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
Inhaltsverzeichnis 0 Einführung: Atome, Moleküle, Festkörper - 15 0.1 Atome 7 15 0.1.1 Zugang zum Aufbau der Atomhülle: Die Quantenmechanik 15 0.1.2 Die Schrödinger-Gleichung, 17 0.1.3 Das Wasserstoff-Atom 18 0.1.4 Pau/i-Prinzip und Austausch-Wechselwirkung 21 0.1.5 Die Struktur der Atomhülle 24 0.2 Moleküle 27 0.2.1 Das H 2 -Molekül 27 0.2.2 Die Valenz.. 29 0.2.3 Bindungstypen 30 0.3 Festkörper 33 0.3.1 Ideale Kristalle 37 0.3.1.1 Zusammenhang von chemischer Bindung und Kristallstruktur 37 0.3.1.2 Die elektronische Struktur 41 0.3.1.3 Die magnetische Struktur 43 0.3.1.4 Anregungen 45 0.3.2 Ungeordnete Festkörper 47 Literaturhinweise 49 1 Leiterwerkstoffe 50 1.1 Grundlagen 50 1.2 Elektrische Leitfähigkeit der Metalle 53 1.2.1 OAmsches Gesetz 54 1.2.2 Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit der Metalle 55 1.2.3 Einfluß des Probendurchmessers auf die elektrische Leitfähigkeit 57 1.2.4 Kristallbaufehler und elektrische Leitfähigkeit 57 1.2.4.1 Nulldimensionale Kristallbaufehler 58 1.2.4.2 Eindimensionale Kristallbaufehler 62 1.2.4.3 Zweidimensionale Kristallbaufehler 63 1.2.4.4 Dreidimensionale Kristallbaufehler 63 1.2.5 Schlußfolgerungen für die Werkstoffauswahl 66 1.3 Leiterwerkstoffe auf Kupferbasis '68 1.3.1 Reines Kupfer 68 1.3.2 Binäre Kupferleitlegierungen 70 1.3.3 Mehrkomponenten-Kupferleitlegierungen 71 1.4 Leiterwerkstoffe auf Aluminiumbasis 71
8 Inhaltsverzeichnis 1.4.1 Reines Aluminium 71 1.4.2 Binäre Aluminiumleitlegierungen 74 1.4.3 Kupferbeschichtetes Aluminium 75 1.5 Leiterwerkstoffe auf Goldbasis 77 1.6 Leiterwerkstoffe auf Silberbasis 78 1.7 Eindimensionale Leiter 79 1.8 Flächenleiterwerkstoffe 80 1.8.1 Werkstoffe der Leiterplattentechnik 81 1.8.1.1 Träger oder Substrat. " 83 1.8.1.2 Leiterschicht 84 1.8.1.3 Verbindungs-oder Haftschicht 87 1.8.1.4 Isolationsschicht 87 1.8.1.5 Veredlungsschicht ; 87 1.8.1.6 Schutz-oder Abdeckschicht 87 1.8.1.7 Leiterplatten-Herstellung 87 1.8.2 Werkstoffe der Dickschichttechnik 88 1.8.2.1 Werkstoffe für Träger oder Substrat 88 1.8.2.2 Werkstoffe für Dickschicht-Leitbahnen 89 1.8.2.3 Herstellung der Dickschichtelemente 89 1.8.3 Werkstoffe der Dünnschichttechnik 90 1.8.3.1 Substratwerkstoffe 90 1.8.3.2 Leitbahnwerkstoffe der Dünnschichttechnik 90 1.8.3.3 Herstellung der Dünnschichtelemente 91 1.9 Supraleiter 92 1.9.1 Supraleitfähigkeit 92 1.9.2 Supraleiter 1. Art 94 1.9.3 Supraleiter 2. Art 96 1.9.4 Supraleitende Werkstoffe 97 1.9.4.1 Supraleitende Elemente 98 1.9.4.2 Verformbare supraleitende Legierungen 98 1.9.4.3 Supraleitende intermetallische Verbindungen 101 1.9.4.4 Hochtemperatursupraleiter 102 1.9.5 Herstellung supraleitender Werkstoffe 105 1.9.5.1 Herstellung metallischer Supraleiter 105 1.9.5.2 Herstellung von Hochtemperatursupraleitern 109 1.9.6 Anwendung supraleitender Werkstoffe 110 1.9.6.1 Supraleitende Magnete 110 1.9.6.2 Supraleitende Kabel 112 1.9.6.3 Anwendung und anwendungsbezogene Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern 112 1.10 Elektrodenwerkstoffe 113 1.10.1 Definition 113 1.10.2 Einteilung der Elektrodenwerkstoffe 113 1.10.3 Kohlenstoffwerkstoffe 118 1.10.3.1 Eigenschaften.. 118 1.10.3.2 Herstellung. 121 1.10.3.3 Kennwerte und Anwendungshinweise 122 1.10.4 Werkstoffe für dimensionsstabile Anoden (DSA) 124 1.10.4.1 Eigenschaften und Aufbau.. '.- 124 1.10.4.2 Herstellung 124 1.10.4.3 Anwendungshinweise 126
Inhaltsverzeichnis 1.10.5 Entwicklungstendenzen 127 1.11 Lichtleiter 127 1.11.1 Grundlagen 128 1.11.2 Werkstoffauswahl und Herstellung 129 1.11.2.1 Anorganische Gläser für Lichtleitfasern 129 1.11.2.2 Organische Gläser für Lichtleitfasern 131 Literaturhinweise 132 2 Kontaktwerkstoffe 135 2.1 Grundlagen 135 2.2 Kontakteigenschaften 135 2.2.1 Kontaktwiderstand 136 2.2.2 Verschleiß elektrischer Kontakte 137 2.2.2.1 Mechanischer Verschleiß 137 2.2.2.2 Elektrischer Verschleiß 138 2.2.2.3 Verschleiß durch Korrosion 139 2.2.3 Schweißverhalten 140 2.3 Werkstoffe für Kontakte 140 2.3.1 Allgemeine Anforderungen an Kontaktwerkstoffe 140 2.3.2 Werkstoffauswahl in Abhängigkeit von der Schaltleistung 141 2.3.2.1 Werkstoffe für niedrige Schaltleistungen 141 2.3.2.2 Werkstoffe für mittlere Schaltleistungen.142 2.3.2.3 Werkstoffe für hohe Schaltleistungen 146 2.3.3 Auswahl der Werkstoffe nach dem Entladungsverhalten 148 2.3.4 Maßnahmen zum Einsparen von Edelmetall 148 2.3.5 Werkstoffe für Kontakte in der Computertechnik und Mikroelektronik... 149»Literaturhinweise 149 3 Widerstandswerkstoffe 150 3.1 Grundlagen 150 3.2 Werkstoffe für Drahtwiderstände (DIN 44 185) 153 3.2.1 Präzisionswiderstände 155 3.2.2 Chemisch stabile Widerstände 155 3.3 Werkstoffe für Schichtwiderstände (DIN 44 050). 155 3.3.1 Eigenschaften der Werkstoffe als Schichten. 155 3.3.2 Werkstoffe für Dickschichtwiderstände 157 3.3.3 Werkstoffe für Dünnschichtwiderstände (DIN 44 061).159 3.3.4 " Kohlenstoffwerkstoffe für Schichtwiderstände (DIN 44 051 bis 44 054)... 161 3.3.5 Werkstoffe für Metalloxid-Schichtwiderstände (DIN 44 063)....... 162 3.4 Werkstoffe für Massewiderstände 162 3.4.1 Werkstoffeigenschaften 162 3.4.2 Massewiderstände auf SiC-Basis 162 3.4.3 Massewiderstände auf BaTiO 3 -Basis (PTC-Thermistoren; DIN 44 080)... 164 3.4.4 Massewiderstände auf Fe 2 O 3 NiO-Bäsis (NTC-Thermistoren; DIN 44 070).. 165 3.4.5 Massewiderstände auf Kohlenstoffbasis (DIN 44 054) 166 3.5 Werkstoffe für diffundierte Widerstände auf Halbleiterbasis (Integrierte Widerstände) 167 3.6 Widerstandswerkstoffe für Sonderfunktionen. 167 3.6.1 Druckabhängige Widerstandswerkstoffe (Dehnmeßstreifen).167 3.6.2 Thermisch hochbelastbare Widerstandswerkstoffe (Heizleiter) 168 3.6.3 Magnetfeldabhängige Widerstandswerkstoffe 170
10 Inhaltsverzeichnis 3.6.4 Lichtabhängige Widerstandswerkstoffe (DIN 44 020) 170 3.7 Werkstoffe für veränderbare Widerstände (DIN 41 450) 170 Literaturhinweise 171 4 Halbleiterwerkstoffe 172 4.1 Grundlagen 172 4.1.1 Definition und Arten von Halbleitern 172 4.1.2 Eigenleitung 173 4.1.2.1 Energiebänder- und Valenzbandmodell 173 4.1.2:2 Konzept der «negativen effektiven Masse» 174 4.1.2.3 Verfeinerte Bandstruktur 177 4.1.2.4 Temperaturabhängigkeit der Eigenleitung 177 4.1.2.5 Fotoleitung, Generation und Rekombination von Ladungsträgerpaaren... 178 4.1.2.6 Lumineszenz 179 4.1.3 Störstellenleitung 179 4.1.3.1 Bänder-und Valenzbandmodell für die «-Leitung 180 4.1.3.2 Bänder- und Valenzbandmodell für die p-leitung 181 4.1.3.3 Majoritäts-und Minoritätsträger 182 4.1.3.4 ffö/zeffekt. 182 4.1.3.5 Temperaturabhängigkeit der Störstellenleitung 183 4.1.3.6 Rekombinationszentren, Trap- und Grenzflächenzustände 184 4.2 Halbleiterbauelemente 185 4.2.1 pn-übergang 185 4.2.2 pn-diode 187 4.2.2.1 Funktionsmechahismus und Kennlinienverhalten 187 4.2.2.2 Anwendungen der pn-dioden 189 4.2.3 Transistor - Grundelement integrierter Schaltungen 193 4.2.3.1 Bipolartransistor 193 4.2.3.2 Feldeffekttransistor (FET) 195 4.2.4 Mikroelektronische Bauelemente (integrierte Schaltkreise) 198 4.3 Elementhalbleiter 200 4.3.1 Übersicht 200 4.3.2 Silicium als Halbleiterwerkstoff 200 4.3.2.1 Kristallstruktur,. 200 4.3.2.2 Anforderungen an Silicium als Halbleiterwerkstoff 201 4.3.2.3 Chemische Darstellung 203 4.3.2.4 Physikalische Hochreinigung (Zonenschmelzen) 204 4.3.2.5 Einkristallzüchtung 206 4.3.2.6 Herstellung der Einkristallscheiben 207 4.3.2.7 Silicium-Epitaxie 209 4.3.3 Germanium als Halbleiterwerkstoff 211 4.4 Verbindungshalbleiter 212 4.4.1 Übersicht 212 4.4.2 Kristallstruktur 213 4.4.3 Einkristallzüchtung 214 4.4.4 Epitaxie von A'"B V -Verbindungen 216 4.4.4.1 Flüssigphasenepitaxie 216 4.4.4.2 Gasphasenepitaxie 217 4.4.4.3 Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) 218 4.4.5 Anwendungen 218 4.5 Werkstoffprobleme der Technologie der Mikroelektronik 221
Inhaltsverzeichnis 11 4.5.1 Einführung 221 4.5.2 Verfahrensschritte der Halbleitertechnologie im Scheibenprozeß (Zyklus 1).. 225 4.5.2.1 Schichtherstellung 225 4.5.2.2 Strukturerzeugung 230 4.5.2.3 Dotierung 233 4.5.3 Verfahrensschritte der Montage mikroelektronischer Bauelemente (Zyklus 2). 240 4.5.3.1 Aufgaben und Übersicht 240 4.5.3.2 Rückseitenbearbeiten 240 4.5.3.3 Chipbereitstellen 242 4.5.3.4 Chipbonden 245 4.5.3.5 Drahtbonden 248 4.5.3.6 Simultanbonden 253 4.5.3.7 Verkappen 255 4.5.3.8 Endprozesse 258 Literaturhinweise 259 5 Nichtleiterwerkstoffe 261 5.1 Grundlagen 261 5.2 Isolierstoffe 267 5.2.1 Gase als Isolierstoffe 267 5.2.2 Flüssige Isolierstoffe 269 5.2.3 Feste Isolierstoffe 271 5.2.3.1 Anorganische Isolierstoffe 272 5.2.3.2 Organische Isolierstoffe. 282 5.2.4 Vergußmassen 298 5.3 Dielektrika 300 5.3.1 Definitionen und Kenngrößen 300 5.3.2 Forderungen an Dielektrika 302 5.3.3 Anorganische Dielektrika 302 5.3.3.1 Oxidische Dielektrika 302 5.3.3.2 Nichtoxidische anorganische Dielektrika 303 5.3.4 Organische Dielektrika 303 5.3.4.1 Hochpolymere. 303 5.3.4.2 Isolierlacke für Lackfilme 306 5.3.4.3 Papier 307 5.4 Paraelektrika 308 5.4.1 Definitionen und Kenngrößen 308 5.4.2 Forderungen an Paraelektrika 308 5.4.3 Werkstoffübersicht 308 5.4.4 Keramische Paraelektrika 308 5.4.4.1 Werkstoffe 308 5.4.4.2 Kondensatoren aus paraelektrischer Keramik 310 5.4.5 Glas-Keramik-Systeme 312 5.5 Ferroelektrika 313 5.5.1 Definitionen und Eigenschaften 313 5.5.2 Werkstoffübersicht 316 5.5.3 Keramische und einkristalline Werkstoffe 316 5.5.3.1 Werkstoffe für Kondensatoren mit hohen Dielektrizitätskonstanten.... 316 5.5.3.2 Piezoelektrische Werkstoffe 320 5.5.3.3 Elektrooptische Werkstoffe 326 5.5.3.4 Pyroelektrische Werkstoffe 327
12 Inhaltsverzeichnis 5.5.3.5 Werkstoffe für Elektrete 328 5.5.3.6 Werkstoffe für Kaltleiter 329 5.5.3.7 Herstellung keramischer Ferroelektrika 329 5.5.4 Hochpolymere Ferroelektrika 330 5.5.4.1 Ferroelektrische Polymere 330 5.5.4.2 Polymere mit eingelagerter ferroelektrischer Keramik 331 5.6 Elektrolytkondensatoren 332 5.7 Nichtleiter als dünne Schichten 334 5.8 Vitrokerame 336 5.9 Weiterentwicklung der Nichtleiter 337 Literaturhinweise 338 6 Magnetwerkstoffe 340 6.1 Grundlagen 340 6.1.1 Physikalische Ursachen der magnetischen Erscheinungen 340 6.1.1.1 Magnetisches Feld und magnetische Feldgrößen 340 6.1.1.2 Erscheinungsformen des Magnetismus 342 6.1.2 Magnetische Bereichsstrukturen 349 6.1.3 Elementarprozesse der magnetischen Polarisation 352 6.1.3.1 Polarisationsvorgänge in kompakten Werkstoffen 352 6.1.3.2 Polarisationsvorgänge in dünnen Schichten 354 6.1.4 Permeabilität und Hystereseeigenschaften 355 6.1.4.1 Kenngrößen magnetischer Werkstoffe 355 6.1.4.2 Einfluß magnetischer Anisotropieenergien 362 6.1.4.3 Einfluß der Werkstoffherstellung und-verarbeitung 365 6.1.4.4 Einteilung der Magnetwerkstoffe 366 6.2 Weichmagnetische Werkstoffe 367 6.2.1 Metallische weichmagnetische Werkstoffe 368 6.2.1.1 Werkstoffe für elektrische Maschinen, Transformatoren und Relais..... 368 6.2.1.2 Werkstoffe für Spulenkerne und Übertrager 374 6.2.1.3 Werkstoffe für Impulsübertrager 380 6.2.2 Massekerne 382 6.2.3 Weichmagnetische Ferrite 383 6.3 Magnetisch halbharte Werkstoffe 386 6.4 Hartmagnetische Werkstoffe 387 6.4.1 Martensitische Stähle 390 6.4.2 Fe Co V (Cr)-Legierungen 390 6.4.3 AlNiCo-Legierungen 390 6.4.4 Fe Cr Co-Legierungen 391 6.4.5 Hartmagnetische Ferrite 392 6.4.6 Seltenerdmetall Cobalt-Verbindungen 392 6.4.7 Mn Al C-Legierungen 392 6.4.8 Nd Fe B-Dauermagnete. 393 6.5 Magnetische Werkstoffe für spezielle Anwendungen 393 6.5.1 Magnetische Werkstoffe für Abschirmungen 393 6.5.2 Werkstoffe für Temperaturkompensation 394 6.5.3 Werkstoffe mit höchster Sättigungspolarisation 394 6.6 Nichtmagnetisierbare Stähle 394 Literaturhinweise 395
Inhaltsverzeichnis 13 7 Speicherwerkstoffe 397 7.1 Magnetspeicher 399 7.1.1 Magnetbandspeicher 399 7.1.2 Kernspeicher 401 7.1.3 Ebene magnetischer Speicherschichten 402 7.1.4 Zylindrische magnetische Speicherelemente 402 7.1.5 Diskettenspeicher 403 7.1.6 Magnetblasenspeicher 403 7.2 Ferroelektrische Speicher 404 7.3 Optische Speicher 404 7.4 Halbleiterspeicher 405 7.5 Glashalbleiter-Speicher (Ovonics) 406 7.6 Supraleitende Speicherelemente 406 7.6.1 Kryoelektrische Speicher 406 7.6.2 /(wepftttm-effekt-speicher 407 7.7 Nadelton-Speicher 407 Literaturhinweise 407 8 Werkstoffe für Wandler 408 8.1 Mechanoelektrische Wandlung 408 8.1.1 Kontrolle der Anwesenheit von Werkstücken und Erfassen ihrer Zahl.... 409 8.1.2 Erfassen von Strecken 414 8.1.3 ^ Erfassen von Flächen 4l7 8.1.4 Erfassen von Volumina 417 8.1.5 Erfassen von Bewegungsgrößen 417 8.1.6 Erfassen der Masse 418 8.1.7 Erfassen der Kraft und des Drehmoments 419 8.1.8 Erfassen der Viskosität 423 8.2 Thermoelektrische Wandlung 423 8.2.1 "" Punktförmige Temperaturmessung 423 8.2.2 Flächenhafte Temperaturmessung 428 8.2.3 Thermoelektrische Energiewandlung 428 8.3 Optoelektrische Wandlung 430 8.3.1 Erfassen der Beleuchtungsstärke 430 8.3.2 Optoelektrische Energiewandlung 430 8.4 Akustoelektrische Wandlung 431 8.5 Magnetoelektrische Wandlung 432 8.6 Chemoelektrische Wandlung 433 8.6.1 Erfassen der Zusammensetzung von Gasen 433 8.6.2 Erfassen der Zusammensetzung von Flüssigkeiten 434 8.6.3 Erfassen der Zusammensetzung von Festkörpern 435 8.6.4 Chemoelektrische Energiegewinnung 436 8.7 Myoelektrische Wandlung 436 Literaturhinweise 437 9 Werkstoffe für spezielle Funktionsaufgaben in der Elektrotechnik und Elektronik 438 9.1 Werkstoffe für nichtlösbare Verbindungen 438 9.1.1 Mechanisch beanspruchte Verbindungen 438 9.1.1.1 Lotverbindungen. 438 9.1.1.2 Schweißverbindungen 445
14 Inhaltsverzeichnis 9.1.1.3 Klebverbindungen 447 9.1.2 Elektrisch hochwertige Verbindungen 447 9.1.2.1 Drahtverbindungen 447 9.1.2.2 Flächenverbindungen 447 9.2 Werkstoffe für Ein-und Anschmelzungen 449 9.2.1 Binäre Einschmelzlegierungen. 449 9.2.2 Ternäre Einschmelzlegierungen 451 9.3 Werkstoffe für vakuumtechnische Bauteile 452 9.3.1 Werkstoffe für Rezipienten 452 9.3.1.1 Glaskolben und-teuer 452 9.3.1.2 Metallausführung der Rezipienten 453 9.3.2 Werkstoffe für Stützelemente 455 9.3.3 Werkstoffe für Elektroden 455 9.3.3.1 Gitterelektroden 455 9.3.3.2 Anoden 455 9.3.4 Werkstoffe für Katoden 456 9.3.4.1 Glühemissionskatode 457 9.3.4.2 Fotoemissionskatode 458 9.3.4.3 Feldemissionskatode 458 9.3.4.4 Sekundärelektronenemissionskatode 458 9.3.5 Werkstoffe für Dampfquellen und Heizer 459 9.3.6 Getterwerkstoffe 460 9.4 Werkstoffe für Verschlußtechnik 460 9.5 Federwerkstoffe 462 9.6 Werkstoffe für die Mikromechanik 464 9.7 Werkstoffe für den Korrosionsschutz 466 9.7.1 Korrosionsarten 466 9.7.2 Korrosionsschutz 467 9.8 Galvanische Elemente 467 9.8.1 Primärelemente (Trockenbatterien) 468 9.8.2 Sekundärelemente (Akkumulatoren) 470 9.8.3 Brennstoffelemente.472 9.8.4 Solarelemente 472 9.9 Werkstoffe für künftige Anwendungstechniken 473 9.9.1 Amorphe Metalle und Halbleiter 473 9.9.1.1 Grundsätzliches zum amorphen Zustand 473 9.9.1.2 Zur Herstellung amorpher Metalle und Halbleiter 474 9.9.1.3 Amorphe Metalle 474 9.9.1.4 Amorphe Halbleiter 476 9.9.2 Kohlenstoff-Werkstoffe 476 9.9.2.1 Übersicht 476 9.9.2.2 Kohlenstoff-Werkstoff Carbin 476 9.9.2.3 Kohlenstoff-Werkstoff Graphit 477 9.9.3 Weltraum-Metallurgie 478 9.9.3.1 Untersuchungsmöglichkeiten unter Weltraumbedingungen 478 9.9.3.2 Arbeiten im Weltraum und im Weltraumlabor 479 9.9.4 Verbundwerkstoffe 480 9.9.4.1 Grundsätzliches zum Aufbau 480 9.9.4.2 Werkstoffbeispiele 481 Literaturhinweise 483 Sachwörterverzeichnis 485