhalten Anwendungen der pn-dioden Transistor - Grundelement integrierter Schaltungen Bipolartransistor Feldeffekttransistor (FET) Mikroelektronische Bauelemente (integrierte Schaltkreise) Elementhalbleiter Übersicht Silicium als Halbleiterwerkstoff Kristallstruktur, Anforderungen an Silicium als Halbleiterwerkstoff Chemische Darstellung Physikalische Hochreinigung (Zonenschmelzen) Einkristallzüchtung Herstellung der Einkristallscheiben Silicium-Epitaxie Germanium als Halbleiterwerkstoff Verbindungshalbleiter Übersicht Kristallstruktur Einkristallzüchtung Epitaxie von A'"B V -Verbindungen Flüssigphasenepitaxie Gasphasenepitaxie Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) Anwendungen Werkstoffprobleme der Technologie der Mikroelektronik 221

6 Inhaltsverzeichnis Einführung Verfahrensschritte der Halbleitertechnologie im Scheibenprozeß (Zyklus 1) Schichtherstellung Strukturerzeugung Dotierung Verfahrensschritte der Montage mikroelektronischer Bauelemente (Zyklus 2) Aufgaben und Übersicht Rückseitenbearbeiten Chipbereitstellen Chipbonden Drahtbonden Simultanbonden Verkappen Endprozesse 258 Literaturhinweise Nichtleiterwerkstoffe Grundlagen Isolierstoffe Gase als Isolierstoffe Flüssige Isolierstoffe Feste Isolierstoffe Anorganische Isolierstoffe Organische Isolierstoffe Vergußmassen Dielektrika Definitionen und Kenngrößen Forderungen an Dielektrika Anorganische Dielektrika Oxidische Dielektrika Nichtoxidische anorganische Dielektrika Organische Dielektrika Hochpolymere Isolierlacke für Lackfilme Papier Paraelektrika Definitionen und Kenngrößen Forderungen an Paraelektrika Werkstoffübersicht Keramische Paraelektrika Werkstoffe Kondensatoren aus paraelektrischer Keramik Glas-Keramik-Systeme Ferroelektrika Definitionen und Eigenschaften Werkstoffübersicht Keramische und einkristalline Werkstoffe Werkstoffe für Kondensatoren mit hohen Dielektrizitätskonstanten Piezoelektrische Werkstoffe Elektrooptische Werkstoffe Pyroelektrische Werkstoffe 327

7 12 Inhaltsverzeichnis Werkstoffe für Elektrete Werkstoffe für Kaltleiter Herstellung keramischer Ferroelektrika Hochpolymere Ferroelektrika Ferroelektrische Polymere Polymere mit eingelagerter ferroelektrischer Keramik Elektrolytkondensatoren Nichtleiter als dünne Schichten Vitrokerame Weiterentwicklung der Nichtleiter 337 Literaturhinweise Magnetwerkstoffe Grundlagen Physikalische Ursachen der magnetischen Erscheinungen Magnetisches Feld und magnetische Feldgrößen Erscheinungsformen des Magnetismus Magnetische Bereichsstrukturen Elementarprozesse der magnetischen Polarisation Polarisationsvorgänge in kompakten Werkstoffen Polarisationsvorgänge in dünnen Schichten Permeabilität und Hystereseeigenschaften Kenngrößen magnetischer Werkstoffe Einfluß magnetischer Anisotropieenergien Einfluß der Werkstoffherstellung und-verarbeitung Einteilung der Magnetwerkstoffe Weichmagnetische Werkstoffe Metallische weichmagnetische Werkstoffe Werkstoffe für elektrische Maschinen, Transformatoren und Relais Werkstoffe für Spulenkerne und Übertrager Werkstoffe für Impulsübertrager Massekerne Weichmagnetische Ferrite Magnetisch halbharte Werkstoffe Hartmagnetische Werkstoffe Martensitische Stähle Fe Co V (Cr)-Legierungen AlNiCo-Legierungen Fe Cr Co-Legierungen Hartmagnetische Ferrite Seltenerdmetall Cobalt-Verbindungen Mn Al C-Legierungen Nd Fe B-Dauermagnete Magnetische Werkstoffe für spezielle Anwendungen Magnetische Werkstoffe für Abschirmungen Werkstoffe für Temperaturkompensation Werkstoffe mit höchster Sättigungspolarisation Nichtmagnetisierbare Stähle 394 Literaturhinweise 395

8 Inhaltsverzeichnis 13 7 Speicherwerkstoffe Magnetspeicher Magnetbandspeicher Kernspeicher Ebene magnetischer Speicherschichten Zylindrische magnetische Speicherelemente Diskettenspeicher Magnetblasenspeicher Ferroelektrische Speicher Optische Speicher Halbleiterspeicher Glashalbleiter-Speicher (Ovonics) Supraleitende Speicherelemente Kryoelektrische Speicher /(wepftttm-effekt-speicher Nadelton-Speicher 407 Literaturhinweise Werkstoffe für Wandler Mechanoelektrische Wandlung Kontrolle der Anwesenheit von Werkstücken und Erfassen ihrer Zahl Erfassen von Strecken ^ Erfassen von Flächen 4l Erfassen von Volumina Erfassen von Bewegungsgrößen Erfassen der Masse Erfassen der Kraft und des Drehmoments Erfassen der Viskosität Thermoelektrische Wandlung "" Punktförmige Temperaturmessung Flächenhafte Temperaturmessung Thermoelektrische Energiewandlung Optoelektrische Wandlung Erfassen der Beleuchtungsstärke Optoelektrische Energiewandlung Akustoelektrische Wandlung Magnetoelektrische Wandlung Chemoelektrische Wandlung Erfassen der Zusammensetzung von Gasen Erfassen der Zusammensetzung von Flüssigkeiten Erfassen der Zusammensetzung von Festkörpern Chemoelektrische Energiegewinnung Myoelektrische Wandlung 436 Literaturhinweise Werkstoffe für spezielle Funktionsaufgaben in der Elektrotechnik und Elektronik Werkstoffe für nichtlösbare Verbindungen Mechanisch beanspruchte Verbindungen Lotverbindungen Schweißverbindungen 445

9 14 Inhaltsverzeichnis Klebverbindungen Elektrisch hochwertige Verbindungen Drahtverbindungen Flächenverbindungen Werkstoffe für Ein-und Anschmelzungen Binäre Einschmelzlegierungen Ternäre Einschmelzlegierungen Werkstoffe für vakuumtechnische Bauteile Werkstoffe für Rezipienten Glaskolben und-teuer Metallausführung der Rezipienten Werkstoffe für Stützelemente Werkstoffe für Elektroden Gitterelektroden Anoden Werkstoffe für Katoden Glühemissionskatode Fotoemissionskatode Feldemissionskatode Sekundärelektronenemissionskatode Werkstoffe für Dampfquellen und Heizer Getterwerkstoffe Werkstoffe für Verschlußtechnik Federwerkstoffe Werkstoffe für die Mikromechanik Werkstoffe für den Korrosionsschutz Korrosionsarten Korrosionsschutz Galvanische Elemente Primärelemente (Trockenbatterien) Sekundärelemente (Akkumulatoren) Brennstoffelemente Solarelemente Werkstoffe für künftige Anwendungstechniken Amorphe Metalle und Halbleiter Grundsätzliches zum amorphen Zustand Zur Herstellung amorpher Metalle und Halbleiter Amorphe Metalle Amorphe Halbleiter Kohlenstoff-Werkstoffe Übersicht Kohlenstoff-Werkstoff Carbin Kohlenstoff-Werkstoff Graphit Weltraum-Metallurgie Untersuchungsmöglichkeiten unter Weltraumbedingungen Arbeiten im Weltraum und im Weltraumlabor Verbundwerkstoffe Grundsätzliches zum Aufbau Werkstoffbeispiele 481 Literaturhinweise 483 Sachwörterverzeichnis 485