Материалы и компоненты электронных средств

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
В. А. Юзова,  О. В. Семенова,  П. А. Харлашин 
 
 
 
МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ  
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 
 
 
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации 
в качестве учебного пособия для студентов вузов по 
направлению 210200, 31.05.2010 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

Введение 

2 

УДК 621.396.6(07) 
ББК 32.844я73 
         Ю207 
 
 
 
Рецензенты:  
В. В. Патрушев, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИХХТ СО РАН; 
С. В. Комогорцев, кандидат физико-математических наук, старший 
научный сотрудник лаборатории «Физика магнитных пленок» ИФ СО 
РАН 
 
 
 
 
 
Юзова, В. А.  
Ю207         Материалы и  компоненты электронных средств : лаб. практикум / В. А. Юзова, О. В. Семенова, П. А. Харлашин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 140 с. 
ISBN 978-5-7638-2496-4 
 
В лабораторном практикуме изложены краткие теоретические сведения 
об электронных материалах и компонентах. Рассмотрены методы исследования 
и измерения свойств материалов и номинальных характеристик активных и пассивных компонентов электронных схем. Описаны процессы и явления, протекающие в материалах и компонентах электронной техники. Показаны связь и 
влияние типа, конструкции, материала компонента на электрофизические и эксплуатационные характеристики. 
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
бакалавров и специалистов 210200 «Проектирование и технология электронных 
средств», а также может использоваться при подготовке специалистов и бакалавров по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника». 
 
 
УДК 621.396.6(07) 
ББК 32.844я73 
 
 
ISBN 978-5-7638-2496-4                                                         © Сибирский федеральный  
                                                                                                       университет, 2012 
 

Предисловие 
 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Дисциплина «Материалы и компоненты электронных средств»  в соответствии с учебными планами направления подготовки бакалавров 
210200.62 «Проектирование и технология электронных средств» относится к дисциплинам профессионального цикла подготовки. Ее  методы и 
средства имеют как самостоятельное значение, так  и  используются в других изучаемых  дисциплинах  «Твердотельная электроника», «Вакуумная 
и плазменная электроника», «Квантовая и оптическая электроника», 
«Микроволновая электроника», а также в дисциплинах профессиональной 
специализации, предусмотренных вариантной частью учебных планов. 
В ходе изучения дисциплины студенты должны овладеть физическими закономерностями, определяющими свойства и поведение материалов в различных условиях их эксплуатации, во взаимосвязи с конкретными применениями в компонентах, приборах и устройствах электронной техники.  
В данном практикуме представлены лабораторные работы, при 
выполнении которых студенты смогут ознакомиться с материалами и 
компонентами электронной техники, методами исследования и измерения их основных свойств и характеристик.  
Лабораторный практикум охватывает все разделы дисциплины и 
построен таким образом, чтобы студенты могли использовать физическую сущность процессов, протекающих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах, при их применении в различных приборах и устройствах твердотельной электроники. 
В практикуме широко используется справочный аппарат по выбору требуемых материалов для конкретных устройств и условий эксплуатации, 
методы оценки основных свойств материалов и компонентов электронной техники.  

Лабораторный практикум выполняется под руководством препо
давателя. Каждая из работ может проводиться небольшой группой студентов. Лабораторная работа считается выполненной после ее защиты. 
Для допуска к защите студенты должны представить преподавателю отчет, оформленный в соответствии с приведенными требованиями. Защита включает проверку теоретических знаний с помощью контрольных 
вопросов. 

Данное издание рекомендуется для всех специальностей и направ
лений укрупненных групп 210000 «Электронная техника, радиотехника 
и связь» и 200000 «Приборостроение и оптотехника». 

Лабораторная работа 1 

4 

Лабораторная работа 1 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ   

ПЛОТНОСТИ МАТЕРИЛОВ 

Цель работы: ознакомление с методами определения плотности 

материалов, используемых при изготовлении элементов электронной 
техники. 

1. Теоретические сведения 

 
Свойства любого материала, независимо от агрегатного состояния, характеризуются рядом показателей, из которых наиболее информативным и важным является плотность. Знание плотности необходимо при измерении электрофизических, теплофизических и других свойств материалов электронной техники. Кроме того, плотность 
материалов оказывает существенное влияние на различные технологические процессы. По информативности, количеству технологических процессов и явлений, связанных с изменением плотности, последняя уступает только химическому составу. Таким образом, плотность любого материала является одной из основных физических характеристик. 
 

1.1. Измерение плотности твердых тел 
 
 Плотность однородного вещества ρ – это  физическая величина, определяемая отношением массы вещества m к занимаемому объему V: ρ = m/V. Плотность неоднородного вещества рассчитывается 
как предел отношения массы к объему, когда объем стягивается к 
точке, в которой определяется плотность [1].  
Отношение плотности двух веществ при стандартных условиях 
называется относительной плотностью; для жидкостей и твердых 
тел она обычно определяется по отношению к плотности дистиллированной воды, для газов – по отношению к плотности сухого воздуха 
или водорода. 

Определение плотности материалов 
 

5 

Плотность и удельный вес γ связаны между собой соотношением γ = a · ρ g, где  g – местное ускорение свободного падения; a – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения. 
Плотность вещества, как правило, уменьшается с повышением 
давления. При фазовых превращениях вещества плотность изменяется 
скачком, причем при переходе из жидкого состояния в твердое плотность обычно растет, за исключением воды и чугуна. Это необходимо 
учитывать при измерении плотности веществ или материалов. 
В табл. 1.1 приведены значения плотности ряда веществ, которые чаще всего могут использоваться при изготовлении компонентов 
электронной техники. 
Для измерения плотности твердых тел применяются следующие 
методы.  
1. Метод пикнометра, в котором искомую плотность определяют по результатам трех взвешиваний: тела в воздухе; пикнометра 
со вспомогательной жидкостью; пикнометра с той же жидкостью и 
погруженным в нем телом. В зависимости от свойств тела вспомогательной жидкостью служит вода или органическая жидкость. 
2. Гидростатическое взвешивание – метод измерения плотности 
жидкостей и твердых тел, основанный на законе Архимеда. Плотность твердого тела определяется с помощью последовательного 
взвешивания его на воздухе и во вспомогательной жидкости, плотность которой известна (обычно в дистиллированной воде). При первом взвешивании определяется масса тела, по разности результатов 
обоих взвешиваний – его объем. 
3. Метод ареометра. Измерение плотности производится с помощью специальных приборов-ареометров. Принцип действия описан 
в работе [1]. 
4. Флотационный метод, основанный на том, что тело, погруженное в жидкость, плотность которой равна плотности тела, находится в состоянии безразличного равновесия [1]. Изменяя плотность 
жидкости (добавлением другой жидкости или изменением температуры) до момента приведения тела во взвешенное состояние, измеряют 
потом плотность этой жидкости.  
Плотность твердых тел размером меньше 1 мм (зерен) определяют по скорости υ движения зерна под действием силы тяжести в 
жидкости с плотностью, близкой при данной температуре к плотно

Лабораторная работа 1 

6 

сти зерна: υ = С (tф – t), где C – константа; а tф – температура флотации (безразличного равновесия) зерна. Установив скорость υ при 
различных температурах t, находят tф и искомую плотность жидкости при tф. 
 
Таблица 1.1  

Плотность некоторых твердых тел 
при нормальном атмосферном давлении и температуре –20 оС 

Вещество 
Плотность, кг/м3 
Вещество 
Плотность, кг/м3 

Бронза 
Графит 
Сталь 
Золото 
Серебро 
Олово 
Чугун: 
      серый 
      белый 

8 700–8 900 
2 300–2 700 
7 600–7 900 
19 300 
10 500 
7 300 
 
7 000–7 200 
7 600–7 800 

Корунд 
Латунь 
Стекло 
Платина 
Свинец 
Медь 
Цинк 
Алюминий  
Эбонит 

4 000 
8 400–8 700 
2 200–2 800 
21 500 
10 500 
8 900 
7 100 
2 700 
1 150 

 
Для определения плотности зерен больше 0,1 мм применяют 
градиентную трубку, состоящую из теплоизолированной медной 
трубки, внутри которой помещена стеклянная трубка с тяжелой жидкостью. Верхний конец медной трубки поддерживают при температуре t1, а нижний – при температуре t2 < t1; плотность жидкости в трубке 
линейно возрастает от ρ1 при t1 до ρ2 при t2. Искомую плотность зерна, 
помещенного в жидкость, рассчитывают по высоте уровня, на котором оно остановится. 
5. Метод, основанный на определении массы тела взвешиванием, а объема – по объему вытесненной жидкости, в которую погружено тело. Метод пригоден для нахождения плотности пористых тел. 
Для тел, не допускающих контакта с жидкостью, а также для порошков применяют газовый объемомер. 
6. Рентгеновский метод, основанный на зависимости плотности 
кристаллического тела от его молекулярного веса µ, объема V элементарной ячейки и числа n заключенных в ней молекул: ρ = n µ/ NV, где 
N – число Авогадро. Объем ячейки вычисляется по ее измеренным 
константам (размеры ребер, осевые углы), а число молекул определяется по интенсивности интерференционных линий. 
 

Определение плотности материалов 
 

7 

1.2. Измерение плотности сыпучих  материалов 

 
Производственный контроль плотности веществ, представляющих собой гетерогенную систему, состоящую из различных по физическим свойствам фаз, актуален для многих производств. Наиболее 
распространены гетерогенные системы, содержащие твердую и газовую фазы. К таким системам относятся, например, сыпучие, волокнистые и пористые материалы. Задача контроля плотности твердой фазы 
гетерогенных систем значительно сложнее задачи контроля плотности однородных сред. 

1.2.1. Сыпучие материалы и их плотность 
В современной электронной промышленности широко применяются вещества в сыпучем состоянии (сыпучие материалы – СМ). 
Свойства и поведение СМ необходимо учитывать при осуществлении ряда механических процессов: измельчения, сепарирования, 
распыления, брикетирования, гранулирования, транспортировки, 
разгрузки и хранения. Пренебрежение или недоучет свойств СМ 
приводит к нарушению технологического режима, ухудшению качества продукции, нарушению режимов работы оборудования. Поэтому необходимо помнить, что выпуск продукции высокого и стабильного качества зависит не только от использования современного технологического оборудования, но и от методов получения оперативной информации о составе и свойствах используемых и производимых веществ.  
Физико-химические свойства зернистых и порошкообразных 
СМ определяют их качество, так же, как химический состав продукта, 
а часто и возможность их применения. Так, например, способность 
порошка слеживаться затрудняет его использование и понижает его 
качество. Гигроскопичность сыпучих материалов требует особых условий их хранения, транспорта, применения и т.п. Кроме того, плотность СМ оказывает существенное влияние на различные технологические процессы и самопроизвольные явления (рис. 1.1).  
Для оценки сыпучих материалов используют ряд косвенных характеристик, свойственных им как дисперсным материалам [2].          
К числу таких характеристик, не связанных с определенной плотностью упаковки частиц, относятся уплотняемость, текучесть, сыпучесть, слипаемость, углы естественного откоса и обрушения. Эти ха

Лабораторная работа 1 

8 

рактеристики зависят одновременно от аутогезионных и фрикционных свойств, а также от плотности СМ. 
 

 
 
Рис. 1.1.  Влияние плотности СМ на различные технологические 
процессы и самопроизвольные явления 
 
Таким образом, плотность СМ зависит от множества факторов: 
влажности, величины частиц и соотношения различных фракций ситового анализа, степени давления вышележащих слоев.  
 
1.2.2. Дифференциация плотности сыпучих материалов 
Частица любого СМ может быть представлена так, как показано 
на рис. 1.2, а [3]. Откуда видно, что геометрия частицы характеризуется  наличием закрытых (область А) и открытых (области В, С, D) 
пор, а сам сыпучий материал состоит из частиц СМ и газового пространства между ними (область Е, рис. 1.2, б). Вследствие того, что 
сыпучий материал как гетерогенная система состоит из твердой и газовой фаз, различают несколько видов плотности (рис. 1.3). 
Насыпная, или объемная, плотность сыпучего материала 
(ОП СМ) – масса единицы объема СМ, свободно насыпанного в какую-либо емкость непосредственно после ее заполнения. В объем сыпучего материала входят внутренние поры частиц и промежуточное 
пространство между ними, заполненное газом. В ряде случаев объемную плотность определяют после механического уплотнения или 
встряхивания. Знание объемной плотности СМ  необходимо при проектировании складов, бункеров, транспортирующих механизмов и 
других аппаратов, а также при расчетах сыпучести и массы продукта, 
хранящегося на складе. 
Один и тот же СМ на различных стадиях переработки может 
иметь разные значения объемной плотности, крупности частиц, влажности и т.д. 

Определение плотности материалов 
 

9 

Объемная плотность СМ есть функция следующих переменных: 
– объемной плотности частиц СМ; 
– величины частиц СМ и соотношения различных фракций его 
ситового анализа; 
– влажности частиц СМ; 
– степени давления вышележащих слоев на нижние. 
 

 
а                                             б 
 
Рис. 1.2. Схема сыпучего материала: а – пористая 
частица сыпучего материала; б – сыпучий материал 
 
 

 
Рис. 1.3. Дифференциация плотности сыпучего материала 
с учетом влияния газовой фазы 
 
Насыпную плотность, как было указано выше, следует ставить в 
зависимость в первую очередь от содержания влаги в веществе. Поэтому до определения плотности необходимо измерить в нем содержание влаги или привести ее к желательной норме посредством 
обычных методов увлажнения или подсушивания. Определение насыпной плотности без указания влажности продукта, естественно, будет недостаточно точным, хотя это и имеет место на практике. Наиболее правильным является определение насыпной плотности для материалов с такой влажностью, которая наиболее типична для практики. При определении ОП СМ необходимо всегда указывать, при каких 

Лабораторная работа 1 

10 

значениях среднего размера частиц она получена. По величине объемной плотности ρСМ сыпучие материалы делят: 
– на легкие (ρСМ < 600 кг/м3); 
– средние (600 < ρСМ < 1 100 кг/м3); 
– тяжелые (1 100 < ρСМ < 2 000 кг/м3); 
– весьма тяжелые (ρСМ  > 2 000 кг/м3). 
Под объемной плотностью частиц СМ понимают среднюю 
плотность частиц материала, объем которых включает в себя закрытые и открытые поры. Часто частицы СМ, полученные в результате 
различных технологических процессов, имеют закрытые поры, из которых удалить газ не представляется возможным без использования 
процесса измельчения частиц. Плотность таких частиц соответствует 
кажущейся плотности. Таким образом, кажущаяся плотность частиц СМ – масса единицы объема частиц, включая и объем закрытых 
пор. Если сыпучий материал получен путем измельчения монолита, 
кристаллизации, то плотность материала частиц совпадает с истинной 
плотностью, т.е. плотностью частиц без пустот. 
Во многих случаях контроль СМ не применяют, нередко используют несовершенные методы, не соответствующие физикохимической природе изучаемого материала. Причиной такого положения является то, что методами измерения плотности СМ занимались мало. Отсутствуют в этой области также и достаточно глубокие 
теоретические исследования. 
 
1.2.3. Методы измерения насыпной плотности 
сыпучих материалов 
Все методы измерения плотности СМ основаны на прямом или 
косвенном измерении массы и объема вещества в пробе, поэтому измерение плотности сыпучих материалов может осуществляться двумя 
путями: 
1) косвенными методами, например, по затуханию потока радиоактивных, рентгеновских или ультразвуковых лучей, проходящих 
через контролируемое вещество; 
2) абсолютным методом, когда масса и объем измеряются прямыми методами отдельно и по их отношению определяют плотность. 
 Первый путь является более коротким и удобным для автоматизации измерения, однако вносимые затухания, обусловленные толщиной, формой, плотностью и физическими характеристиками материа