Vydání podpoøili
Doc. Ing. Josef avel, CSc.
Elektrotechnologie Materiály, technologie a výroba v elektronice a elektrotechnice 3. rozíøené vydání
Schválilo MMT èj. 25 734/2003-23 dne 1. 9. 2003 k zaøazení do seznamu uèebnic pro støední odborné koly s dobou platnosti 6 let.
Uèebnice se lií od pøedcházejících velmi podstatnì svým pojetím a obsahem. Dosavadní uèebnice obsahovaly buï pøevánì popis vlastností jednotlivých elektrotechnických materiálù, nebo naopak popis technologie jednotlivých elektrotechnických souèástek; tato nová uèebnice vytváøí vhodnou syntézu obou pojetí. První èást je vìnována hlavním druhùm materiálù, a to z hlediska jejich fyzikálních vlastností a aplikace v moderní elektronice a elektrotechnice. Druhá èást se zabývá pøípravou materiálù s uspoøádanou strukturou, tj. objemových monokrystalù a tenkých monokrystalických vrstev. Na ni navazuje kapitola týkající se zmìny vlastností materiálu zmìnou sloení, která kromì klasické technologie smìsí, slitin a slouèenin, obsahuje speciální technologické procesy pøi výrobì polovodièù. Protoe tyto speciální materiálové technologie vyadují èasto prùbìh procesù bez vlivu vnìjí atmosféry, byly zaøazeny základy vakuové techniky a technologie, na které navazují technologie funkèních tenkých a tlustých vrstev. Po tìchto, v podstatì základních poznatcích o materiálech a progresivních technologických procesech, následují dílèí kapitoly vìnované jednotlivým technologiím polovodièových souèástek a mikroelektronických obvodù, optoelektroniky a pasivních souèástek vèetnì ploných spojù. V závìreèné èásti je na technologii pøípravy objemových monokrystalù struènì demonstrována nutnost respektovat zásady ekologie. V druhém vydání byla náplò uèebnice rozíøena o problematiku výroby ve tøech specifických oblastech: elektrochemické pojednávající o zpracování plastù, tj. vytváøení plastových výrobkù pro elektroniku a elektrochechniku; elektromechanické obsahující výrobu elektrického vinutí v souèástkách a strojích a elektronické zahrnující komplexní problematiku výroby desek technologií povrchové montáe. Ve tøetím vydání byla v materiálové oblasti doplnìna problematika: Kapalné krystaly a v technologické oblasti dalí èást: Technologie konstrukèních souèástek. Novou problematikou z oblasti výroby se zabývá èást: Technický rozvoj a technická administrativa. Uèebnice je urèena pro støední koly zamìøené na elektroniku, elektrotechniku a pøíbuzné obory.
Doc. Ing. Josef avel, CSc.
Elektrotechnologie
materiály, technologie a výroba v elektronice a elektrotechnice Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Za pùvodnost, jazykovou a vìcnou správnost díla zodpovídá autor. Názvy výrobcù zaøízení a hardwarových nebo softwarových produktù mohou být ochrannými známkami. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vechna práva vyhrazena. © Doc. Ing. Josef avel, CSc., Praha 2004 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 odborná recenze: Ing. Antonín Blahovec, Ing. Jiøí Hozman avel Josef: Elektrotechnologie BEN technická literatura, Praha 2004 3. rozíøené vydání ISBN 80-7300-154-3
A
Obsah
Obsah 1. Úvod ............................................................................... 9 2. Materiály pro elektrotechniku, druhy a vlastnosti ....................................................... 11 2.1
Elektricky vodivé materiály vodièe .................................................. 11
2.2
Magnetické materiály ........................................................................... 22
2.3
Elektroizolaèní materiály izolanty a dielektrika ............................. 35
2.4
Polovodièové materiály polovodièe .................................................. 48
2.1.1 2.1.2
2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3.1 2.3.2
2.4.1 2.4.2
Charakteristické vlastnosti elektricky vodivých materiálù .............. 11 Druhy a vlastnosti elektricky vodivých materiálù ............................. 13
Fyzikální podstata magnetismu ........................................................... 23 Základní vlastnosti magnetických materiálù ..................................... 26 Druhy a vlastnosti magnetických materiálù ...................................... 30 Základní vlastnosti izolantù a dielektrik ............................................ 35 Druhy a vlastnosti elektrických izolantù a dielektrik ....................... 41
Fyzikální podstata elektrické vodivosti .............................................. 48 Druhy a vlastnosti polovodièových materiálù .................................... 52
3. Zmìna vlastností materiálù zmìnou struktury ...................................................................... 55 3.1 3.2
Nekrystalické, polykrystalické a monokrystalické látky .................. 55 Základy nauky o krystalech ................................................................ 55
3.3
Pøíprava objemových monokrystalù .................................................. 59
3.4
Pøíprava tenkých monokrystalických vrstev ..................................... 73
3.2.1 3.2.2
3.3.1 3.3.2 3.4.1 3.4.2
Struktura krystalu ................................................................................ 55 Poruchy krystalù ................................................................................... 58
Význam a pouití monokrystalù .......................................................... 59 Metody pro pøípravu objemových monokrystalù ............................. 60
Význam a pouití monokrystalických vrstev ..................................... 73 Postupy vytváøení epitaxních vrstev ................................................... 73
4. Zmìna vlastností materiálù zmìnou sloení ............ 79 4.1
Smìs, slitina, slouèenina ....................................................................... 79
4.2
Technologické procesy .......................................................................... 81
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2.1 4.2.2
Smìsi ...................................................................................................... 79 Slitiny ..................................................................................................... 80 Slouèeniny .............................................................................................. 80
Proces difuze .......................................................................................... 82 Proces iontové implantace .................................................................... 86
3
Elektrotechnologie
A
5. Základy vakuové techniky a technologie ................. 87 5.1 5.2
Význam a vyuití vakuové techniky a technologie ............................ 87 Èerpání plynù a typy vývìv ................................................................. 89
5.3
Mìøení vakua ........................................................................................ 99
5.4
Nìkteré bìné procesy realizované ve vakuu ................................... 101
5.2.1 5.2.2
5.3.1 5.3.2 5.4.1 5.4.2
Vývìvy pracující na základì pøenosu molekul transportní vývìvy90 Vývìvy pracující na základì vazby molekul na svých stìnách ......... 95
Vakuometr termoelektrický ................................................................. 99 Vakuometr ionizaèní ........................................................................... 101
Aplikace vakua v technice a technologii ........................................... 101 Technologie vakuových souèástek pro elektroniku .......................... 103
6. Technologie tenkých vrstev ...................................... 107 6.1 6.2
Klasifikace vrstev ................................................................................ 107 Vakuové napaøování ........................................................................... 107
6.3
Katodové napraování ....................................................................... 112
6.4
Aplikace tenkých vrstev v elektronice .............................................. 113
6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.3.1 6.3.2
6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4
Princip napaøování ............................................................................. 108 Odpaøovací zdroje výparníky ......................................................... 108 Vakuové napaøovací zaøízení ............................................................. 110 Napaøované materiály ........................................................................ 110 Podloky ................................................................................................ 111 Princip napraování ........................................................................... 112 Katodové napraovací zaøízení .......................................................... 113 Tenkovrstvové vodièe a kontakty ...................................................... Tenkovrstvové rezistory ..................................................................... Tenkovrstvové kondenzátory ............................................................. Tvarování a umístìní vrstev ..............................................................
114 114 115 115
7. Technologie tlustých vrstev ...................................... 117
4
7.1
Pøíprava tlustých vrstev ..................................................................... 117
7.2
Aplikace tlustých vrstev v elektronice .............................................. 120
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2.1 7.2.2 7.2.3
Sítotiskové pasty ................................................................................. 117 Sítotisk ................................................................................................. 118 Sítotiskové a kovové ablony .............................................................. 118 Vypalování ........................................................................................... 119 Podloky ............................................................................................... 120
Vodivé vrstvy ....................................................................................... 120 Odporové vrstvy .................................................................................. 121 Dielektrické a izolaèní vrstvy ............................................................. 121
A
Obsah
8. Technologie polovodièových souèástek a integrovaných obvodù ........................................... 123 8.1
Technologie bipolární struktury ........................................................ 124
8.2 8.3
Technologie unipolární struktury ..................................................... 129 Technologický postup pøi výrobì integrovaných obvodù ............... 130
8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6
8.3.1 8.3.2
Hrotový kontakt .................................................................................. 125 Slitinové technologie ........................................................................... 125 Difuzní technologie ............................................................................. 126 Mesa-technologie ................................................................................ 127 Epitaxní technologie ........................................................................... 127 Planární technologie ........................................................................... 127
Monolitické integrované obvody ....................................................... 130 Hybridní integrované obvody ............................................................ 131
9. Technologie optoelektroniky .................................... 133 9.1 9.2
Optoelektronický pøenos .................................................................... 133 Optické vlákno vláknový svìtlovod ............................................... 135
9.3
Optické spojovací a vazební souèástky ............................................. 139
9.4
Generátory optických kmitoètù ........................................................ 145
9.5 9.6
Modulátory optických kmitoètù ........................................................ 147 Detektory záøení ................................................................................. 148
9.2.1 9.2.2 9.2.3
9.3.1 9.3.2 9.4.1 9.4.2
9.6.1 9.6.2
Vlastnosti svìtlovodu .......................................................................... 135 Technologie výroby svìtlovodù .......................................................... 137 Svìtlovodné kabely ............................................................................. 138
Spojovací souèástky ............................................................................ 139 Vazební souèástky ............................................................................... 144
Polovodièové luminiscenèní diody ..................................................... 145 Polovodièové laserové diody .............................................................. 146
Fotodiody PIN ..................................................................................... 149 Lavinové fotodiody ............................................................................. 149
9.7 Kapalné krystaly .................................................................................. 150 9.7.1 Struktury a fáze termotropních kapalných krystalù ........................ 151 9.7.2 Fyzikální vlastnosti kapalných krystalù ........................................... 152 9.7.3 Aplikace ............................................................................................... 155
10. Technologie pasivních souèástek ............................. 157 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
Rezistory .............................................................................................. 157 Potenciometry ..................................................................................... 158 Elektrolytické kondenzátory ............................................................. 159 Kondenzátory s papírovým dielektrikem ......................................... 160 Kondenzátory s metalizovaným papírovým dielektrikem .............. 161 5
Elektrotechnologie
10.6 10.7 10.8 10.9
A
Kondenzátory s dielektrikem z plastù .............................................. 161 Kondenzátory slídové ......................................................................... 161 Kondenzátory keramické ................................................................... 162 Kondenzátory promìnné ................................................................... 162
11. Technologie konstrukèních souèástek .................... 163 11.1 Konektory ............................................................................................ 163 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.1.5 11.1.6 11.1.7
Konektory øadové nepøímé ................................................................ 164 Konektory øadové pøímé .................................................................... 164 Konektory s øeznými kontakty pro ploché kabely ........................... 166 Konektory pøístrojové - lichobìníkové ........................................... 166 Konektory kruhové ............................................................................. 167 Konektory koaxiální ........................................................................... 169 Hyperboloidní kontakt - Hypcon ...................................................... 169
11.2 Otoèné pøepínaèe a spínaèe ............................................................... 170 11.3 Tlaèítkové soupravy ........................................................................... 171 11.3.1 Funkce a konstrukce fóliových klávesnic ......................................... 173 11.3.2 Typové rozdìlení klávesnic ................................................................ 174 11.3.3 Klávesnice se zabudovanými LED .................................................... 175
11.4 Relé ...................................................................................................... 175 11.4.1 Miniaturní relé s montáí na ploné spoje ........................................ 176 11.4.2 Jazýèková relé ..................................................................................... 176
11.5 Elektromechanické filtry ................................................................... 178
12. Technologie ploných spojù ...................................... 181 12.1 Základní a pomocné materiály .......................................................... 182 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.1.4 12.1.5 12.1.6
Základní plátované materiály ............................................................ 182 Svìtlocitlivé roztoky pro fotoleptání ................................................. 183 Suché vrstvové rezisty ........................................................................ 184 Kovové rezisty ..................................................................................... 185 Leptadla ............................................................................................... 185 Chemické pøípravky pro pokovovací láznì ...................................... 186
12.2 Technologické metody výroby ploných spojù ................................. 187 12.3 Zásady návrhu a konstrukce ploných spojù ................................... 189
13. Technologie a ekologie .............................................. 191 14. Zpracování plastù vytváøení plastových výrobkù pro elektroniku a elektrotechniku ........... 193 14.1 Charakteristika plastù ....................................................................... 194 14.1.1 Rozdìlení plastù podle teplotního chování ....................................... 194 14.1.2 Pøísady (aditiva) plastù ...................................................................... 198 14.1.3 Obecné vlastnosti plastù ..................................................................... 199
6
A
Obsah
14.2 Druhy plastù a jejich vlastnosti ......................................................... 200 14.3 Technologie plastových výrobkù ....................................................... 201 14.3.1 Vytváøení výrobkù z plynného stavu ................................................. 203 14.3.2 Vytváøení výrobkù z kapalného stavu ............................................... 203 14.3.3 Vytváøení výrobkù z kapalného a tekutého stavu ............................ 204 14.3.4 Vytváøení výrobkù z plastových disperzí, emulzí nebo roztokù ....... 205 14.3.5 Vytváøení výrobkù z jemných plastových prachù ........................... 208 14.3.6 Vytváøení výrobkù z plastových prachù, drtí, granulátù, premixù a prepregù ............................................................................................... 210 14.3.7 Tvarování ............................................................................................. 217
15. Výroba elektrického vinutí v souèástkách a strojích .................................................................... 219 15.1 Druhy a vlastnosti vinutí podle funkce a provedení ........................ 219 15.1.1 Jednovrstvové vinutí ........................................................................... 221 15.1.2 Vícevrstvové vinutí ............................................................................. 224
15.2 Zaøízení pro výrobu vinutí ................................................................. 233 15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.2.4 15.2.5 15.2.6 15.2.7 15.2.8
Tøídìní navíjecích strojù .................................................................... 233 Navíjecí stroje pro válcová vinutí ...................................................... 234 Navíjecí stroje pro køíová vinutí ...................................................... 237 Navíjecí stroje pro prstencová vinutí ................................................ 239 Stroje pro navíjení tvarových cívek .................................................. 244 Navíjeèky kotev toèivých strojù ........................................................ 244 Stroje pro navíjení statorù ................................................................. 245 Tìké navíjecí stroje ........................................................................... 246
16. Výroba desek technologií povrchové montáe ................................................... 247 16.1 Charakteristika nové metody montáe ............................................. 247 16.2 Hlavní dùvody pro zavádìní povrchové montáe ............................ 248 16.3 Typy souèástek a pouzder pro technologii povrchové montáe ............................................................................. 248 16.3.1 16.3.2 16.3.3 16.3.4 16.3.5 16.3.6 16.3.7
Pasivní diskrétní souèástky ............................................................... 249 Pouzdra SOT ....................................................................................... 249 Pouzdra SOIC ..................................................................................... 249 Pouzdra CC ......................................................................................... 250 Pouzdra FLAT-PACK ......................................................................... 250 Pouzdra PIN-GRID-ARRAY ............................................................. 250 Souèástky MICROPACKS ................................................................ 250
16.4 Nìkteré druhy souèástek pro povrchovou montá (SMD) .............. 252 16.4.1 16.4.2 16.4.3 16.4.4
Vývody souèástek ................................................................................ 252 Pravoúhlé rezistory SMD ................................................................... 252 Rezistory MELF .................................................................................. 253 Rezistorová pole .................................................................................. 253
7
Elektrotechnologie
A
16.4.5 Monolitické keramické kondenzátory .............................................. 254 16.4.6 Elektrolytické tantalové kondenzátory ............................................. 254 16.4.7 Elektrolytické hliníkové kondenzátory ............................................. 255 16.4.8 Kondenzátory s dielektrikem z plastù .............................................. 256 16.4.9 Tranzistory a diody ............................................................................. 256 16.4.10 Integrované obvody v pouzdru SO ................................................... 256 16.4.11 Obvody Flat Pack a Quad Pack ........................................................ 257 16.4.12 Keramické nosièe èipu ........................................................................ 257 16.4.13 Plastové nosièe èipu ............................................................................ 257 16.4.14 Pouzdra PGA ...................................................................................... 258 16.4.15 Vlastní montá holých èipù ................................................................ 259 16.4.16 Konektory pro povrchovou montá .................................................. 260 16.4.17 Dalí konstrukèní souèástky pro povrchovou montá ..................... 260
16.5 Montání substráty pro technologii povrchové montáe ................ 261 16.5.1 Desky s plonými spoji ....................................................................... 262 16.5.2 Keramické substráty .......................................................................... 263 16.5.3 Substráty s izolovaným kovovým jádrem ......................................... 263
16.6 Metody pájení a lepení u povrchové montáe souèástek ................ 264 16.6.1 Pájení pøetavením ............................................................................... 265 16.6.2 Pájení vlnou ......................................................................................... 266 16.6.3 Lepení ................................................................................................... 267
16.7 Výbìr odbìr a osazování souèástek na montání substráty ........................................................................ 267 16.7.1 Typy zásobníkù ................................................................................... 268 16.7.2 Zaøízení pro výbìr a osazování souèástek ........................................ 269
17. Technický rozvoj a technická administrativa ........ 271 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5
Vynálezy - patenty .............................................................................. 272 Technická normalizace a metrologie ................................................. 273 Zkuebnictví ........................................................................................ 277 Jakost - kvalita .................................................................................... 281 Spolehlivost a ivotnost ...................................................................... 283
LITERATURA................................................................. 286 Dodatek tabulky ........................................................... 288 Knihy nakladatelství BEN technická literatura ....... 299 Kde nás najdete ............................................................... 301 (adresy, telefonní a faxové spojení, Internet firmy BEN technická literatura)
8
