ELEKTROTECHNOLOGIE VÝROBA ELEKTROTECHNICKÝCH MATERIÁLŮ S PŘEDEM URČENÝMI VLASTNOSTMI

ŘÍZENÍ VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ VÝROBA ELEKTROTECHNICKÝCH MATERIÁLŮ JE POČÁTEČNÍ FÁZÍ VÝROBY SOUČÁSTEK A VŠEHO, CO SE V ELEKTROTECHNICE A ELEKTRONICE POUŽÍVÁ POČÁTKY ELEKTROTECHNICKÉ VÝROBY – metoda pokusů a omylů, náhodné získávání vhodných materiálů a následné jejich zkoumání SOUČASNÁ ELEKTROTECHNICKÁ VÝROBA - získávání materiálů s předem stanovenými požadovanými vlastnostmi ZÁKLADNÍ ÚROVEŇ – záměrná změna vlastností materiálů NEJVYŠŠÍ ÚROVEŇ – výroba materiálů s předem určenými vlastnostmi – tzv. „NA MÍRU“

VLASTNOSTI MATERIÁLŮ JSOU PŘEDURČENY - SLOŽENÍM – základní látky, jejich slitiny, chemické sloučeniny, směsi, kompozitní materiály … - STRUKTUROU – pevné látky = krystalické, polykrystalické, amorfní, polymery – kapalné a plynné látky (amorfní) ŘÍZENÍ VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ (metody) - ZMĚNOU SLOŽENÍ - ZMĚNOU STRUKTURY - ZMĚNOU SLOŽENÍ I STRUKTURY SOUBĚŽNĚ

METODA – ZMĚNA SLOŽENÍ PODSTATA – záměrná úprava složení výsledného materiálu pro dosažení optimálních vlastností výchozího materiálu pro další zpracování SOUVISEJÍCÍ POJMY - KOMBINACE NĚKOLIKA LÁTEK = materiály dvou, tří a vícesložkové - CHEMICKÉ SLOUČENINY = materiály vzniklé chemickou reakcí - SMĚSI = smíchání několika látek bez chemické reakce - stejnorodé (homogenní )- rovnoměrné rozdělení látek - nestejnorodé (nehomogenní) – nerovnoměrné rozdělení - KOMPOZITNÍ MATERIÁLY = několikasložkové nestejnorodé materiály (každá složka plní zvláštní funkci) - NEČISTOTY = nežádoucí látky ve výchozím materiálů - PŘÍMĚSI = záměrně přidávané látky do výchozího čistého materiálu (také přísady, příměsi legury, aditiva, další funkční názvy)

VÝHODY A NEVÝHODY METODY A) VÝHODY - lze řídit všechny vlastnosti materiálů - nevyčerpatelné množství kombinací výchozích látek - možnost vytvářet zcela nové materiály - výsledný materiál může mít vlastnosti, které nemá žádný výchozí - dosažení velkých změn vlastností nepatrným množstvím příměsí B) NEVÝHODY - zdlouhavý, pracný a nákladný výzkum a vývoj - zlepšení jedné vlastnosti může zhoršit jinou vlastnost - řízení jedné vlastnosti ovlivňuje celý soubor jiných vlastností ZÁVĚR PŘI ŘÍZENÍ VLASTNOSTÍ JE TŘEBA HLEDAT OPTIMÁLNÍ ŘEŠENÍ – co nejlepší nové a co nejméně zhoršené původní vlastnosti

NĚKTERÉ PŘÍKLADY ZVLÁŠTNÍ NÁZVY PRO PŘÍMĚSI - změkčovadlo – příměs do PVC (plastičnost při nižší teplotě) - antioxidanty – zabraňují oxidaci, korozi - urychlovače, akcelerátory – zrychlení chemických reakcí ZCELA NOVÉ VLASTNOSTI - sloučenina Nb 3 Sn = téměř nulový odpor do t = cca 18°K - beryliový bronz = nepatrné množství berylia – 4x větší pevnost v tahu než tvrdá měď - přísada 0,1% Ag do Cu = změna rekrystalizační teploty ( °C) PROTICHŮDNÉ VLASTNOSTI - zlepšení elektrické vodivosti vodičů = zhoršení mechanické pevnosti a naopak

TECHNOLOGICKÉ PROCESY METODY A) ČIŠTĚNÍ VÝCHOZÍCH LÁTEK - vede k dosažení základních vlastností výchozích materiálů - dosažení výchozí čistoty = podmínka pro řízení vlastností pomocí příměsí (např. polovodiče – Ge 99, %, Si ještě čistší) PRVNÍ STÁDIUM – chemické procesy DALŠÍ POSTUP – procesy fyzikálního čištění NEJČASTĚJŠÍ POUŽÍVANÉ METODY - metoda elektrolytického čištění - metoda pásmového tavení (pásmová rafinace)

SCHÉMA METOD ČIŠTĚNÍ ELEKTROLYTICKÉ ČIŠTĚNÍ 1- kladná elektroda 2- záporná elektroda 3- čištěný materiál 4- ionty nečistoty PÁSMOVÉ TAVENÍ 1- tuhá fáze ingotu 2- indukční pec - tavení 3- kapalná fáze 4- posun ingotu pecí 5- vyčištěná část ingotu 6- zbytek s nečistotami

METODA ELEKTROLYTICKÉHO ČIŠTĚNÍ - založena na disociaci nečistot na ionty - dlouhodobým působením stejnosměrného proudu se ionty nečistot usazují na elektrodách, neutralizují se a výchozí materiál se čistí - např. - čištění Cu, Al na výchozí materiál pro vodiče (ECu,EAl), - první fáze čištění polovodičů METODA PÁSMOVÉHO TAVENÍ (zonální rafinace) - založena na rozdílné rozpustnosti nečistot v pevné a kapalné fázi čištěných látek - materiál v tuhé fázi se ve vaně z vhodného materiálu postupně posouvá pecí s indukčním ohřevem. Část materiálu je tak natavena a v ní se soustřeďují nečistoty. Opakováním procesu se materiál čistí a nečistoty se soustředí v části, která byla poslední v kapalné fázi. Ta se odřízne. - např. čištění polovodičů na výchozí čistotu

B) VNÁŠENÍ PŘÍMĚSÍ - při výrobě kovových materiálů nejčastěji SLITINOVÁ TECHNOLOGIE výchozí materiály se roztaví na stejnorodou směs a následně se převedou na tuhou fázi - při výrobě polovodičů podle požadavků na vlastnosti DIFUZNÍ TECHNOLOGIE vyrovnávání koncentrace částic výchozích materiálů při zvýšené teplotě EPITAXNÍ NARŮSTÁNÍ narůstání částic materiálu požadovaných vlastností na materiál výchozí (chemická reakce halogenů polovodičů a podložky) IONTOVÁ IMPLANTACE pronikání iontů požadovaného materiálu do výchozího působením silného elektrického pole a zvýšené teploty - při výrobě kompozitních materiálů – lisování, lepení, prášková metalurgie

VLASTNOSTI ŘÍZENÉ SLOŽENÍM VODIČE - elektrická vodivost, mechanická pevnost, bod tání … POLOVODIČE - rezistivita, druh vodivosti, šířka zakázaného pásu … IZOLANTY A DIELEKTRIKA - mechanické vlastnosti polymerů, hořlavost, snadnost a rychlost zpracování (ředidla laků, tužidla …) … MAGNETICKÉ MATERIÁLY - rezistivita plechů, Curieův bod, magnet. indukce nasycení …

METODA – ZMĚNA STRUKTURY PODSTATA – záměrná úprava struktury výsledného materiálu pro dosažení optimálních vlastností výchozího materiálu pro další zpracování SOUVISEJÍCÍ POJMY - MIKROSTRUKTURA = uspořádání atomů, iontů, molekul /* - MAKROSTRUKTURA = uspořádání krystalů, vrstev, vláken, domén - DIPÓLOVÝ MOMENT = vektor dvojice opačných nábojů (C*m) - KRYSTALICKÁ STRUKTURA = pravidelně uspořádané částice (/*) - MONOKRYSTALY = nejdokonalejší krystaly (téměř ideální) - KRYSTALITY = oblasti nepravidelného tvaru – krystalová zrna - POLYKRYSTALY = látky tvořené krystality (jemná, hrubá struktura) - AMORFNÍ LÁTKY = částice nejsou uspořádány do krystalů VLASTNOSTI MONOKRYSTALŮ ZÁVISÍ NA SMĚRU (anizotropie) VLASTNOSTI POLYKRYSTALICKÝCH LÁTEK NE (izotropie) !

DALŠÍ DŮLEŽITÉ POJMY ( KRYSTALY ) - GEOMETRICKÉ TŘÍDĚNÍ KRYSTALŮ– krystalografické soustavy - FYZIKÁLNĚCHEMICKÉ TŘÍDĚNÍ KRYSTALŮ = kovové – v uzlech kladné ionty, mezi nimi volné elektrony = kovalentní (atomové) – atomy v mřížce spojeny společnými elektrony = iontové – mřížka z opačně nabitých iontů = molekulové – mřížka z molekul, slabá mezimolekulová vazba = směsné – krystaly, kde základní částice jsou zčásti nahrazeny jinými, také tzv. tuhý roztok - TUHÝ ROZTOK = substituční – cizí částice v uzlech krystalové mřížky = intersticiální – cizí částice v mezerách mezi uzly

MAKROMOLEKULÁRNÍ LÁTKY - POLYMERY - zvláštní struktura = látky tvořené makromolekulami MAKROMOLEKULA - molekula složená z velkého počtu kovalentně vázaných atomů s relativní molekulovou hmotností nejméně 2000 – 5000, horní hranice není stanovena LINEÁRNÍ POLYMERY - dlouhé řetězce makromolekul přímé nebo rozvětvené - mají slabou mezimolekulovou vazbu, s vyšší teplotou měknou, jsou tvárné - TERMOPLASTY PROSTOROVÉ POLYMERY - vzájemně prostorově vázané makromolekuly - proces polymerace – tzv. vytvrzování, nevratný stav, lze je opracovávat - REAKTOPLASTY

TECHNOLOGICKÉ PROCESY METODY ZÁKLADNÍ TECHNOLOGIE – TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ - výchozí látka se přivede do kapalné fáze (amorfní struktura) zahřátím na bod tání - dalšími technologickými operacemi se vytvoří pevná látka požadované struktury = amorfní látka = krystalická látka = monokrystal VYUŽITÍ ZEJMÉNA U KOVOVÝCH MATERIÁLŮ

TECHNOLOGICKÉ OPERACE A) KALENÍ - zahřátí materiálu na teplotu tání a následné prudké zchlazení - materiál nestačí krystalizovat, vzniká amorfní struktura nebo amorfní struktura s podílem krystalické složky - vzniká úplný nebo částečný rovnovážný stav jako při vyšší teplotě - zvláštní případ – kalení oceli pro dosažení větší tvrdosti, = větší tvrdost, přitom vzniká velké vnitřní pnutí B) POPOUŠTĚNÍ - zahřátí na popouštěcí teplotu (podle materiálu), setrvání na ní po požadovanou dobu a pomalé ochlazování - odstraňuje vnitřní pnutí materiálu

C) ŽÍHÁNÍ - zahřátí na teplotu žíhání (podle materiálu), dlouhé setrvání na ní a pomalé ochlazování - odstraňuje různé poruchy krystalové mřížky a vnitřní pnutí, zejména vzniklé mechanickým tvářením (př.tažení drátů), které zhoršují elektrické vlastnosti - pro zabránění oxidaci při vyšších teplotách ochranná atmosféra D) TERMOMAGNETICKÉ ZPRACOVÁNÍ - při současném působení magnetického pole E) MECHANICKÉ TECHNOLOGIE - válcování materiálů zatepla nebo zastudena - např. výroba elektrotechnických plechů - další operace (lisování, tažení …) VIZ STROJNICTVÍ – p.UHLÍŘ

VÝROBA MONOKRYSTALŮ RŮZNÉ METODY VÝROBY, NAPŘÍKLAD = CZOCHRALSKÉHO (Čochralski) METODA - tažení monokrystalu krystalizováním z kapalné fáze = BRIDGMANOVA METODA - růst monokrystalu pohybem kelímku s taveninou indukční pecí a krystalizování při opouštění pece VÝCHOZÍ MATERIÁL - roztavený polovodič s odpovídající příměsí pro řízení druhu vodivosti ZDLOUHAVÝ, ENERGETICKY NÁROČNÝ PROCES, VYŽADUJÍCÍ PŘESNÉ ŘÍZENÍ TEPLOTY I POHYBŮ MECHANISMŮ PŘI RŮSTU MONOKRYSTALŮ

CZOCHRALSKI 1- kelímek s taveninou 2- tavenina polovodiče 3- zárodek monokrystalu 4- rostoucí monokrystal 5- mechanika pro rotaci a posuv NA ZÁRODKU POSTUPNĚ NARŮSTÁ MONOKRYSTAL Z TAVENINY TÍM, ŽE SE ZÁRODEK OTÁČÍ A POSTUPNĚ VYSOUVÁ K NIŽŠÍ TEPLOTĚ PRO KŘEMÍK A GERMANIUM BRIDGEMAN 1- ampule nebo kelímek s taveninou 2- rostoucí monokrystal 3- indukční pec UZAVŘENÝ KELÍMEK S TAVENINOU PROCHÁZÍ SVISLE NEBO VODOROVNĚ PECÍ A POSTUPNĚ V CHLADNOUCÍ ČÁSTI NARŮSTÁ MONOKRYSTAL TVARU KELÍMKU PRO POLOVODIČOVÉ SLOUČENINY S VYSOKÝM TLAKEM PAR V TAVENINĚ

ZÁVĚREM KE STRUKTUŘE MATERIÁLU - Polykrystalické látky – chaoticklé uspořádání krystalů (izotropie) = ale válcováním se krystaly orientují v jeho směru (ČÁSTEČNĚ ANIZOTROPNÍ) - Amorfní strukturu lze vytvořit v dokonalém stavu, krystalickou ne = pro kovy je ale nutná rychlost ochlazení řádově 10 e6 °K / s - Krystalická struktura je energeticky výhodnější než amorfní, je stabilnější = amorfní látky mohou samovolně přejít do krystalického stavu a změnit strukturu - Kalení, popouštění a žíhání vyžaduje znalost vlastností materiálů = pro každý materiál je jiná potřebná teplota i doby procesů - Dosažení pravidelné struktury vyžaduje velmi pomalé ochlazování = rychlé ochlazení – zhoršení elektrických vlastností (vodivost, mech. vlastnosti) ŘÍZENÍ VLASTNOSTÍ ZMĚNOU STRUKTURY SE UŽÍVÁ U VŠECH SKUPIN ELEKTROTECHNICKÝCH MATERIÁLŮ