|
Реферат: Батареи и элементы питания (Аккумуляторы) (Технология)
КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Метрология
“Батареи и Элементы”
Р а б о т у принял Р а б о т у выполнил
студент гр. 95-ВТ-1
Разуваев В.А.
Дата:_______________ Дата:________________
Подпись:____________ Подпись:_____________
|
Содержание
|
Стр. | |1.
| |Введение......................................................|3 |
| |...................................................... | |
2.
| |Марганцово – цинковые и оксидно – ртутные |5 |
| |элементы............................ | |
3.
| |Соединение элементов в |8 |
| |батареи.......................................................| |
| |............. | |
4.
| |Кислотные |9 |
| |аккумуляторы..................................................| |
| |............................. | |
5. |Щелочные
аккумуляторы................................................................
............... |13 | | |Список
литературы..................................................................
........................ |16 | |
1. ВВЕДЕНИЕ
Если отсутствует электрическая сеть, то для питания электроприборов
применяют гальванические элементы и аккумуляторы, называемые иначе
химическими источниками тока. Рассмотрим принцип их работы на примере
первого простейшего элемента – элемента Вольта (рис. 1). Он состоит из
медной (Сu) и цинковой (Zn) пластинок, опущенных в раствор серной кислоты
(H2SO4). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной
кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается
отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка,
в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается
ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока
цепь не замкнута.
Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет
выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот
слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название
поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее
уменьшается напряжение элемента.
[pic]
Рис.1. Простейший гальванический элемент Вольта.
Для устранения поляризации в элемент вводят вещества, способные
поглощать водород и называемые деполяризаторами. Чтобы напряжение на
полюсах оставалось постоянным, деполяризатор должен быстро поглощать
водород, образующийся при работе элемента. Поглощая водород, деполяризатор
постепенно приходит в негодность. Но обычно раньше этого портится
электролит и под действием электролита разъедается цинк. Вообще
электрическая энергия получается в элементе за счёт расхода цинка,
электролита и деполяризатора; поэтому каждый элемент обладает определенным
запасом энергии и может работать лишь ограниченное время.
Работа гальванических элементов объясняется с помощью теории
электролитической диссоциации, согласно которой молекулы вещества,
растворенного в воде распадаются (диссоциируют) на, ионы. Такое явление
характерно для всех электролитов, представляющих собой растворы кислот,
щелочей и солей. В элементе Вольта молекула серной кислоты (H2SO4) в водном
растворе распадаются на отрицательный ион кислотного остатка (SO4) и
положительный ион водорода (H2), что показано на рис. 2.
Химическая реакция между цинком и серной кислотой состоит в том, что
положительные ионы цинка переходят в раствор, притягиваясь к отрицательным
ионам электролита. При этом цинковый электрод сам заряжается отрицательно.
Между ним и электролитом возникает разность потенциалов, а следовательно, и
электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу положительных
ионов цинка в раствор. Поэтому создается некоторое равновесие с
определенной разностью потенциалов между цинком и раствором. Для других
металлов и растворов значение разности потенциалов будет иное.
Чтобы использовать возникшую разность потенциалов, в электролит
помещают второй электрод, выполненный из другого металла. Если второй
электрод – цинковый, то между ним и растворов получится такая же разность
потенциалов, как у первого электрода но она будет действовать навстречу, и
результирующая разность потенциалов между электродами будет равна нулю. У
элементов отрицательный электрод, как правило, цинковый, а положительный
электрод обычно медный или угольный.
Если соединить электроды элемента проводником, т. е. создать
замкнутую цепь, то под действием разности потенциалов по внешней цепи от
цинка будут двигаться электроны. Так как они уходят с цинкового электрода,
то его отрицательный потенциал начинает уменьшаться и электрическое поле
между ним и раствором ослабевает. Но тогда новые положительные ионы цинка
переходят в раствор. Тем самым поддерживается определенный отрицательный
потенциал цинкового электрода.
[pic]
Рис.2. Ионы в электролите элемента Вольта.
При работе элемента непрерывно происходит растворение цинка в
электролите, который постепенно превращается в раствор сернокислого цинка
(ZnSO4). Положительные ионы цинка, переходящие все время в электролит,
притягивают к себе отрицательные ионы кислотного остатка. Эти ионы в
электролите данжутся в направлении от медной пластинки к цинковой. Зато
положительные ионы водорода отталкиваются положительными ионами цинка и
движутся в обратном направлении, то есть от цинка к меди. Таким об разом,
если во внешней цепи ток представляет собой движение электронов (как и
всегда в металлических проводниках), то в электролите ток является
перемещением положительных и отрицательных ионов в противоположных
направлениях. Ионы водорода подходят к медной пластинке и отнимают от
нее электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Вследствие этого на медной
пластинке поддерживается определенный положительный потенциал, несмотря на
то, что к ней из внешней цепи прибывают электроны. Однако медная пластинка
постепенно покрывается слоем водорода. Между этим слоем и электролитом
возникает разность потенциалов, действующая навстречу основной разности
потенциалов, имеющейся между электродами. Возникновение такой
противоэлетродвижущей силы и называется поляризацией элемента. Вследствие
поляризации результирующая разность потенциалов уменьшается и действие
элемента ухудшается.
Гальванические элементы характеризуются разными параметрами и прежде
всего электродвижущей силой, внутренним сопротивлением, максимальным
допустимым разрядным током и емкостью.
Электродвижущая сила обусловливается типом элемента, то есть
материалом его электродов, веществом электролита и деполяризатора. Она
совершенно не зависит от размеров элемента (размеров его электродов),
количества электролита и количества деполяризатора.
Внутреннее сопротивление элемента зависит не только от его типа, но и
от его размеров, а также от того, как долго работал элемент. Чем больше
размеры элемента, тем меньше его внутреннее сопротивление. По мере работы
элемента внутреннее сопротивление растет. Оно особенно резко возрастает у
истощившихся элементов. Внутреннее сопротивление у элементов в начале их
работы обычно бывает от единиц ом до десятых долей ома. Когда элемент
присоединен к замкнутой цепи, напряжение на его зажимах всегда несколько
меньше ЭДС и снижается при увеличении тока, так как возрастает потеря части
ЭДС на внутреннем сопротивлении элемента. Иногда для элементов указывают
напряжение при максимальном разрядном токе в начале работы элемента
(начальное напряжение).
Каждый элемент можно разряжать током до определённого значения.
Чрезмерно большой ток вызовет ускоренную поляризацию и напряжение быстро
станет недопустимо низким. Подобное же явление, но в ещё большей степени
происходит при коротком замыкании элемента. У большинства элементов
максимальный допустимый разрядный ток составляет доли ампера. Чем больше
размеры элемента, тем больше этот ток. Превышение тока приводит и быстрому
истощению элемента.
Емкостью элемента называют количество электричества, которое он
способен отдать при разряде током не свыше максимального допустимого.
Обычно емкость элементов измеряют в ампер-часах (а-ч), то есть
произведением разрядного тока в амперах и числа часов работы элемента.
Элемент считают разряженным, если его напряжение уменьшилось примерно на 50
% по сравнению с первоначальным значением.
Время работы элемента можно определить, разделив емкость в ампер-
часах на разрядный ток в амперах. При этом ток не должен превышать
максимального допустимого значения.
Емкость элемента зависит от количества цинка, электролита и
деполяризатора. Чем больше размеры элемента, тем больше количество входящих
в его состав веществ и тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит от
разрядного тока, а также от перерывов во время разряда и их длительности.
Нормальная емкость элемента соответствует максимальному допустимому
разрядному току при непрерывном разряде. Если ток меньше максимального и
если разряд происходит с перерывами то емкость увеличивается, а при токе
свыше максимального ёмкость снижается, так как часть деполяризатора не
участвует в реакциях. Емкость также уменьшается с понижением температуры.
Поэтому расчет времени работы элемента по его номинальной емкости и
разрядному току является приближенным.
2. МАРГАНЦОВО – ЦИНКОВЫЕ
И ОКСИДНО – РТУТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие
элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд
прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным
электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью
диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют
для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей
массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста,
составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У
стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.
Рабочее напряжение сухого элемента несколько ниже, чем его ЭДС, равная 1,5
В, и составляет примерно 1,3 или 1,4 В. При длительном разряде напряжение
по степенно уменьшается, так как деполяризатор не успевает поглощать весь
выделяемый водород, и к концу раз ряда оно достигает 0,7 В.
[pic]
Рис.3. Устройство сухого элемента.
Другая конструкция сухого элемента, так называемого галетного типа,
показана на рис. 4. В нем положительным электродом является деполяризующая
масса (угольного электрода нет). Галетные элементы имеют значительно лучшие
характеристики, нежели стаканчиковые.
[pic]
Рис. 4. Устройство сухого галетного элемента.
1 – деполяризатор – положительный электрод; 2 – цинк – отрицательный
электрод; 3 – бумага;
4 – картон, пропитанный электролитом; 5 – полихлорвиниловая плёнка.
В каждом элементе, имеющем электролит, даже при разомкнутой внешней
цепи происходит так называемый саморазряд, в результате которого
разъедается цинковый электрод, а также истощаются электролит и
деполяризатор. Поэтому сухой элемент при хранении постепенно проходит в
негодность и электролит у него высыхает.
Когда сухие элементы полностью разрядятся, их агломераты ещё
работоспособны и могут быть использованы для устройства самодельных
наливных элементов. Такие элементы имеют агломерат и электрод из листового
цинка в растворе нашатыря, находящемся в стеклянном или керамическом или
пластмассовом стаканчике. При отсутствии нашатыря можно с несколько худшими
результатами применить раствор обычной поваренной соли с небольшой добавкой
сахара. Помимо сухих элементов типа МЦ, широко применяются элементы с
марганцово – воздушной деполяризацией (МВЦ). Они устроены аналогично
элементам МЦ, но у них положительный электрод сделан так, что к диоксиду
марганца по особым каналам поступает наружный атмосферный воздух. Кислород
воздуха возмещает потерю кислорода диоксидом марганца при деполяризации.
Поэтому деполяризация может происходить значительно дольше и емкость
элемента увеличивается.
Физико-химические процессы в элементах с диоксидом марганца
происходят следующим образом. Нашатырь, то есть хлористый аммоний (NH4Cl),
в водном растворе образует положительные ионы аммония (NH4) и отрицательные
ионы хлора (Cl). Положительные ионы цинка переходят в раствор и цинк
приобретает отрицательный потенциал. При замыкании цепи, когда во внешней
цепи электроны движутся в направлении от цинка к углю всё время происходит
растворение цинка. Его ионы переходят в электролит, за счёт чего
поддерживается отрицательный потенциал цинка. Ионы цинка соединяются с
ионами хлора, образуя раствор хлористого цинка (ZnCl2). В то же время ионы
NH4 движутся к угольному электроду, отнимают от него электроны и
распадаются на аммиак (NH3) и водород. Это происходит по уравнению
2NH4 = 2NH3 + H2.
Выделяющийся водород вступает в соединение с деполяризатором, то есть
диоксидом марганца, образуя оксид марганца и воду:
H2 + MnО2 = MnО2 + Н2О.
В последние годы выпускаются еще сухие герметичные МЦ-элементы со
щелочным электролитом (КОН). Они бывают цилиндрические, дисковые и
галетные, ёмкостъ у них в три – пять раз больше, чем у элементов с
электролитом из нашатыря. Кроме того, они допускают несколько циклов
подзаряда током с отдачей 10% емкости. У таких элементов центральный
электрод цинковый и является минусом, то есть полярность выводов
противоположна полярности выводов обычных МЦ-элементов. Элементы со
щелочным электролитом применяются для длительной работы, например, в
электронных часах. В обозначениях таких элементов впереди ставится буква
А.
У всех элементов начальное напряжение составляет примерно 1,3 – 1,5
В, а конечное напряжение равно 0,7 – 1 В. Хранение сухих элементов или
батарей в бездействующем состоянии перед их использованием не должно
продолжаться более срока, указанного на них; в противном случае сохранение
работоспособности не гарантируется. Однако при хранении в течение
указанного срока происходит некоторое снижение емкости, но не больше, чем
на одну треть.
В последнее время выпускаются ещё малогабаритные оксидно – ртутные
(ртутно – цинковые) герметичные элементы, имеющие более высокие качества,
нежели элементы типа МЦ. Устройство оксидно – ртутных элементов показано
на рис. 5. Элемент имеет стальной корпус состоящий из двух половин,
отделенных друг от друга герметизирующей изоляционной прокладкой из резины.
В одну половину корпуса впрессована активная масса из оксида ртути
(HgO) с графитом, являющаяся положительным электродом. Отрицательным
электродом служит цинковый порошок, впрессованный в другую половину
корпуса. Щелочной электролит (КОН) пропитывает пористую прокладку,
разделяющую электроды. Эти элементы выпускаются разных размеров и разной
емкости (от десятых долей ампер-часа до нескольких ампер-
часов). ЭДС у них составляет примерно 1,35 В. Срок хранения этих элементов
2,5 года. Саморазряд не превышает 1 % в год. По сравнению с МЦ-элементами
ртут-
[pic]
Рис. 5. Устройство герметичного оксиднво-ртутного элемента;
1 – стальной корпус с положительным электродом; 2 – пористая прокладка; 3 –
резиновая уплотняющая прокладка; 4 – крышка корпуса с отрицательным
электродом.
но – цинковые элементы имеют большую емкость, меньшее внутреннее
сопротивление, но более высокую стоимость. Они широко применяются в
электронных часах, кардиостимуляторах, фотоэкспонометрах, измерительных
приборах. У самых малогабаритных элементов размеры составляют всего лишь
несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.
Важной особенностью оксидно-ртутных элементов является стабильность
напряжения при разряде. Только в самом конце разряда напряжение резко
падает до нуля.
3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ.
Выше говорилось, что ЭДС обычного химического элемента приблизительно равна
1,5 В. Для увеличения ЭДС применяют батарею с последовательным соединением
элементов. В этом случае “+” одного элемента соединяют с “–” другого и т.
д. “Минус” первого и “плюс” последнего являются полюсами всей батареи (рис.
6.).
При последовательном соединении элементов ЭДС возрастает во столько
раз, сколько соединено элементов.
[pic]
Рис.6. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
Реже встречается параллельное соединение элементов, при котором
положительные полюсы всех элементов соединяются вместе, образуя
положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи получается путем
соединения отрицательных полюсов элементов (рис. 6). При параллельном
соединении элементов ЭДС батареи не увеличивается, но возрастают емкость и
максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют,
когда нужно получить больший разрядный ток и большую емкость, чем у одного
элемента.
Значительно чаще прибегают к смешанному соединению, при котором
увеличиваются и ЭДС, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае
обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе
соединяют последовательно столько элементов сколько нужно для получения
необходимой ЭДС.
[pic]
Рис. 7. Смешанное соединение элементов в батарею.
Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального
разрядного тока (рис. 7). Вообще желательно составлять батареи из
последовательно соединённых элементов с достаточным разрядным током. И
только в случае, когда необходимо получить больший ток или увеличенную
емкость, прибегают к смешанному соединению. Включение дополнительных
элементов по принципу смешанного соединения применяется также для повышения
напряжения, если элементы сильно разрядились.
Во время бездействия батареи параллельные группы элементов надо
отсоединять друг от друга, так как за счет даже незначительной разницы в
ЭДС одна группа может разряжаться на другую.
4. КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ.
По сравнению с гальваническими элементами аккумулятор обладают более
постоянным напряжением и могут давать большие разрядные токи.
Недостатком аккумуляторов является необходимость периодического заряда их
от какого-либо источника постоянного тока.
Срок службы аккумуляторов значительно выше, чем гальванических
элементов. При правильном уходе аккумуляторы могут работать несколько лет и
допускают до нескольких сотен циклов заряд-разряд.
Простейший кислотный (свинцовый) аккумулятор состоит из двух
свинцовых пластин, опущенных в раствор серной кислоты. В таком виде он не
дает никакой разности потенциалов. Чтобы в аккумуляторе возникла ЭДС, его
нужно зарядить, то есть пропустить через него постоянный ток от какого-либо
источника. Во время заряда в аккумуляторе происходит химическое разложение
серной кислоты, причем на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород.
Последний окисляет поверхность анодной пластины, и она покрывается
коричневым слоем диоксида свинца; катодная пластина остается чисто
свинцовой. В результате получается элемент с двумя разнородными пластинами
в растворе кислоты. Если теперь отсоединить заряжающий источник, то
окажется, что аккумулятор обладает некоторой ЭДС и при включении на внешнюю
цепь может дать ток.
Во время разряда аккумулятора направление тока противоположно
направлению зарядного тока и химические процессы при разряде происходят в
обратном порядке: на положительной пластине выделяется водород, а на
отрицательной – кислород. Вследствие этого через некоторое время обе
пластины становятся одинаковыми и ЭДС аккумулятора уменьшается до нуля.
Если аккумулятор снова зарядить, то он опять будет давать ток, пока не
разрядится.
При заряде аккумулятор накапливает энергию, а при разряде отдает ее.
Само слово «аккумулятор» означает накопитель. Однако электрическая энергия
накапливается в аккумуляторе не непосредственно. Энергия зарядного тока
расходуется на создание новых химических веществ, а при разряде они
разлагаются и почти полностью отдают энергию, затраченную на их
образование. В нормальном режиме работы аккумулятор отдает около 75 %
энергии, полученной при заряде.
Свинцовый аккумулятор имеет ЭДС примерно 2 В. Внутреннее
сопротивление у него очень невелико, рабочее напряжение можно считать
равным ЭДС. К концу заряда ЭДС аккумулятора увеличивается до 2,7 В, но при
разряде сначала быстро снижается до 2 В, а затем остается почти постоянной.
Лишь в конце разряда ЭДС довольно быстро уменьшается до 1,8 В. Ниже этого
напряжения разряжать аккумулятор не следует.
Рассмотрим процессы, происходящие в свинцовом аккумуляторе. Свинцовые
пластинки в воздухе всегда покрыты пленкой оксида свинца PbO. Под действием
серной кислоты оксид свинца превращается в сернокислый свинец (сульфат
свинца) PbSO4 , по уравнению
PbO + Н2SO4 = PbSO4 + Н2О.
При заряде серная кислота разлагается на ионы Н2 и SO4. Отрицательные
ионы SO4 подходят к аноду и превращают сульфат свинца в диокид свинца PbO2:
PbSO4 + SO2 + 2Н2О = PbO2 + 2Н2SO4.
Ионы водорода во время заряда подходят к катоду и восстанавливают на
его поверхности чистый свинец:
PbSO4 + Н2 = Pb + Н2SO4.
Как видно, при заряде образуется серная кислота, то есть концентрация
ее в растворе возрастает. Так как разрядный ток противоположен по
направлению зарядному, то все реакции при разряде происходят в обратную
сторону (написанные выше уравнения надо читать в обратном направлении).
Поэтому в конце разряда пластины снова будут покрыты сульфатом свинца.
Концентрация серной кислоты при разряде уменьшается.
Аккумулятор из двух свинцовых пластин мало пригоден для практического
использования. Он обладает слишком небольшой емкостью и может давать ток
весьма непродолжительное время, так как диоксида свинца при заряде
получается мало.
Пластины современных аккумуляторов изготовляются решетчатыми (рис.8)
и заполняются активной массой, состоящей из диоксида свинца для
положительных пластик и губчатого (мелко раздробленного) свинца для
отрицательных.
Применение пластин с активной массой значительно повышает ёмкость
аккумулятора. Кроме того, для увеличения емкости в аккумуляторе
устанавливают не две пластины, а большее их количество (например, пять
семь или девять). Число отрицательных пластин бывает на одну больше, чем
положительных. Каждую положительную пластину размещают между двумя
отрицательными (рис. 9). Поэтому поверхность пластин используется с обеих
сторон; только у крайних пластин в работе участвует лишь одна поверхность.
Чтобы не допустить короткого замыкания пластин, между ними помещают
пористые изоляционные прокладки-сепараторы. Сосуды аккумуляторов делаются
чаще всего из кислотоупорной пластмассы.
[pic]
Рис. 8. Пластина кислотно-
го аккумулятора.
[pic]
Рис. 9. Принцип устройства многопластинчатого аккуму-лятора.
Электролит приготовляется из химически чистой серной кислоты и
дистиллированной или снеговой воды. Недостаточно чистая кислота или вода,
содержащая примеси, могут испортить аккумулятор. У электролита плотность
должна быть 1,25 – 1,26 при температурах выше нуля и 1,30 – 1,35 при
температурах ниже нуля. Если температура выше 30°, то плотность электролита
снижают до 1,20 – 1,21. Для измерения плотности электролита служит
ареометр, представляющий собой запаянную стеклянную трубку, в нижней части
которой помещён груз, а выше расположена бумажная шкала с делениями,
соответствующими различным плотностям. Чем меньше плотность раствора, тем
глубже опускается ареометр в раствор. Отсчет плотности ведётся по уровню
раствора.
При приготовлении электролита кислоту тонкой струёй наливают в
дистиллированную воду, непрерывно размешивая раствор чистой стеклянной
палочкой. Нельзя наливать воду в кислоту, так как при этом происходит
сильное нагревание и даже кипение с разбрызгиванием кислоты, которая может
испортить одежду и вызвать ожоги. Во время работы с кислотой необходимо
иметь под руками раствор щёлочи, на пример соды. Если кислота попала на
тело или одежду, этим раствором нужно сейчас же смочить место, на которое
попала кислота, и тем самым нейтрализовать её. Электролит наливают в
аккумулятор так, чтобы уровень его был несколько выше пластин. Плотность
электролита, заливаемого в новый аккумулятор должна быть 1,12. В крышке
аккумулятора сделаны отверстия для наливания электролита, закрытые
пробками. В пробках имеются небольшие отверстия для выхода газов. После
заливки электролита в новый аккумулятор его оставляют на шесть часов, чтобы
активная масса пропиталась электролитом.
При заряде положительный полюс аккумулятора соединяется с
положительным полюсом заряжающего источника, напряжение которого должно
быть несколько выше, чем ЭДС аккумулятора. Для установления нужного тока
применяется реостат, который включается в один из проводов, идущих к
аккумулятору. Для того чтобы контролировать ток, иногда включают еще
амперметр. Зарядный ток (в ампер-часах) не должен превышать [pic] емкости
аккумулятора (в ампер-часах). Например, максимальный зарядный ток для
аккумулятора емкостью в 40 А(ч равен 4 А. Нормальный заряд аккумулятора
обычно длится 12 часов. При большем токе аккумулятор перегревается и
происходит разрушение активной массы пластин. Если заряд вести меньшим
током, что вполне допустимо и даже желательно, то продолжительность заряда
соответственно увеличивается. Когда заряжается новый, еще не работавший
аккумулятор, то заряд осуществляют более продолжительное время, повторяя
его несколько раз и разряжая аккумулятор в промежутках между такими
зарядами. Правила заряда подробно указаны в инструкции, прилагаемой к
аккумулятору.
Когда аккумулятор совершенно разряжен, то в начале заряда его ЭДС
равна 1,8 В, а в конце заряда она повышается, как известно, до 2,7 В. В
конце заряда происходит бурное выделение пузырьков газа в электролите,
который как бы «кипит». Если имеется вольтметр, то конец заряда можно
определить и по возрастанию ЭДС аккумулятора до 2,7 В. Обычно аккумулятору
дают «покипеть» час-два, после чего заряд считают оконченным.
Необходимо помнить, что из аккумулятора выделяется водород и
кислород, смесь которых представляет собой так называемый гремучий газ,
легко взрывающийся от искры или пламени. Поэтому к аккумулятору нельзя
подносить зажженные предметы.
При разряде аккумуляторов нужно соблюдать следующие правила.
Максимальный разрядный ток не должен превышать [pic] емкости аккумулятора.
Надо остерегаться короткого замыкания аккумулятора, при котором возникает
очень большой ток. Он вызывает порчу аккумулятора: его пластины коробятся и
из них выпадает активная масса, которая может замкнуть накоротко пластины.
Нельзя пробовать аккумулятор «на искру», соединяя его полюсы накоротко.
Как только ЭДС при разряде понизится до 1,8 В, нужно не позднее чем
через сутки поставить аккумулятор на заряд, иначе пластины аккумулятора
покроются белым налётом сернокислого свинца (сульфата). Этот налёт сильно
снижает емкость аккумулятора. Удалить сульфат с пластин очень трудно.
[pic]
Рис. 10. Внешний вид кис-лотного аккумулятора.
Аккумулятор постепенно разряжается, даже находясь в бездействующем
состоянии. Каждые сутки за счет саморазряда теряется примерно 1 % емкости.
Такой саморазряд увеличивается, если в электролите и в пластинах имеются
вредные примеси. Кроме того, аккумулятор может разряжаться через плохую
изоляцию между своими выводами. Необходимо тщательно вытирать сосуды и
следить за изоляцией между выводами. Быстрый саморазряд происходит также
при коротком замыкании между пластинами аккумулятора. Чтобы не допустить
полного саморазряда, необходимо аккумулятор заряжать раз в месяц, даже если
он не разрядился полностью или совсем не работал. Вообще не рекомендуется
оставлять на длительное время заряженный аккумулятор без работы. Лучше его
разрядить, вылить кислоту и несколько раз промыть водой.
При снижении уровня электролита вследствие испарения воды нужно
доливать дистиллированную воду, а не кислоту. Все выступающие наружу
свинцовые выводы от пластин и зажимы следует смазывать вазелином,
предварительно удаляя с них оксидный слой. Нельзя допускать загрязнения
аккумулятора и попадания в него пыли. Свинцовые аккумуляторы боятся сильных
сотрясений и толчков. Во время заряда из аккумулятора выделяются вредные
для дыхания пары, поэтому аккумуляторы не следует заряжать в жилом
помещении.
Промышленностью выпускаются кислотные аккумуляторы многих типов на
различные ёмкости и батареи на различные напряжения, состоящие из
нескольких аккумуляторов, соединённых последовательно. Внешний вид
кислотного аккумулятора показан на рис. 10.
5. ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ.
По сравнению с кислотными аккумуляторами щелочные аккумуляторы
обладают следующими достоинствами: они значительно легче, не боятся толчков
и сотрясений, не портятся от коротких замыканий, а также от больших
зарядных и разрядных токов, могут длительное время оставаться в разряженном
состоянии. Но щелочные аккумуляторы дороже свинцовых и имеют меньшую ЭДС.
Они отдают при разряде не более 65% энергии, полученной во время заряда.
Электролитом в щелоных аккумуляторах служит раствор щелочи (едкого кали или
едкого натра) с небольшой добавкой едкого лития, который несколько
увеличивает ёмкость. Для этих аккумуляторов применяются железные
никелированные сосуды. Пластины представляют собой железные рамки с
коробочками из тонкого листового железа, имеющего много отверстий. Эти
коробочки наполнены активной массой, состоящей для положительных пластин из
гидрата оксида никеля и графита, а для отрицательных пластин – из кадмия и
железа. Аккумуляторы с такими пластинами называются кадмиево-никелевыми.
Кроме того, применяются ещё железо-никелевые аккумуляторы, у которых
активная масса имеет несколько иной состав и не содержит кадмия. Свойства
аккумуляторов обоих типов примерно одинаковы.
Положительные пластины обычно соединяются с сосудом аккумулятора, а
отрицательные пластины изолируются от него. В каждом аккумуляторе
количество положительных пластин на одну больше, чем отрицательных. На рис.
11. показан внешний вид одного из щелочных аккумуляторов.
[pic] [pic]
Рис.11. Внешний вид Рис.12. Устройство герметичного
щелочного аккумулятора кадмиево-никелевого аккумулятора.
ЭДС щелочных аккумуляторов ниже, чем кислотных, и менее постоянна.
Рабочим значением можно считать 1,2 В. В начале разряда ЭДС достигает 1,4
В, а когда напряжение падает до 1 В, разряд следует считать законченным и
надо поставить аккумулятор на заряд. Нормальный заряд щелочных
аккумуляторов продолжается шесть часов, причем ток должен составлять [pic]
емкости аккумулятора.
Номинальный разрядный ток принимается равным, [pic] емкости. При
необходимости допускается ускоренный заряд.
«Кипение» электролита у щелочных аккумуляторов происходит в течение
всего заряда и поэтому не может служить признаком его окончания. Последнее
определяется главным образом по продолжительности заряда и по значению ЭДС
каждого элемента. Необходимо иметь виду, что лучше перезарядить щелочной
аккумулятор, чем недозарядить его.
Во время заряда и в течение двух-трех часов после него пробки должны
быть вынуты из аккумулятора. Электролит у щелочных аккумуляторов имеет
неприятную особенность: он образует мелкие кристаллы, которые покрывают
внутри все стенки сосуда и «выползают» наружу, загрязняя выводы от пластин.
Для устранении этого явления нужно добавить в каждый элемент несколько
капель вазелинового масла, а также смазывать вазелином все части на верхней
крышке. Желательно менять электролит один раз в шесть месяцев. Срок службы
щелочных аккумуляторов составляет не более 1000 циклов заряд-разряд.
В процессе работы при низких или высоких температурах щелочные
аккумуляторы заметно снижают емкость. Чтобы уменьшить такую потерю емкости,
при температуре выше +20° следует в качестве электролита применять раствор
едкого натра плотностью 1,16 – 1,18. Заряд в жаркую погоду рекомендуется
осуществлять вечером или ночью. Зимой при температуре –15° нужно применять
едкий кали плотностью 1,3. При температуре от –15° до +20° применяют
раствор едкого кали плотностью 1,18 – 1,20. Следует помнить, что едкая
щёлочь, как кислота, может испортить одежду и вызвать ожоги. Для
нейтрализации щелочи под руками нужно иметь раствор борной кислоты или
уксус.
Промышленностью выпускаются герметичные щелочные (кадмиево-никелевые)
аккумуляторы малого размера двух типов дисковые и цилиндрические. Дисковые
аккумуляторы по внешнему виду похожи на герметичные малогабаритные сухие
элементы (рис. 12). Они имеют стальной никелированный корпус, состоящий из
двух частей, между которыми находится герметизирующая резиновая прокладка.
Находящиеся внутри корпуса положительный и отрицательный электроды отделены
друг от друга сепаратором. Самый маленький дисковый аккумулятор имеет
диаметр 11,6 мм, высоту 5,5 мм и массу 2 г.
Цилиндрические малогабаритные аккумуляторы отличаются от дисковых
формой корпуса и наличном нескольких положительных и отрицательных пластин,
для крепления которых в корпусе имеются кольцевые канавки.
У всех герметичных аккумуляторов напряжение в начале разряда
составляет 1,3 В, в конце разряда – 1 В. Заряд их рекомендуется проводить в
течение 15 ч током, составляющим 0,1 емкости. Эти аккумуляторы могут
работать при температуре от –10° до +50°С. Если рабочая температура ниже
нуля, то емкость значительно снижается. При –10° емкость вдвое меньше, чем
при +20 °С. После 500 циклов заряд-разряд емкость снижается на 50 %.
Саморазряд при хранении заряженных аккумуляторов довольно велик. За
тридцать суток хранения ёмкость уменьшается на 40 %.
Помимо одиночных аккумуляторных элементов, выпущены также батареи из
нескольких дисковых или цилиндрических аккумуляторов, помещенных в
пластмассовый корпус.
Многие десятки лет единственными применяемыми типами аккумуляторов,
были кислотные и щелочные (кадмиево-никелевые или железо-никелевые)
аккумуляторы. В последнее время стали выпускаться серебряно-цинковые
щелочные аккумуляторы.
По сравнению со старыми типами эти новые типы аккумуляторов имеют
значительно большую емкость, малые объём и массу, очень малый саморазряд,
малое внутреннее сопротивление. Они допускают число циклов заряд-разряд до
500. Отдача по емкости у них до 100%, по энергии – до 85%.
Положительные пластины серебряно-цинкового аккумулятора делаются из
серебра и оксида серебра. Отрицательные пластины спрессованы из порошка
цинка в оксида цинка. Пластины находятся в сосуде из пластмассы.
Электролитом является раствор едкого кали плотностью 1,4. Рабочее
напряжение 1,5 В, а в самом начале разряда оно достигает 2 В. В конце
разряда напряжение начинает резко снижаться и тогда аккумулятор следует
ставить на заряд. Напряжение в течение всего разряда стабильно, и поэтому
аккумулятор этого типа можно использовать в качестве источника эталонного
напряжения.
Серебряно-цинковые аккумуляторы допускают разряд очень большими
токами. В течение 15 мин аккумулятор можно разрядить почти до полного
использование емкости. Номинальная рабочая температура составляет –30° до
+70 °С. Недостатком этих аккумуляторов является высокая стоимость.
Список литературы:
1. Л. М. Пиотровский., Электрические машины, – М.: Госэнергоиздат,1960. –
532с.
2. Пособие для изучения правил технической эксплуатации электрических
станций и сетей . Электрическая часть электростанций и электрические сети,
– М.: Госэнергоиздат,1962. – 560с.
3. И. П. Жеребцов., Электрические и магнитные цепи. Основы электротехники,
– Л.: Энергоатомиздат,1987. – 256с.
4. Справочник по наладке электроустановок и электроавтоматики, – Киев:
Наукова думка, 1972. – 624с.
5. Справочник по физике, – М.: Наука,1971. – 940с.
Реферат на тему: Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов
Московский Государственный Открытый Университет
Факультет информатики и радиоэлектроники
Кафедра электронных приборов.
Пояснительная записка
по дисциплине «Технология производства полупроводниковых приборов»
на тему: «Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов»
специальность 200300 /С
Студента:
Иванова С.М.
шифр № 696823
заочная форма обучения
Преподаватель:
Кротов В.В.
2000
Содержание.
Введение. 2
Методы защиты р-п-переходов полупроводниковых кристаллов и пластин. 7
Защита поверхности p-n-переходов лаками и эмалями 8
Эпоскидные смолы. 13
Компаунды на основе эпоксидных смол. 19
Защита поверхности p-n-переходов вазелином и цеолитами. 27
Защита p-n-переходов плёнками окислов металлов. 29
Защита поверхности p-n-переходов плёнками нитрида кремния. 32
Защита p-n-переходов легкоплавкими стеклами 37
Защита поверхности p-n-переходов силанированием. 42
Защита поверхности р-п-переходов окислением. 44
Очистка полупроводниковых приборов перед герметизацией. 50
Состояние и свойства поверхности полупроводников. 52
Методы очистки поверхности полупроводника. 54
Химическая и электролитическая отмывка полупроводников. 55
Отмывка в кислотах и щелочах. 59
Отмывка во фреонах. 60
Отмывка водой. 62
Отмывка в ультразвуковых ваннах. 64
Определение чистоты поверхности. 68
Контроль качества промывки. 73
Сушка деталей. 74
Контроль герметичности полупроводниковых приборов. 76
Описание технологического процесса. 78
Список используемой литературы. 82
Введение.
Технология производства полупроводниковых приборов – это техническая
наука, занимающаяся изучением физико-химических основ технологических
процессов производства электронных прибор и закономерностей, действующих в
процессе изготовления этих изделий.
Использование результатов исследований фундаментальных наук и
доведение их до инженерного решения применительно к производству изделий
электронной техники позволяют разрабатывать новые технологические процессы
для серийного и массового изготовления.
Развитие прикладных наук в области получения чистых и сверх чистых
материалов, нанесения покрытий, соединения различных материалов,
электрофизических и электрохимических методов обработки способствовали
совершенствованию полупроводниковой и плёночной технологии, особенно при
производстве микросхем.
Повышение качеств изделий требует высокой технологической точности и
дисциплины производства, своевременного анализа и корректировки
технологического процесса, построения оптимального технологического
процесса.
Повышению качеств и стабильности технологических процессов,
обеспечивающих массовое производство изделий с воспроизводимыми
параметрами, способствует внедрение автоматизированных систем управления с
полным исключением человека-оператора и его субъективного влияния на ход
технологического процесса.
Создание высокопроизводительных машин и автоматических линий требует
знания основ технологии производства, современных методов изготовления
деталей и узлов, нанесения покрытий, получение электронно-дырочных
переходов, сборки приборов и микросхем и т.п.
Производство изделий электроники состоит из нескольких этапов, в
результате проведения которых материалы превращаются в готовые изделия.
Производственный процесс в электронном приборостроении состоит из:
технологической подготовки производства; получения и хранения материалов и
полуфабрикатов; технологического процесса изготовления деталей, сборки
изделий; испытания готовых изделий; упаковки и хранения готовых изделий.
Технологический процесс является той частью производственного
процесса, во время которого непосредственно происходит последовательное
качественное изменение состояние продукта производства.
Проектирование технологического процесса ставит своей целью получение
высококачественных изделий электронной техники, отвечающих техническим
условиям и чертежам при высокой производительности и экономичности.
Для защиты кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем, кристаллов и подложек гибридных микросхем от воздействий
внешней среды, стабилизации параметров, повышения срока службы и надёжности
осуществляют герметизацию в металлических, металлостеклянных,
керамических, металлокерамических и пластмассовых корпусах. В отдельных
случаях, особенно при защите активных и пассивных элементов гибридных
микросхем, производят бескорпусную герметизацию.
При герметизации , а так же эксплуатации в корпуса может попасть
некоторое количество влаги, присутствие которой, как уже отмечалось ,
вызывается со временем изменения их параметров, обусловленные адсорбцией и
десорбцией молекул воды поверхностью полупроводника при колебаниях
температуры окружающей среду. Чтобы уменьшить влияние переменной влажности
на параметры полупроводниковых приборов, в корпуса вводят влогопоглотители
– цеолиты, адсорбированные осушители (силикагель, активированный оксид
алюминия, пористые стёкла и др.) и реактивные поглотители влаги ( щелочные
металлы и их гидриды, полугидратированный сульфат кальция, оксид бария и
др.
Цеолиты — кристаллические алюмонесиликаты натрия или кальция – имеют
кристаллическую решётку с узкими каналами (диаметром около 0,001 мкм),
обладающими высокой сорбционной ёмкостью и способными адсорбировать
большие количества веществ при их малых концентрациях в газовых смесях.
Расположение на стенках каналов атомы Na+ или Са+ играют роль ионообменных
катионов и образуют электростатические поля, обеспечивающие высокое
сродство цеолитов с полярными (электрически несимметрическими) молекулами,
особенно с молекулами воды. Цеолиты позволяют осушить газ до точки росы –
70С и активно поглощают влагу вплоть до 200С. Цеолиты применяются в виде
кристаллического порошка, а так же таблеток или шаров различных размеров в
смеси с добавками глины. (15–20%).
Адсорбционные осушители — пористые вещества с сильно развитой
поверхностью. Сорбционная емкость их значительно ниже сорбционной ёмкости
цеолитов и при повышении температуры резко уменьшается . Недостаток
адсорбционных осушителей является зависимость обеспечиваемой ими
относительной влажности от количества влаги, содержащейся в корпусе
полупроводникового прибора, и температуры окружающей среды.
Реактивные поглотители влаги, обеспечивающие постоянную относительную
влажность в корпусе полупроводникового прибора,— это химические вещества,
способные необратимо поглощать влагу. В качестве реактивных
влагопоглотителей применяют тонкоизмельчённые щелочные металлы. Мелкие
частицы, получаемые растворением щелочного металла в полуметилсилоксане
или неполярных органических растворителях , наносят, погружая прибор в
раствор непосредственно перед герметизацией.
Постоянную относительную влажность (ниже 1%) обеспечивает применение
в качестве влагопоглотителя безводного сульфата кальция в смеси с
полугидратированным сульфатом кальция. Так как две кристаллические фазы
находятся в замкнутом объёме, при определённой температуре устанавливается
равновесие между полугидратом сульфата кальция, с одной стороны, и
безводным сульфатом кальция м парами воды — с другой стороны. Равновесие, а
следовательно, и содержание влаги в газовой фазе остаётся постоянным
независимо от общего содержания в корпусе прибора. Тоглько после того как
безводная фаза полностью исчезнет (превратится в гидратированную),
добавление влаги резко повышает относительную важность.
Эффективное влагопоглощение (постоянную относительную влажность
0,2%) обеспечивает также смесь окиси бария с полугидратом сульфата кальция.
На рис 65 приведены зависимости относительной влажности, обеспечиваемой
реактивными и адсорбционными влагопоглотителями, от количества воды в
корпусе прибора (кривые построены для замкнутого объёма 1 см3, в котором
имеется 100 мг влагопоглотителя). Относительная влажность в объёме в
состоянии установившегося равновесия зависит от типа влагопоглотителя и
количества воды.
Использование химических влагопоглотителей при герметизации
полупроводниковых приборов и микросхем повышает стабильность их
эксплуатационных характеристик и улучшает параметры.
Наряду с защитой полупроводниковых приборов и микросхем помещением
их в корпус применяют герметизацию полимерными оболочками. Разработка
эффективных способов пассивации поверхности полупроводников плёнками
неорганических диэлектриков (оксидов, нитридов, легкоплавких стёкол и др.),
а так же различных полимерных компаундов и пресс порошков, обладающих
высокими защитными свойствами, позволила широко использовать этот метод в
производстве полупроводниковых приборов и микросхем.
Герметизация приборов и микросхем полимерными оболочками требует
гораздо меньших (в 2-4 раза) затрат, чем помещение их в металлические,
стеклянные и металлокерамические, металлостеклянные и другие корпуса, и
обеспечивает высокую механическую прочность и большую стойкость к
вибрациям и ударам. Кроме того, использование полимерных оболочек позволяет
получать полупроводниковые приборы с малым отношением объёма прибора к
объёму его активной части.
Для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем используют
полимерные материалы на основе эпоксидных, кремнийорганических и
полиэфирных смол, которые должны:
. быть механически прочными, выдержать определённые ударные нагрузки,
вибрацию и ускорение, а так же обладать термостойкостью в диапазоне от
–60 до +150 С;
. обладать высокими диэлектрическими свойствами (малыми диэлектрическими
потерями, высокими удельным сопротивлением и электрической прочностью);
. быть химически стойкими к воздействию различных химических реактивов,
применяемых при сборке приборов;
. не содержать примесей, ухудшающих параметры приборов;
. легко поддаваться формовке и иметь малую усадку при отверждении;
. быть дешевым;
. обеспечивать товарный вид изделия.
Стабильность параметров и надежность полупроводниковых приборов,
герметизированных полумерами , определяются изменениями, которые
происходят на поверхности полупроводника при проникновении влаги через
полимерную оболочку, а также наличием примесей в полимерном материале и
внутренним механическими напряжениями, возникающие в герметизирующем слое.
Внутренние механические напряжения, возникающие в полимерной оболочке,
обусловленные усадкой материала при отверждении и разностью значений
коэффициентов температурного расширения полимера и полупроводникового
материала, соответственно делит на усадочные и термические.
Усадка полимера при отверждении происходит вследствии испарения
растворителя, если оболочку получают из раствора, или кплотнения, если
отверждение происходит полимеризацией. Так, как в процессе усадки объём
оболочки уменьшается, в ней могут возникнуть только напряжения растяжения.
При охлаждении системы полупроводник–полимер, отверждённой при высокой
температуре, возникают термические напряжения, также являющиеся
напряжениями натяжения. Внутренее механическое напряжения могут вызвать
растрескивание и отслаивание полимерной оболочки от полупроводникового
кристалла, то есть нарушение герметичности, возникновение механических
напряжений в полупроводниковом кристалле, существенно влияющих на
электрические характеристики p-n-переходов, нарушение монтажных
межсоединений внутри полимерной оболочки и повышение её газо- и
влагопроницаемости.
Так как при длительной работе полупроводниковых приборов в полимерном
материале могут протекать процессы старения, сопровождающиеся изменением
его пластичности и прочности, необходимо использовать полимерные материалы,
сохраняющие работоспособность в течение длительного времени. Чтобы
обеспечить достаточную работоспособность полимерных оболочек и максимально
уменьшить внутренние напряжения, необходимо процесс отверждения проводить
при строго контролируемой температуре в наиболее благоприятном диапазоне.
Методы защиты р-п-переходов полупроводниковых кристаллов и пластин.
В процессе хранения и эксплуатации ИМС подвергаются внешним
воздействиям, которые обусловлены чаще всего изменением температуры или
влажности окружающей среды, увеличением или уменьшением атмосферного
давления, присутствием активных веществ в окружающей атмосфере, наличием
вибраций, ударов и других факторов. Для защиты полупроводниковых приборов
от таких воздействий предусматривается комплекс специальных мер. Наиболее
широкое распространение в настоящее время получили два способа защиты
полупроводниковых структур: бескорпусная защита и корпусная защита (с
использованием различных типов корпусов).
Выбор конструктивно-технологического варианта исполнения бес
корпусной защиты определяется в первую очередь назначением и требованиями,
предъявленными к защищаемой микросхеме. Например, если предусматривается
защита сборочной единицы, в состав которой входит бескорпусная микросхема,
то предварительно производится лишь промежуточная технологическая защита
микросхемы, обеспечивающая стабильность её параметров на этапе
изготовления. Если же бескорпусная микросхема выпускается в виде
самостоятельного изделия, то её защита осуществляется с учётом всего
комплекса климатических и механических воздействий, предусмотренных
техническими условиями эксплуатации на данную микросхему.
Особое требование в случае бескорпусной защиты предъявляются к
химической частоте и термостойкости герметизирующих покрытий, к их физико-
механическим свойствам, влагопоглащению. Кроме того, герметизирующие
материалы должны не только обеспечивать высокую жёсткость создаваемой
конструкции, но и устойчивость её к различным видам воздействий.
Для бескорпусной защиты полупроводниковых структур используются в
основном неорганические и органические полимерные материалы. Более высокой
надёжностью характеризуются покрытия из неорганических материалов, однако,
бескорпусная защита на основе органических материалов гораздо дешевле.
Если в процессе эксплуатации или хранения полупроводниковых приборов
требуется защита, обеспечивающая их работоспособность в течении промежутка
времени, то в этом случае рекомендуется применять корпусную герметизацию.
Причём корпуса должны отвечать следующим основным требованиям: обладать
достаточной механической прочностью и коррозионной стойкостью; иметь
минимальные размеры; обеспечивать чистоту среды, окружающей
полупроводниковый прибор; позволять легко и надёжно выполнять электрическое
соединение между полупроводниковым приборами печатной платы, на которую
устанавливается полупроводниковый прибор; обеспечивать минимальные
паразитные ёмкости и индуктивности конструкции; обеспечивать надёжную
изоляцию между токопроводящими элементами; быть герметичными и
предотвращать проникновение влаги к защищаемой микросхеме; обеспечивать
минимальное тепловое сопротивление между полупроводниковой структурой и
окружающей средой ; защищать от воздействий электромагнитного поля и
радиоактивного излучения; обеспечивать возможность автоматизации процесса
сборки; иметь минимальную стоимость.
Защита поверхности p-n-переходов лаками и эмалями
Защищают p-n-переходы от внешних воздействий тонкими слоями
специальных лаков и эмалей, наносимых на место выхода перехода на
поверхность. Покрытие плотно сцепляется с поверхностью полупроводника и
предотвращает доступ водяных паров, кислорода и др. Достоинством метода
является его простота и технологичность.
Защита p-n-переходов методом лакировки имеет ряд недостатков. К
основным из них следует отнести то, что применяемые в настоящее время лаки
не отвечают требованиям, предъявляемым полупроводниковой технологией :
недостаточно влагостойки, плохо переносят резкое изменение температуры
окружающей среды, растрескиваются или отслаиваются при низких температурах.
Кроме перечисленных недостатков, следует отметить еще один важный
недостаток лаков- их способность создавать в приповерхностном слое
полупроводника значительные механические напряжения, что объясняется
разными коэффициентами термического расширения лака и полупроводникового
материала. Таким образом, качество защиты p-n-переходов и свойства
лакированных приборов зависят от свойств лаков.
В качестве исходных материалов для лаков используются
кремнийорганические смолы, обладающие высокой влагостойкостью и хорошими
диэлектрическими свойствами. Однако чистые кремнийорганические лаки имеют
ряд недостатков ( трескаются при низких температурах, недостаточно
сцепляются с полупроводниками, хрупки) , которые устраняют введением
модифицирующих добавок и специальных наполнителей. Некоторые свойства
наиболее употребительных лаков и эмалей приведены в таб. 26. При выборе
защитного покрытия ( лака или эмали ) необходимо исходить из
эксплуатационных требований, которые предъявляют к конкретному
полупроводниковому прибору.
Важным фактором при защите p-n-переходов лаков является чистота
лакируемой поверхности, которая должна быть тщательно протравлена, промыта
и высушена. После сушки p-n-переходы переносят в специальных вакуумных
эксикаторах в скафандры, в которых носят лак на поверхность кристалла. При
нанесении лакового покрытия лак набирают в шприц и осторожно небольшими
порциями выдавливают на поверхность полупроводникового кристалла. Для
покрытия круглых структур применяют различные полуавтоматические
приспособления. Сушат лак в специально выделенных термостатах. Режим сушки
зависит от вида лака или эмали, а также типа прибора.
Лак К-1 — довольно густая, почти прозрачная масса вязкостью 80–100
сСт при 20 С. Плёнка этого кремнийорганического лака после полимеризации
при 130–150 С в течение не менее 4 ч почти прозрачна и удовлетворительно
переносит термоциклирование. Термостойкость около 200 0С. Применяют лак К-1
в основном для защиты сплавных кремниевых p-n-переходов. Наносят лак иглой
шприца или тонкой стальной проволокой, окуная ее в тигелек с лаком. При
нанесении лак не полностью переходит с иглы ( или проволоки ) на кристалл,
что приводит к утолщению ее кончика, которое удаляют, протирая иглу
миткалем, смоченным в спирте.
Лак К-55 –густая прозрачная вязкая масса желтоватого цвета,
приготавливаемая из полиорганосилоксановой смолы. Защитная пленка
образуется на поверхности полупроводникового кристалла после обработки при
130-1500С в течении 2-3 ч. Удельное объемное сопротивление пленки при 200С
равно 1013 Ом(см, а при 200 0С-1012Ом(см. После пребывания пленки в
атмосфере с повышенной влажностью ( 98%) ее объемное сопротивление
снижается до 1011 Ом(см. Термостойкость 150-1800С.
Лак К-57 –прозрачная вязкая масса светло-желтого цвета.Время
высыхания пленки лака при температуре 2000С равно 1-1,5 часа. Удельное
сопротивление при 200С равно 1014 Ом(см, а при 2000С –1012Ом см.
Термостойкость 180-2000С. Пленка обладает высокой влагостойкостью и
стойкостью к термоциклическому изменению температуры. Рекомендуемый режим
сушки: выдержка 10 часов при 150-1700С.
Лак МК-4У –вязкая масса желтого цвета. Связующим веществом является
кремнийорганическая смола , модифицированная полиэфирами и эпоксидными
смолами, а в качестве наполнителя в смолу вводиться слюда мусковит.
Рекомендуемый режим сушки: выдержка 2 ч при 1800С. Удельное объемное
сопротивление при 200С равно 1014 Ом*см. Термостойкость 180-2000С.
Защитный лак ПЭ-518 – терефталевоглицириновой смолы ТФ-4 в
циклогексане; прозрачная жидкость от светло- до темно-жёлтого цвета.
Обладает термостойкостью в диапазоне температур от –60 до +100С. Тангенс
угла диэлектрических потерь на частоте 106 Гц равен 0,04. Удельное объёмное
сопротивление равное в обычных условия 1014 Ом*см, после пребывание во
влажной среде атмосфере в течении 48 часов снижается до 1012 Ом*см.
Применяется для защиты p-nпереходов от воздействия влаги и воздуха.
Защитный лак КО-938В — раствор кремнийорганической смолы и толуола,
модифицированный полиэфиром; жидкость коричневого цвета. Перед
употреблением в лак добавляют сиккатив. Содержание сухого остатка равно
50%. Плёнка высыхает при 150 С в течение 30 мин. Адгезионная прочность
8*104 Н/м2. Электрическая прочность при 20 С равна 75 кВ/мм, при 200 С — 40
кВ/мм, а после воздействия влажной атмосферы в течении 48 часов —50 кВ/мм.
Удельное объёмное электрическое сопротивление при 20 С равна 1014 Ом*см, а
при 200 С — 1012 Ом*см. Диэлектрическая проницаемость на частоте 106 Гц
при 20 С равна 4, а тангенс диэлектрических потерь при тех же условиях –
6*10-4 . Применяется для защиты p-n-переходов полупроводниковых приборов,
работающих при температурах до 200 С, а также в качестве адгезионного
подслоя для эластичные заливочные компаунды.
Кремнийорганический лак КО-961-п — раствор
полиметилвинилфенолсилоксилазана в толуоле; бесцветная или светло-жёлтая
жидкость без механических примесей. Содержание сухого остатка не привышает
57-63%. Плёнка высыхает при 20 С в течение 60 минут. Электрическая
прочность при 20 С равна 85 кВ/мм, а при 150 С — 5 кВ/мм. Удельное объёмное
сопротивление при 20 С равно 1014 Ом*см, а при 150 С — 1012 Ом*см. Покрытия
обладают хорошей влагостойкостью и высокими диэлектрическими
характеристиками. Тангенс угла диэлектрических потерь – 0,003.
Диэлектрическая проницаемость 4,5. Лак легко воспламеняется: нижний
температурный предел воспламеняемости насыщенных паров в воздухе 8 С, а
верхний 36 С. Предельно допустимая концентрация раров лака в воздухе
составляет 10–20 мг/м3.
Лак сульфон —раствор полисульфонамида на основе изофталеновой кислоты
и 3,3-диаминодифенисульфона в диметилацетамиде или диметилформамиде;
жидкость желтоватого цвета. Содержание сухого остатка не превышает 15%.
Удельное объёмное сопротивление при 20 С равно 1014 Ом*см , при 200 С —
1012 Ом*см, а при 48-часовом воздействии влаги (95%) и 55 С — 1013 Ом*см.
Электрическая прочность при 20 равна 50 кВ/мм. Тангенс угла
диэлектрических потерь на частоте 103 Гц при температуре 20 С равен 0,02, а
диэлектрическая постоянная при тех же условиях – 4. Пр | |
