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2Part1.导电材料导电材料的性质与分类金属导电材料电极及电刷材料厚膜导电材料薄膜导电材料3导电材料是电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料，用来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导线、引线和布线。根据使用目的不同，除了导电性外，有时还要求有足够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐蚀、耐电弧、高的热导率等。导电材料最主要的性质是良好的导电性能。6.1导电材料的性质与分类定义：导电材料是指电流容易通过的材料。常用作电极、电刷、电线µ
·cm的标准软铜的电导率作为100％，其他材料的电导率与之比较，以百分电导率，既“%IACS”表示。导电材料的分类按材料的化学成分：金属导电材料、氧化物导电材料、高分子导电聚合物以及复合导电材料等。按材料的使用形态：线材、块材、厚膜和薄膜。作为导电材料，希望其电阻率尽可能地小(≦10-6
·m)。但是，为了满足其他条件，例如机械强度、加工性、耐腐蚀性、经济性等，在许多情况也会使用电阻率较大的。56.2金属导电材料6.2.1金属导电材料概论
(1)电阻与电阻率导体的电阻与材料长度L成正比、与断面A成反比，可表示为R=
是物质固有的参数，指1m3(或1cm3)材料的电阻，称为材料的电阻率，单位为
·cm。6(2)电阻温度系数导体的电阻随温度的变化而变化，温度为T的电阻可表示为：RT=RT1[1+αT1(T-T1)]。
一般金属导体的电阻随温度升高而增大。电阻温度系数是指当温度每升高1℃时，电阻增大的百分数。7
导电材料的电阻率与电阻温度系数同材料的纯度和完整性有十分密切的关系，既所谓是结构敏感的。
所以对于同一种材料，由于制备方法不同，电阻率与电阻温度系数会存在一定差别。8(1)
电阻率的倒数为电导率，用来表示导体的导电度。这个电导率与国际标准软铜的电导率之比的百分率，称为百分电导率[或称为％IACS电导率]。6.2.2导电材料的标准
(3)国际标准软铜：作为导体电导率的表示基准的标准软铜，其特性在1913年的国际电器标准会议上规定如下：各部分切面积的均等面积为１mm2的标准软铜，在20℃时，长度１m的电阻为1/58
杂质、缺陷、温度、应力是影响导体电阻的主要原因。一般纯金属的电导率比其合金的高。合金的电导率由于合金的组成不同而各异，例如，在二元合金中由于成分相互溶解而生成固溶体。如果在纯金属中加入少量的其他金属，则电导率将急剧下降。6.2.3影响导体电阻值的因素11作为金属导电材料，用得最多的是铜，其次是铝、铁等。作为金属导电材料应具备：电导率大、易连接、较大的抗拉强度、易弯曲、容易加工成型、耐腐蚀、产量大、价格低等。
但是，由于纯金属的抗拉强度都比较低，所以在对抗拉强度要求高的场合，应采用热处理的金属或合金。6.2.4金属导电材料应具备的条件126.2.5铜和铜合金
铜是仅次于银的优良导电导热体，常温下铜的导电率为银的94％，导热率为银的73.2%。（主要物理性质见书中表6.2.1）铜的主要制备方法：(1)电解法（电解铜）将粗铜（含铜99％）预先制成厚板作为阳极，纯铜制成薄片作阴极，以硫酸(H2SO4)和硫酸铜(CuSO4)的混和液作为电解液。通电后,铜从阳极溶解成铜离子(Cu2+)向阴极移动，到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜（亦称电解铜）。用作导电材料的电解铜，其纯度在99.90%以上，一般为99.97%-99.98%,含有极少量的Au、Ag、Ce、Pb、Sb等杂质。136.2.5铜和铜合金（2）粉末冶金法
粉末冶金制品是以金属粉末如：铁粉、铜粉、不锈钢粉等（包括混入有非金属粉末）为原料，用成形烧结法生产而成的，传统的工艺流程为：混料-压制-烧结-整形-后处理，即首先将配制的高纯度的混合粉装于模具中，于一定压力下压制成形，然后将压坯在可控气氛炉中，在低于基体材料熔点的温度下进行烧结，使粉末颗粒之间形成冶金结合。
采用该方法生产的铜合金既具有高导电性、高导热性能，又具有高强度、良好的断后伸长率等加工性能。铜合金：铜-镉合金、铜-锡合金、铜-镍-硅合金、铜-铍合金等。146.2.5铜和铜合金
在熔化状态时金属可以相互溶解或相互混合，形成合金。金属与某些非金属也可以形成合金，故合金可认为是具有金属特性的多种元素的混合物。
合金比纯金属具有许多更优良的性能，铜合金具有比纯铜更好的机械性能，其电导率比纯铜低。在纯铜中加入少量其他金属成为固溶体（它是合金组成物固态下彼此相互溶解而形成的晶体，称为固溶体）；也可能有部分固溶，而其余部分以机械混合物形成分散物。156.2.6铝和铝合金
铝是具有仅次于铜和金的电导率的金属，近年来由于铜产量的不足而作为铜的代用品被广泛应用。
铝的电阻系数虽比铜大，但它的密度小，资源丰富，价格便宜，采用铝作导线可以减轻重量，降低成本。目前架空线路导线、电缆芯线、照明线、汇流排等已广泛采用铝导线。
铝的物理性质根据其纯度的不同而相差较大，一般纯度越高，电导率和电阻温度系数越高，抗拉强度和硬度越小，耐腐蚀性越强。（主要物理性质见书中表6.2.1）166.2.6铝和铝合金铝合金：为了解决纯铝抗拉强度低的缺点，加入硅、铜、镁等金属后，再经过热处理获得铝合金。以加入硅（0.5%~0.6%）、镁（4.0%）、铁（0.3%）的铝合金性能最优秀，称为Aldrey合金。这种合金被广泛用于输电线电容器电极材料
电极是电容器的重要组成部分，它在电容器中起着形成电场，聚集电荷的作用。尽管电极的形式随着电容器的结构不同而有变化，但作用是相同的。因此，作为电容器的电极材料，其质量的好坏和选用是否合理，对电容器的性质、质量、制造工艺、重量、成本都有重要影响。应根据电极的要求来选用适当的电极材料。18电极材料的主要要求：①应具有优良的导电性能，体积电阻率要小；②具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性，不易氧化，并且对介质材料的老化、催化作用要小；③应有良好的机械性能。如不易变形、压延性和柔韧性要好、抗拉强度高、与电容器工艺匹配；④密度小，热导率大；⑤易于焊接，具有适当的熔点和沸点；⑥材料来源广泛，价格便宜。191.铝材
铝的电导率在金属中仅次于金、银和铜，是一种良好的导电材料。由于铝的面心立方晶格结构而富于延展性，具有优良的加工性。其机械强度良好，比重又小，因此，在电子元器件中，广泛用作电极和引线材料。
根据电容器的类型，铝箔分为电容器用铝箔和电解电容器用铝箔。电容器铝箔用作有机介质电容器电极。
铝箔特性要求：2）铝箔中的主要杂质为铁、铜和硅，其他杂质很少，在杂质中以铁的影响最大。铁的存在和含量多少，对铝氧化膜的质量有重大影响。3）晶粒大小是影响金属机械性能的重要因素。对于电解电容器铝箔而言，晶粒大小还影响极板面积的有效扩大倍数。1）铝箔纯度要达到99.5%以上，表面要求光滑洁净，不应有划痕、腐蚀痕迹、分层和夹杂。厚度要均匀，箔卷展开时不应有粘结和撕裂等。21
在铝电解电容器中，与阳极箔连接线是铝丝。其纯度与高纯铝箔相同,而且要求尺寸公差小,表面光洁度高,机械性能好。在有机介质电容器中,为了缩小体积，用它做金属化层电极，高纯铝丝适用于铝金属化层作蒸发材料。
铝金属化膜具有以下特点：①铝金属化膜在大气中虽易氧化，但氧化后生成一层极薄的氧化铝，成为天然保护层，防止继续氧化。②铝膜的导电性十分优良。③对潮湿气氛不敏感。④自愈后电性能不会下降。⑤铝的沸点高、临界温度高、易于沉积。226.3.1
金属化电容器用的电极蒸发材料，从试验得知,铜、银、镉、锌、铝、锡都可以采用。但由于镉、银等价格较贵，铜易氧化，所以在电容器制造中，作为金属化的材料广泛采用的只有锌、锡、铝。1）锌236.3.1电容器电极材料
电子元件的引出线与印制电路板联接，形成整机的功能部件。整机的可靠性在很大程度上取决于引线的可靠性。电子元件引出线所用的导电材料，因基材成分、镀(涂)层种类、含杂量、厚度和生产工艺不同，各种引出线在机械性能、电件能、热性能、磁性能，耐蚀性和可焊性上各有不同。6.3.2
引出线选用电子元件引出线时应考虑：①引出线对电子元件本身的影响，如引出线的导电性、接触电阻、离子和分子的迁移、化学变化和电化学影响。③是否适应电子元件生产工艺，如引出线是否适于清洗、烘干、对焊、熔焊、轧扁、铆接、涂漆、烘漆、电气老化、机械设备的牵引打弯。是否适应高速连续生产，能经受气体污染否等。②
引出线对电子元件密封性影响，引出线与电子元件包封料的亲和性。引出线的热胀系数及其熔封性。④引出线是否适应整机的工作环境，能否确保整机不因引出线而发生故障，如能经受高温、低温、潮热、盐雾、震动等恶劣工作条件。⑤引出线是否适于整机的高密度群焊技术，其电子元件能否长期储存。266.3.3
电刷与弹性材料和电阻体之间的匹配要求较高，具体要求有两类：（1）电刷与弹性材料应具有良好的物理性能、化学稳定性和优良的机械性能，应具有良好的导电性、导热性、无磁性。（2）电刷与电阻体要有良好的匹配，接触电阻要小，磨损要小。276.3.3
电刷多用重有色金属合金和贵金属合金制造；也有用非金属（如碳黑、石墨）制造弹性元件（如接触簧片、簧片、集流片），一般也是用重有色金属合金或含少量贵金属的重有色金属合金；在要求较高的航空、航天用电位器中，用贵金属合金较多。电刷和弹性材料非金属-碳黑、石墨有色金属合金贵金属合金复合材料青铜：锡青铜、铍青铜、硅青铜白铜：锡白铜、锌白铜、锰白铜黄铜：低镍铝弹性黄铜等镍合金铂、铂银等银、钯银、银铜、银镍锡、金银镍铜等286.4厚膜导电材料
在厚膜混合电路中，厚膜导电材料的作用是固定分立的有源器件和无源器件，作为元件之间的互连线及作为厚膜电容的上下电极及外引线的焊区等。（需能/电源的器件叫有源器件，无需能/电源的器件就是无源器件。有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。容、阻、感都是无源器件，IC、模块等都是有源器件。）
由于贵金属价格上涨，需要寻求价格低廉而性能优良的新导体材料，因此出现了一起贱金属厚膜导电材料。常见的有铜、镍-硼、铝-硼，其中，铜导体是比较成熟的，目前已应用在混合电路中。
厚膜导电材料浆料是厚膜工艺中使用的一种浆料。现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料，它们在空气中烧结，所用的贵金属主要为金、银-金以及银、铂、钯的二元或三元合金。这些厚膜导电材料的电导性能很好，其中铂-金导体具有非常好的抗焊料溶解性。306.4.1厚膜导电材料的特性厚膜导电材料应具有很低的电阻率、容易进行焊接、焊点有良好的机电完整性、与基片的粘附牢固等特点。影响厚膜导电材料性能的主要因素是功能相(导电体）和粘接剂（玻璃）的优劣。基片的化学性质和表面平整度对导体膜的粘附性（常称为键合）影响也很大。厚膜导电材料用的导电相材料，要求有良好的导电性。通常用两种或多种金属，形成二元或多元合金，以提高厚膜导电材料的性能。316.4.2厚膜导电材料用的有机载体
有机载体的功能是把金属粉和作粘合用的玻璃粉及其他固体粉末混合分散成膏状浆料，以便用丝网印刷方法将其印刷在陶瓷基片上。
有机载体的组成由溶剂(挥发成分)、增稠剂(非挥发成分又叫凝聚剂）、流动性控制剂、表面活性剂等组成，每种成分可以由一种或数种材料组成。
32对有机载体的要求：①应是化学惰性物质。载体与固体粉粒接触(包括在加热情况下)时，不能发生化学反应。②能形成悬浮体，载体与固体粉粒相接触的界面上，表面张力应小，以保证固体与液体之间很好地浸润。液体中应有使电解质稳定的极性基团，不应有过量的凝结剂，避免浆料在长期存放时发生凝结变质。③有合适的流变性。载体与固体粉粒结合，可能提供网状结构的成分，形成塑流型触变系统载体的粘度要适中，可调节。④有适度的挥发性。载体在室温下饱和蒸气压要低。但在一定的温度下，其中的溶剂应易挥受，在高温下能够迅速挥发，使网印的浆料不产生二次流动现象。⑤粘结性能好。载体能浸润陶瓷基片表面，因此其表面张力应适当，使其能牢固地粘附在基片上。⑥其他特性。载体应无固定沸点，在加热过程中逐步汽化、燃烧。避免造成电阻膜上的针孔。在一定的高温下应完全燃烧而不留灰分。33
贵金厚膜导电材料包括：金、钯-金、铂-钯-金、钯-银等，应用较为广泛的是钯-银、金、铂-金等。特点:具有很好的导电性，工艺简单，可在空气中烧成，工艺敏感性差，重复性好，导电膜
1．钯-银导体在Ag中加入一定量的Pd，可有效抑制银离子迁移特点是印刷覆盖率和老化后的粘结性能好。钯-金导体
可改善Au导体附着强度较差的缺点特点是无银迁移，抗焊溶性能好，引线的可焊性好，可热压焊金丝，老化后的粘结性能较好，并与多种电阻材料相容。
3．铂-金导体特点是膜层致密、附着力强，可采用非活性焊剂进行焊接，抗焊溶性能好，丝网印刷性能好并与多数电阻、介质材料相容。6.4.3贵金属厚膜导电材料35
贱金属厚膜导电材料是一种新型导体，常见的有厚膜铜导体、镍导体和铝导体等。这些贱金属导体浆料有的可以在空气中烧成，有些则必须在中性(N2，Ar)或还原性(N2-H2)气氛中烧成。贱金属导体有许多优点，如电阻低、可焊件和抗焊溶性好、无离子迁移等。其缺点是工艺要求很高，老化性能不如贵金属好。6.4.4贱金属厚膜导电材料36
Cu金属具有比金更为优良的高频特性和导电性，而且没有Ag+迁移的缺点。缺点是易氧化。Ni浆料
金属Ni具有良好的导电性、化学稳定性和可焊性，是一种比较理想的厚膜导电材料。缺点也是易氧化。
Zn对PTC热敏电阻瓷体具有良好的欧姆接触特性和抗老化性，可用作PTC热敏电阻的电极材料。3.Al浆料
Al电极浆料的优点是价格便宜，电性能稳定。缺点是耐冲击电流性能较低，容易出现拉弧现象，烧毁电极。6.4.4贱金属厚膜导电材料376.5薄膜导电材料在集成电路中，薄膜导体在电路内部元器件的互连线；薄膜电阻的端头电极、薄膜电容的电极、薄膜电感线圈、微带线、外贴元器件的焊区、外引线焊区等起着重要作用。对薄膜导电材料的主要要求是：导电性好、附着性好、化学稳定性高、可焊性和耐焊接性好、成本低。薄膜导电材料的电阻率高于同种的块状材料，这是由于薄膜的厚度较薄所产生的表面散射效应，以及薄膜具有较高的杂质和缺陷浓度所成的结果。连续金属薄膜的电阻率为声子、杂质、缺陷、晶界和表面对电子散射所产生的电阻率之和。38薄膜导电材料的分类单元素薄膜
不同的金属膜构成的薄膜导电材料。有二元系统(如铬-金)、三元系统(如钛-钯-金)、
四元系统(如钛-铜-镍-金)等。39底层：也称为粘附层，主要起粘附作用，使顶层导体膜能牢固地附着在基片上。顶层：主要起导电和焊接作用薄膜的附着性取决于膜层与基片的结合形式：物理附着or化学键结合薄膜混合集成电路中，应用最为广泛的薄膜导电材料是多层结构薄膜。这是因为多层薄膜能较好地满足对薄膜导电材料的要求。复合膜导电材料的结构40通常采用真空蒸发制作铝膜，铝薄膜用作电容器的电极、电阻器的端头、电感器螺旋导电带、多层布线等。其主要优点是导电性好，成膜工艺简单，无需用别的金属“打底”。与硅铝丝、金丝的可焊性好，成本低。由于它表面易氧化，有利于提高多层布线的层间绝缘性。所以，目前在薄膜多层布线中，应用较多的薄膜导电材料还是铝膜。铝膜的缺点是：①抗电迁移能力较弱。②与金形成脆性的金属间化合物，造成焊点脱开，影响元件和电路的可靠性。③铝膜表面的氧化层给锡焊带来困难。6.5.1铝薄膜41目前用的最多的复合薄膜，主要用作电阻的端头、互连线、微带线、单层薄膜电感器、薄膜电容上电极和焊区。在Cr-Au和NiCr-Au复合膜中，Cr和NiCr膜主要起粘附作用，Au膜主要起导电和焊接作用。NiCr-Au膜与Cr-Au膜相比，其优点是膜层间的互扩散小些。6.5.2铬-金薄膜和镍铬-金薄膜6.5.3钛-金薄膜
Ti-Au膜的抗蚀性好，其耐潮性优于NiCr-Au膜。这可能是由于钛形成一层更好的氧化物保护膜，使电化学效应对膜层性能的影响程度比NiCr小。
在Ti-Au多层膜中，Ti和Au之间会产生互扩散，温度在350℃以上时，互扩散现象严重，阻值大幅增加。在105~106A/cm2的电流密度下，Ti-Au膜有明显的电迁移现象，因此不适宜用于功率较大的电路中做导体。426.5.4多层导电薄膜
以金属为基础的多层化系统，抗电迁移能力和化学腐蚀能力较强。按其作用和功能大体可分为四层：欧姆接触层、导电层、过渡层、粘附层。（1）钛-钯-金薄膜和钛-铂-金薄膜
Pd和Pt膜的加入能阻止钛和金间的互扩散，从而提高薄膜的稳定性，还可增加薄膜导电材料的抗腐蚀性能。（2）镍铬-钯（铂）-金薄膜
性能与（1）类似，热稳定性略低于钛-钯-金薄膜。（3）镍铬-铜-钯（铂）-金薄膜
加入铜膜目的是为减少Pd（Pt）和Au的用量，降低成本。（4）钛-铜-镍-金薄膜和铬-铜-镍-金薄膜
镍的作用与Pd、Pt相同，除作为Cu和Au膜间的扩散阻挡层外，还起防腐蚀作用。（5）铁铬铝-铜-金薄膜43透明导电薄膜以掺锡氧化铟（ITO）为代表，ZnO及其掺杂体系不仅具有与ITO可比拟的电学和光学特性，而且储量丰富、易于制造、成本较低、无毒、热稳定性好，有望成为ITO的最佳替代品。透明导电薄膜的种类：金属膜、氧化物膜、多层复合膜和高分子膜等，其中氧化物薄膜占主导地位。6.5.5透明导电薄膜可见光透过率高而又有导电性的薄膜称为透明导电薄膜。透过性的标准是透过率60%以上，导电性的标准是表面电阻在1010Ω∙cm以下。44TCO的主要应用：平面液晶显示（LCD）、电致发光显示（ELD）、太阳能电池透明电极，由于它对光波的选择性（对可见光投射和对红外光反射）用作热反射镜，用于寒冷地区的建筑玻璃窗起热屏蔽作用，还可做透明表面发热器，用作防雾除霜玻璃等。TCO薄膜的制备方法：磁控溅射、反应热蒸发、金属有机物化学气相沉积、原子层外延、喷射热分解、脉冲激光沉积、溶胶-凝胶等，薄膜的性质有制备工艺决定。目前，公认的最佳方法是磁控溅射。6.5.6透明导电氧化物薄膜透明导电氧化物薄膜（简称TCO）主要包括In、Sb、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电特性。45
①高温薄膜导电材料:高温薄膜导电材料主要有钛-钨-金复合薄膜。它可在400~450ºC温度下稳定地工作。
②贱金属薄膜导电材料:贱金属薄膜导电材料主要有Ni膜、NiCr-Ni膜和Cu膜。6.5.7薄膜导电材料的发展
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