Werkstoffe für die Elektrotechnik und Elektronik Von Dipl.-Chem. Rudi Racho, Dr.-Ing. Peter Kuklinski und Dr. paed. Ing. Konrad Krause Mit 216 Bildern, 118 Tabellen und 22 Anlagen VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig
Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Literaturverzeichnis 17 2. Innerer Aufbau und Eigenschaften der Werkstoffe 2.1. Struktur und Gefüge von Werkstoffen 19 2.1.1. Zum Strukturbegriff 19 2.1.2. Ideal-und Realstruktur; Gefüge 21 2.1.3. Hinweise zum inneren Aufbau 22 2.2. Elektronenstruktur 24 2.2.1. Elektronenhülle eines isolierten Atoms 24 2.2.1.1. Quantenzahlen,.. 24 2.2.1.2. Energiespektrum des isolierten Einzelatoms 25 2.2.2. Elektronensystem im Kristallgitter 26 2.2.2.1. Klassisches Elektronengas 26 2.2.2.2. FermiHches Elektronengas 28 2.2.2.3. Energiebändermodell und Energiebandstrukhir 30 2.2.2.4. Welle-Teilchen-Dualismus.. 35 2.2.2.5. Quasiteilchen 37 2.2.2.6. Elektronenstreuung und spezifischer elektrischer Widerstand. 38 2.2.2.7. Supraleitung 39 2.3. Orientierungsordnungen von magnetischen und elektrischen Momenten 43 2.3.1. Orientierungsordnungen von magnetischen Momenten.... 43 2.3.1.1. Zum Magnetisierungsbegriff 43 2.3.1.2. Atomarer Ursprung des Magnetismus 44 2.3.1.3. Struktureller Magnetismus; Ferro-und Ferrimagnetismus.. 48 2.3.2. Orientierungsordnungen von elektrischen Dipolen 50 2.3.2.1. Zum Polarisationsbegriff 50 2.3.2.2. Atomarer Ursprung der Polarisation 51 2.3.2.3. Ferroelektrizität.. 53
6 Inhaltsverzeichnis 2.4. Einfluß von Struktur und Gefüge auf die Eigenschaften 54 2.4.1. Prinzipielle Zusammenhänge 54 2.4.2. Beispiele 55 2.4.2.1. Einfluß des Gitterauf baus auf die Eigenschaften von Metallen 55 ' 2.4.2.2. Einfluß der strukturellen Unordnung auf die Eigenschaften von Metaller» 56 2.5. Beeinflussung der Eigenschaften 57 2.5.1. Einfluß der Herstellungs-und Verarbeitungsbedingungen.. 57 2.5.2. Einfluß der Bauteilgeometrie und -große 58 2.5.3. Einfluß der Umwelt- und Betriebsbedingungen 59 2.6. Prüfung der Werkstoffeigenschaften 60 2.6.1. Übersicht über Prüfverfahren. 60 2.6.2. Ausgewählte Werkstoffkenngrößen 62 2.6.2.1. Mechanische WerkstofFkenngrößen 62 2.6.2.2. Elektrische und magnetische Werkstoffkenngrößen 64 2.6.2.3. Thermische Werkstoffkenngrößen 66 Literaturverzeichnis 67 3. Konstruktionswerkstoffe 3.1. Einführung 69 3.2. Allgemeine Werkstoffübersicht..., 71 3.3. Anforderungen an Konstruktionswerkstoffe 75 3.4. Metallische Konstruktionswerkstoffe 79 3.4.1. Grundlagen 79 3.4.1.1. Veränderung der Eigenschaften durch Legieren 79 3.4.1.2. Veränderung der Eigenschaften durch Umformen 82 3.4.1.3. Veränderung der Eigenschaften durch Wärmebehandlung.. 85 3.4.2. Werkstoffübersicht 91. 3.4.3. Werkstoffbeschreibung und Anwendungsbeispiele '94 3.4.3.1. Eisenwerkstoffe 94 3.4.3.2. Nichteisenmetalle 101 3.5. Hochpolymere Konstruktionswerkstoffe 107 3.5.1. Grundlagen 107 3.5.1.1. Struktur und Zustandsbereiche der Plaste 107 3.5.1.2. Eigenschaften der Plaste 113 3.5.2. Werkstoffübersicht '.. 117 3.5.3. Werkstoffbeschreibung und Anwendungsbeispiele 121 3.5.3.1. Allgemeine Aspekte der Plastanwendung 121 3.5.3.2. Konstruktionsplaste 122 3.5.3.3. Spezielle Anwendungsbeispiele 125 Literaturverzeichnis 127
Inhaltsverzeichnis 7 4. Leiterwerkstoffe 4.1. Elektrische Leiter 129 4.1.1. Einführung 129 4.1.2. Grundlagen der elektrischen Leitung 131 4.1.2.1. Elektrische Leitfähigkeit 131 4.1.2.2. Einflußfaktoren auf die elektrische Leitfähigkeit 133 4.1.3. Anforderungen an elektrische Leiterwerkstoffe 139 4.1.4. Werkstoffübersicht 141 4.1.5. Anwendungsbeispiele 142 4.1.5.1. Werkstoffe für Kabel und Leitungen 142 4.1.5.2. Werkstoffe für supraleitende Kabel 148 4.1.5.3. Werkstoffe für Leiterbahnen von gedruckten Verdrahtungen. 152 4.1.5.4. Werkstoffe für Leitungsstrukturen der Mikroelektronik... 152 4.2. Lichtleiter '. 157 4.2.1. Grundlagen der Lichtleitung 157 4.2.2. Werkstoffübersicht 163 4.2.3. Anwendungsbeispiele 164 4.3. Wärmeleiter 165 4.3.1. Grundlagen der thermischen Transportvorgänge 166" 4.3.2. Thermische Transportvorgänge in elektrotechnischen und elektronischen Systemen 170 Literatur Verzeichnis 172 5. Widerstandswerkstoffe 5.1. Einführung 174 5.2. Grundlagen 175 5.2.1. Widerstandsverhalten von Legierungssystemen 175 5.2.2. Temperaturkoeffizient des Widerstandes 181 5.2.3. Thermospannung 183 5.2.4. Größeneffekt 185 5.3. Anforderungen an Widerstands Werkstoffe 186 5.4. Werkstoffübersicht 188 5.5. Anwendungsbeispiele 190 5.5.1. Werkstoffe für Präzisionswiderstände und Widerstandsnormale 190 5.5.2. Werkstoffe für Anlaß- und Stellwiderstände 193 5.5.3. Werkstoffe für Eest- und mechanisch veränderbare Widerstände 193
8 Inhaltsverzeichnis 5.5.4. Werkstoffe für Widerstandsnetzwerke in der Mikroelektronik. 197 5.5.5. Werkstoffe für Heizleiter 201 Literaturverzeichnis 203 6. Kontaktwerkstoffe 6.1. Einführung 205 6.2. Grundlagen 207 6.2.1. Kontaktwiderstand 207 6.2.2. Kontakttemperatur 210 6.2.3. Systematisierung von Entladungserscheinungen an Kontakten 212 6.2.4. Abbrand- und Verschweißerscheinungen 213 6.2.5. Werkstoffwanderung (Materialwanderung) 215 6.3. Anforderungen an Kontaktwerkstoffe 216 6.4. Werkstoffübersieht 219 6.5. Anwendungsbeispiele 222 6.5.1. Werkstoffe für Steckverbindungen 222 6.5.2. Werkstoffe für Druck-, Abhebe- bzw. Unterbrecherkonfakte. 223 6.5.3. Werkstoffe für Schleifkontakte 233 6.5.4. Werkstoffe für Lötverbindungen (LotWerkstoffe) 234 6.5.5. Werkstoffe für lötfreie Verbindungen 237 6.5.6. Werkstoffe für Kontaktierungen in der Mikroelektronik... 238 Literaturverzeichnis 240 7. Halbleiterwerkstoffe 7.1. Einführung 242 7.2. Arten der Halbleitung 243 7.2.1. i-leitung, Eigenleitung 244 7.2.2. Störleitung 248 7.2.2.1. n-leitung, Überschußleitung 248 7.2.2.2. p-leitung, Mangelleitung 250 7.2.3. Vergleich der Arten der Halbleitung 253 7.3. Werkstoffe für volumeneffektgesteuerte Halbleiterbauelemente.... 254 7.3.1. Grundlagen 254 7.3.1.1. Verhalten im elektrischen Feld 254 7.3.1.2. Verhalten im magnetischen Feld 259 7.3.1.3. Verhalten bei Erwärmung 260 7.3.1.4. Verhalten bei Belichtung 266 7.3.1.5. Verhalten in Abhängigkeit vom Dotierungsgrad 267
Inhaltsverzeichnis 9 7.3.2. Anforderungen an Werkstoffe für Volumenhalbleiter bauelemente 271 7.3.3. Werkstoffübersicht 272 7.3.4. Anwendungsbeispiele 275 7.3.4.1. Werkstoffe für Gwwn-Dioden 275 7.3.4.2. Werkstoffe für.ffazj-generatoren 275 7.3.4.3. Werkstoffe für temperaturabhängige Widerstände 276 7.3.4.4. Werkstoffe für spannungsabhängige Widerstände 277 7.3.4.5. Werkstoffe für Fotowiderstände 277 7.4. Werkstoffe für sperrschiehteffektgesteuerte Halbleiterbauelemente.. 278. 7.4.1. Grundlagen 278 7.4.1.1. Arten der Übergänge in Halbleiterbauelementen 278 7.4.1.2. Herstellung von p-n-übergängen 280 7.4.1.3. Unbelasteter p-n-übergang..' 283 7.4.1.4. Gleichrichtereffekt., 286 7.4.1.5. Durchbrucheffekte 290 7.4.1.6. Sperrschichtkapazität, Varaktoreffekt.... 292 7.4.1.7. Sperrschichtfotoeffekt 293 7.4.1.8. Elektrolumineszenzeffekt 294 7.4.2. Anforderungen an Werkstoffe für Sperrschichthalbleiterbauelemente 296 7.4.3. Werkstoffübersicht 297 7.4.4. Anwendungsbeispiele 298 7.4.4.1. Werkstoffe für Dioden, Transistoren und Halbleiterblockschaltkreise 298 7.4.4.2. Werkstoffe für Gleichrichter und Thyristoren....... 299 7.4.4.3. Werkstoffe für optoelektronische Sperrschichthalbleiterbauelemente 300 Literaturverzeichnis 304 8. Isolierstoffe 'und Dielektrika * 8.1. Einführung 305 8.2. Grundlagen 307 8.2.1. Verhalten im elektrischen Feld 307 8.2.1.1. Leitfähigkeitsverhalten 307 8.2.1.2. Einfluß der Polarisation auf die Eigenschaften 308 8.2.1.3. Durchschlagverhalten * 316 8.2.2. Wasseraufnahme und Wasserdampfdurchlässigkeit 320 8.3. Anforderungen an Isolierstoffe und Dielektrika 323 8.4. Werkstoffübersicht 325 8.5. Stofforientierte Beschreibung der Werkstoffhauptgruppen 327 8.5.1. Abgewandelte Naturstoffe Celluloseprodukte 327 8.5.2. Synthetische Hochpolymere 328
10 Inhaltsverzeichnis v 8.5.2.1. Duroplaste 329 8.5.2.2. Thermoplaste 335 8.5.2.3. Elaste 338 8.5.3. Isolierlacke 340 8.5.4. Keramische Isolierstoffe und Dielektrika 343 8.5.4.1. Einteilung und Zusammensetzung 343 8.5.4.2. Allgemeine Eigenschaften \.. 344 8.5.4.3. Elektrokeramik der Gruppe 100 345 8.5.4.4. Elektrokeramik der Gruppe 200 347 8.5.4.5. Elektrokeramik der Gruppe 300 348 8.5.4.6. Elektrokeramik der Gruppen 400 bis 700 349 8.5.4.7. Vitrokeramik 351 8.5.5. Glimmer und Asbest 352 8.5.6. Flüssige Isolierstoffe 355 8.5.6.1. Allgemeine Anforderungen 355 8.5.6.2. Natürliche flüssige Isolierstoffe 357 8.5.6.3. Synthetische flüssige Isolierstoffe 358 8.5.7. Gasförmige Isolierstoffe 360 8.5.7.1. Vergleich mit den flüssigen Isolierstoffen 360 8.5.7.2. Natürliche gasförmige Isolierstoffe 361 8.5.7.3. Synthetische gasförmige Isolierstoffe 362 8.6. Spezielle Anwendungsbeispiele 363 8.6.1. Isolierstoffe für Kabel und Leitungen 364 8.6.2. Basismaterialien für Leiterplatten und Trägerfilme 367 8.6.3. Kondensatorwerkstoffe (Dielektrika) 369 8.6.4. Isolierstoffe und Dielektrika in der Mikroelektronik 372 Literaturverzeichnis 376 9. Magnetwerkstoffe 9.1. Einführung 377 9.2. Grundlagen 379 9.2.1. Grundgrößen und-gleichungen 379 9.2.2. Vorgänge bei erstmaliger Magnetisierung 381 9.2.3. Hystereseschleife; Formen der Hystereseschleife 383 9.2.4. Arten der Permeabilität 387 9.2.5. Ummagnetisierungs verbal ten von Weichniagnetika..... 391 9.2.5.1. Magnetische Verluste 391 9.2.5.2. Verlustfaktor und Güte 393 9.2.5.3. Induktivitätsfaktor (J. L -Wert) 396 9.2.6. Entmagnetisierungsverhalten von Hartmagnetika 397 9.2.7. Beeinflussung magnetischer Eigenschaften 400 9.217.1. Beeinflussung durch Anisotropieerscheinungen 400 9.2.7.2. Beeinflussung durch Betriebs- und Umgebungsbedingungen. 404
Inhaltsverzeichnis 11 9.3. Anforderungen an Magnetwerkstoffe 408 9.4. Werkstoffübersicht... 411 9.5. Anwendungsbeispiele 415 9.5.1. Werkstoffe für Transformatoren- und Dvnamobleche (Elektrobleche) * 415 9.5.2. Werkstoffe für Spulen- und Übertragerkerne 421 9.5.3. Werkstoffe zur Informationsspeicherung 428 9.5.4. Werkstoffe für Relaiskerne 434 9.5.5. Werkstoffe für Abschirmungen 435 9.5.6. Werkstoffe für Dauermagnete 436 Literaturverzeichnis '. 440 Übungen 442 Anlagen 454 Standardverzeichnis 477 Sachwörterverzeichnis 482 /