Universitatea Ecologic Bucureti Facultatea de Inginerie Managerial

NOTE DE CURSLA DISCIPLINA MATERIALE PENTRU INDUSTRIA ELECTRONIC i ELECTROTEHNIC

TITULAR DISCIPLINLECTOR UNIV.DRD.ING. GEAMBAU LAURENIU

ANUL UNIV.2008/2009

1

MATERIALE SEMICONDUCTOARE

Semiconductorii sunt corpuri (substante) solide cristaline, cu o conductibilitate cuprinsa intre cea a metalelor si a dielectricilor 10-5**m l R > R

S

Cu

lS

S > S R2 > R

Al

lS

Figura8.

Al > Cu R3 > R

26

Rezistoare peliculare cu pelicula de carbon, au forma cilindrica, terminalele axiale si sunt de marimi diferite in functie de puterea nominala disipata. Structura unui astfel de resistor este prezentata in figura urmatoare si anume, pe un tronson ceramic 1, este depusa prin piroliza o pelicula de carbon 2, care este filetata pentru a creste si a ajusta valoarea rezistentei pana la valoarea nominala dorita. La capetele tronsonului, peste pelicula de carbon se depune o pelicula metalica din nichel 4, care permite realizarea contactului dintre elemental rezistor si terminalele rezistorului 6. lipirea terminalelor la tronsonul resistor se face prin sudura cu un aliaj de lipit (fludor) 5, din plumb, staniu si decapomt de calofoniu. Rezistorul este protejat cu o pelicula de vopsea (lac dielectric). Pelicula rezistiva de carbon se obtine in urma unei reactii chimica piroliza de descompunere a unei hidrocarburi saturate (metan, benzene, keptan, benzina de extractie) in atmosfera de azot sau gaz inert. Principial o astfel de reactie se obtine intr-o instalatie alcatuita dintr-un rezervor de hidrocarbura 1, rezervor de azot 2 si un cuptor electric 3, cu temperatura constanta.a)

Figura 9. Structura interna a unui resistor cu pelicula de carbon: 1) tronson ceramic 2) pelicula de carbon 3) sant filetat in pelicula de carbon pana la tronsonul ceramic 4) pelicula metalica 5) aliaj de lipit 6) terminal 7) pelicula de vopsea protectoare27

Tronsoanele ceramice intra in cuptor pe o banda transportoare 4; in incinta acestuia, la un anumit regim termic, are loc descompunerea hidrocarburii si depunerea stratului de carbon pe tronson. Stratul de carbon depus poate fi strict controlat pentru ca este dependent de temperatura cuptorului, de compozitia amestecului hidrocarbura-azot si de viteza de trecere a tronsoanelor prin cuptor. Fazele tehnologice de fabricatie a rezistoarelor cu pelicula de carbon este prezentata pe pagina urmatoare. Materialele ceramice amestecate cu un liant formeaza o pasta din care se preseaza tronsonul la dimensiunile dorite (in functie de puterea nominala); dupa piraliza si depunerea peliculei de Ni la capete, tronsonul este spiralizat pentru a se ajunge la valoarea nominala dorita pentru resistor; tronsonului astfel obtinut I se lipesc prin sudura terminalele din sarma de cupru dublu cositorita; rezistorul astfel format este acoperit cu vopsea protectoare si apoi marcat. Rezistoarele cu pelicula de carbon se realizeaza la urmatoarele puteri nominale: 0,25W; 0,5W; 1w; 2W.

Figura 10. Procedeul continuu de obtinere a rezistoarelor cu pelicula de carbon: 1) rezervor cu hidrocarbura 2) rezervor de azot 3) cuptor electric 4) banda transportoare28

5) tronson ceramic 6) tronson acoperit cu pelicula de 7) carbon si metalizat la capete 8) tronson spiralizat 9) tronson cu terminale sudate 10) resistor vopsit

a) tronson ceramic b) tronson acoperit cu pelicula de carbon si metalizat la capete c) tronson spiralizat d) tronson cu terminale sudate e) resistor vopsit

b)

Rezistoarele cu pelicula de nichel, au un proces tehnologic asemanator cu cel descris mai sus. Deosebita este insa depunerea elementului rezistiv pe tronsonul ceramic: pe suprafata tronsonului se obtine o pelicula de nichel prin depunerea chimica de grosime mai mica de 100 m (cu cat pelicula este mai subtire, cu atat se obtine o valoare niminala mai mare). Urmeaza apoi spiralarea, lipirea terminalelor, protejarea cu vopsea si marcarea rezistoarelor astfel obtinute29

(sunt identice la infatisare cu rezistoarele cu pelicula de carbon). Acest proces tehnologic este folosit pentru obtinerea valorilor nominale unice, intre 1 330. Rezistoarele cu pelicula de oxizi metalici (sau cu glazura metalica) sunt componente profesionale caracterizate prin precizie si stabilitate ridicate, coeficient de variatie cu temperatura scazuta, dimensiuni mici, dar si din alumina (material ceramic special). In prima etapa, suportul izolant se realizeaza la dimensiuni mari, ceea ce permite realizarea a 100-200 cipuri rezistive simultan. Prin serigrafie se depune pe aceste cupiuri o pelicula de Ag-Pd (care va permite conectarea terminalelor) si apoi o pelicula rezistiva formata din oxizi metalici. Fixarea acestor pelicule se obtine prin tratament termic. Serigrafia peliculei resistive nu permite obtinerea exacta a valorii nominale si urmeaza o ajustare la valoarea dorita in limetele clasei de toleranta fixate. Ajustarea se face automat, cu ajutorul unor capete de masura care exploreaza placa suport cip cu cip si comanda un jet de pulbere abraziva care inlatura surplusul de pelicula rezistiva pana cand valoarea rezistiva obtinuta se inscrie in clasa de toleranta fixate. Separarea cipurilor resistive se face cu laser; prin sudura cu aliaj de lipit se asigura plasarea terminalelor din cupru pe zonele de Ag-Pd. Protectia rezistorului astfel obtinut se face prin acoperire cu rasina termodura, urmata de cernire . Prin aceeasi tehnologie se obtin si rezistoare pentru inalta tensiune (pana la 4 kw), retelele rezistive sau de atenuare.c)

30

REZISTOARE BOBINATE Pentru circuite in care intervin puteri mari ( de la 1W pana la 250 W) se folosesc rezistoare bobinate (cimentate sau corp ceramic). Rezistorul bobinat cimentat este alcatuit dintr-un tronson din fibre de sticla 1, pe care se spiraleaza un fir rezistiv 2; pentru realizarea contactelor exterioare se folosesc terminale axiale prevazute cu capacele, 3. Protectia se realizeaza cu un strat de ciment siliconial peste care se aplica o pelicula de vopsea. In figura 11 este redata structura interna a unui resistor bobinat cimentat.

Figura 11.Structura intern a unui rezistor bobinat cimentat. 1- tronson de fibra de sticla; 2- fir resistor bobinat; 3 strat de ciment; 4 pelicula de vopsea; 5 terminal cu capacel. Pentru puteri cuprinse in domeniul 2W 20W se folosesc rezistoare bobinate in corp ceramic. Procesul tehnologic de obtinere a tronsonului rezistiv echipat cu terminale cu capacel este similar la ambele tipuri.

31

Principalele faze ale fluxului tehnologic pentru acest tip de rezistoare sunt urmatoarele: - prin rasucirea unui manunchi de sticla se obtine un tronson continuu cu bune proprietati mecanice, termice si electrice; - pe acest tronson se bobineaza un fir rezistiv din din aliaj CuNi sau Cr-Ni care este fixat pe tronson cu ajutorul unui loc dielectric. Din acest tronson se taie tronsoane rezistive necesare obtinerii unei anumite valori nominale (toate aceste operatii se executa la o instalatie complexa complet automata); - tronsonul este prevazut cu terminale axiale cu capacele care se conecteaza prin presare; - rezistorul astfel obtinut este protejat prin acoperire cu un strat de ciment siliconic; - urmeaza apoi vopsirea si marcarea rezistorului Fazele tehnologice de fabricare a rezistoarelor bobinate, cimentate:

a)

a)

tronson de fibra de sticla cu fir conductor spiralat si fixat pe suport; b) tronson resistor prevazut cu capacele fixate prin presare; c) resistor protejat cu un strat de ciment siliconic.

b)

c)

32

Fazele tehnologice de fabricatie a rezistoarelor bobinate introduce in corp ceramic sunt urmatoarele: 1) obtinerea tronsonului cu conductor spiralizat; 2) fixarea prin presare a terminalelor neegale prevazute cu capacele 3) obtinerea corpului ceramic (prin tehnologie) care poate fi tubular, cu sectiune patrata, profilat pe diferite dimensiuni; 4) rezistorul este introdus in acest corp ceramic in spatial liber ramas se umple cu material izolant (nisip cuartos), la capete se cimenteaza (cu ciment siliconic). In afara de aceste doua tipuri de rezistoare de putere folosite in aparatura electronica, se mai realizeaza alte tipuri cum ar fi: - rezistoare bobinate antiparazitare; - rezistoare bobinate de mare putere. Rezistoarele antiparazitare sunt folosite la motoarele auto pentru antiparazitare. Ele constau dintr-un suport izolant (fibre de sticla) pe care se bobineaza un fir conductor fixate cu ajutorul unui lac dielectric; terminalele sunt sub forma unor capacele care prin presare realizeaza contactul electric cu firul rezistiv, la capetele tronsonului; sunt acoperite apoi cu un lac protector. Rezistoarele bobinate de putere sunt construite prin bobinarea unui fir conductor pe un suport ceramic tubular; pot fi reglabile sau fixe, iar protectia lor se realizeaza prin cimentare (strat de ciment siliconic, terminalele fiind coliere radiale de care se pot atasa cabluri litate, etc.) sau prin glazurare (terminalele sunt plate, fixate la capete). Acest tip de rezistoare se construiesc pentru puteri cuprinse intre 5250W.

33

Figura 12.Fazele tehnologice de fabricare ale unui resistor bobinat introdus in corp ceramic: atronson rezistiv btronson rezistiv cu terminale fixate ccorp ceramic dprodus final. REZISTOARE DE VOLUM

Rezistoarele de volum sunt realizate dintr-un amestec de material conductor (grafit, negru de fum) si un material izolant de umplutura (talc, bioxid de titan, caolin,etc.). Compozitia unui element rezistiv poate fi: carbon-ceramica, metal-ceramica, lacnegru de fum. O categorie aparte de rezistoare de volum o constituie rezistoarele realizate din materiale semiconductoare, la care elementul rezistiv este constituit dintr-o bara de material semiconductor.34

Acest tip de componente are o tehnologie simpla si prezinta robustete elastica si mecanica buna, dar majoritatea proprietatilor electrice sunt inferioare altor tipuri. Rezistoarele de volum au dimensiuni mici, se fabrica usor, sunt ieftine, admit suprasarcini de scurta durata, nu sunt de precizie si au o siguranta in functionare ridicata, chiar si in conditii climatice dificile. Pot functiona in circuite de curent continuu, de curent alternative si in impulsuri. Se realizeaza intr-o gama larga de valori (rezistente: 10 10M) la puteri de 0,5; 0,25; 1 si 2W.

Figura 13. a) structura interna a unui resistor bobinat: 1-granule de material conductor 2 -material izolant b) schema electrica echivalenta

35

REZISTOARE VARIABILE SI SEMIVARIABILE Rezistoarele variabile sau potentiometrele sunt rezistoare a caror rezistenta poate fi variata continuu sau in trepte intre anumite limite, prin deplasarea unui contact mobil (cursor) pe suprafata elementului rezistiv. Constructiv, el este realizat cu cel putin trei borne de legatura,doua corespund capetelor elementului rezistiv si una cursorului. Dupa modul de variatie a rezistentei in functie de unghiul de rotatie al axului, potentiometrele se impart in: - liniare - logaritmice - exponentiale In afara de parametrii electrici proprii fiecarui resistor, potentiometrele sunt caracterizate de cativa parametri specifici: a) rezistenta reziduala (initiala sau finala) R0 [] este egala cu valoarea maxima admisibila a rezistentelor electrice masurate intre iesirea cursorului si unul din terminal cand cursorul se afla la una din extremitatile unghiului de reglaj; b) rezistenta de contact, Rk, intre cursor si elementul rezistiv; c) precizia reglarii, care depinde de materialul rezistiv si de rezistenta de contact dintre cursor si elementul rezistiv; d) legea de variatie a rezistentei, care indica variatia valorii rezistentei electrice R ce trebuie obtinuta la iesirea potentiometrului in functie de pozitia unghiulara sau liniara a cursorului. Legile de variatie uzuale sunt: A- liniar, B- logarithmic, C- invers logarithmic, D- exponential, E- invers exponential, F- dublu logarithmic, S- curba in forma de S (sinusoida, cosinusoida)

36

Legile de varia

ie ale poteniom etrelor

R/R1 [% ]

A - liniar B - logaritm ic

100

80 C - invers logaritm ic D - exponen ial E - invers exponen F - dublu logaritm ic S - curb n form de S 20 ial 40

E C

S

60 A F B D

O 20 40 Fig. 14.Legile de variaie ale poteniometrelor.

60

80

10

In functie de modul de realizare a elementului rezistiv potentiometrele se clasifica in: - potentiometre peliculare, cu pelicula metalica; cu pelicula de carbon si cu pelicula metalo-ceramica - potentiometre bobinate - fotopotentiometre Dupa criterii constructive potentiometrele se impart in: a) simple, echipate cu un singur element rezistiv si care pot fi: - circulare (cu o singura rotatie); - reglabile continuu (de translatie); - multitura (rectilinii, circulare, elicoidale); - cu rotatie continua; - cu intrerupator; - cu comutator si intrerupator; - potentiometru miniatura (pentru cablaje electronice);37

b) multiple: - tandem ( cu doua sau mai multe sectiuni comandate de un singur ax pe care sunt fixate cursoare); - multiax, combinate cu intrerupator, miniatura. Dupa modul de executie, potentiometrele se impart in varianta: - inchisa; - deschisa. Potentiometrele peliculare au un suport dielectric din sau alumina; elementul rezistiv este o pelicula de grafit, de oxizi metalici sau pelicula cermet. Cursorul se realizeaza din bronz fosforos sau aliaj din Ni, Cu. Este prevazut cu un mic cilindru de grafit care trebuie sa realizeze contactul electric in orice pozitie a cursorului si sa nu lezeze pelicula rezistenta. Fazele tehnologice de obtinere a potentiometrelor sunt in principiu comune cu cele de la obtinerea rezistoarelor: apar insa repere mecanice specifice si operatii de montare menite sa asigure legatura electrica a cursorului cu exteriorul si protectia componentei. Potentiometrele bobinate sunt folosite in circuite de putere si constau dintr-un suport dielectric (pertinax sau material ceramic) pe care se bobineaza un fir conductor. Cursorul se realizeaza dintro lamela de otel calita care poarta la un capat un element de grafit sau de bronz grafitat. Codul folosit pentru potentiometre este P-XXXX, iar toleranta este: 20% pentru Rn 250 k si 30% pentru Rn > 250 k

REZISTOARE NELINIARE38

Pentru rezistoarele fixe sau variabile studiate pana acum, intre tensiunea U care li se aplica si curentul I care le strabate exista o relatie liniara (legile lui Ohm).U = RI

sau

I =

U R

deci

R=

U I

Rezistoarele neliniare termostoare, varistoare, fotorezistoare folosesc proprietatile materialelor semiconductoare pentru a realiza o dependenta neliniara intre tensiune si curent. TERMISTOARELE sunt rezistoare a caror rezistenta depinde puternic de temperatura; in functie de modul de variatie al rezistentei se obtin termistoare cu coeficient de temperatura negativ NTC (rezistenta scade odata cu cresterea temperaturii) sau cu coeficient de temperatura pozitiv PTC (rezistenta creste odata cu cresterea temperaturii). Pentru obtinerea termistoarelor NTC se folosesc oxizi si elemente din grupa fierului: Fe, Cr, Mn, Ni; prin impurificare cu ioni straini aceste materiale se transforma in semiconductoare, in acest fel marindu-se conductibilitatea si variatia cu temperatura a rezistivitatii.

Fig.15. Caracteristici tensiune-curent pentru rezistoare: a- rezistoare liniare b- pentru termistoare c- pentru varistoare

39

Intensitatea curentului in ampere (sarcina electrica exprimata in care trece prin aria sectiunii conductorului intr-o secunda) corespunzatoare acestei sarcini este:I = q e ne S v e ,

in care

ve[ m / s ] =

l1 [ m] t[ s]

Prin ciocnirea electronilor cu atomii metanului, acestia cedeaza o parte din energia lor cinetica, ce se transforma in caldura ceea ce duce la marirea agitatiei termice rezultand cresterea rezistivitatii. Pentru a caracteriza cresterea rezistivitatii cu temperatura la materialele conductoare s-a adoptat COEFICIENTUL DE TEMPERATURA AL REZISTIVITATII, notat cu . Considerandu-se ca la temperatura 1, rezistivitatea materialului este 1 care creste la 2 cand temperatura creste la 2, coeficientul de temperatura al rezistivitatii este dat de relatia:= 2 1 1 ( 2 1 )

unde: 2 1 = cresterea rezistivitatii pe intervalul 2 1 2 1 1 1 = cresterea unitatii de rezistivitate pentru intervalul 2

= cresterea unitatii de rezistivitate pentru o crestere a

temperaturii cu o unitate Valoarea acestui coeficient este totdeauna mai mare decat zero pentru materialele conductoare. Dupa modul in care se comporta cand sunt strabatute de curentul electric, materialele conductoare se clasifica in: - conductoare de ordinul I: metodele si aliajele lor - conductoare de ordinul II:electrolitii. Metalele au insusiri specifice care le deosebesc de celelalte 23 de elemente nemetale. Cu exceptia cateorva metale pretioase care se40

gasesc in scoarta pamantului in stare nativa, restul metalelor se gasesc sub forma de combinatii chimice (oxizi, sulfuri, sulfati, carbonate, silicate, etc.) numite minerale. Mineralele se gasesc in roci impreuna cu care formeaza minereurile. Metalele se extrag din minereuri prin diferite metode. Aliajele metalice sunt substante obtinute din contopirea intima a doua sau mai multor elemente chimice dintre care cel putin unul aflat in proportia cea mai mare in aliaj si numit component de baza este un metal. Aliajele se obtin prin topirea elementelor componente.

PROPRIETATILE METALELOR SI ALIAJELOR

41

1. OPTICE 1.1. Culoarea 1.2. Opacitatea 1.3. Luciu metalic 2. FIZICE 2.1. Densitatea 2.2. Fuzibilitatea 2.3. Dilatarea termica 2.4. Conductibilitate termica 2.5. Conductibilitate electrica 2.6. Supraconductibilitate 2.7. Volume si raze atomice 2.8. Raze ionice 2.9. Emisie fotoelectrica 3. MECANICA 3.1. Elasticitate 3.2. Plasticitate 3.3. Duritate 3.4. Rezilienta 3.5. Rezistenta mecanica 3.6. Rezistenta la oboseala 3.7. Tenacitate 4. TEHNOLOGICE 4.1. Capacitate de turnare 4.2. Forjabilitate 4.3. Maleabilitate 4.4. Ductilitate 4.5. Sudabilitate 4.6. Prelucrabilitate 5. CHIMICE 5.1. Starea de oxidare 5.2. Potentialul de oxidare(sau de electrod) METALE SI ALIAJE FOLOSITE IN ELECTROTEHNICA42

A. DE INALTA CONDUCTIVITATE ELECTRICA 1. Cuprul (Cu) 2. Aliajele cuprului 2.1.alame - obisnuite (Cu+Zn) - speciale Cu+Zn+Mn; Fe; Al; P; Pb; Si; Ni; Si. 2.2. bronzuri - obisnuite (Cu+Sn) - speciale : - Cu+Al; +Be; +Cd; +Cr - Cu+Ag; Cu+Mn; Cu+Zn 3. Aluminiu (Al) 4. Aliajele aluminiului 4.1. duraluminiu: Al+Cu+Mn+Mg 4.2. silumin: Al+Si 4.3. aldrei: Al+Mg+Si+Fe 4.4. aluminiu mangan: Al+Mn 5. Metale pretioase 5.1. argint (Ag) 5.2. aur (Au) 5.3. platina (Pt) 6. Fierul (Fe) 7. Nichelul (Ni) 8. Metale cu inalta temperatura de topire 8.1. wolfram (W) 8.2. molibden (Mo) 8.3. tantal (Ta) 8.4. niobiu (Nb) 9. Metale cu joasa temperatura de topire 9.1. staniu (St) 9.2. plumb (Pb) 9.3. zinc (Zn) Metalele folosite pentru obtinerea termistoarelor cu coeficient de temperatura pozitiv sunt pe baza de titan de bariu (BaTiO3) sau43

solutie solida de titan de bariu si titan de strontiu; impurificate cu ioni tri-, tetra-, sau pentavalenti se obtin materiale semiconductoare de tip n. Materialele astfel obtinute sunt amestecate cu un liant si li se aplica o tehnologie asemanatoare materialelor ceramice; termistoarele se pot obtine sub forma de plachete, cilindri, discuri, filament (protejate in tuburi de sticla). Legile de variatie ale rezistentei cu temperatura sunt exponentiale, astfel: B - pentru termistoarele tip NTC exista relatia: RT = A e T pentru termistoarele tip PTC exista relatia: RT = A + C e T unde A, B, C sunt constante de material, iar T este temperature in 0 K. Principalele faze tehnologice de obtinere a termistoarelor sunt: 1. obtinerea discului termistorului prin presarea materialului ( sub forma de pulbere amestecata cu liant), urmata de tratament termic; 2. metalizarea discului prin depunerea peliculei de argint pentru a permite lipirea terminalelor; 3. prin sudura se lipesc terminalele: urmeaza protejarea termistoarelor astfel obtinute cu lac si marcarea. Marcarea valorii rezistentei nominale se face in clar sau in codul culorilor specificat in catalog (prin benzi colorate sau prin colorarea stratului de protectie). Termistoarele cu coeficient de temperatura negativ sunt utilizate ca elemente neliniare pentru stabilirea tensiunii sau curentului, pentru compensarea variatiei cu temperatura a altor elemente si ca traductor de temperatura. Termistoarele cu coeficient de temperatura pozitiv sunt utilizate ca traductoare de temperatura, stabilizatoare si limitatoare de curent in aplicatii ce realizeaza protectia la scurt circuit sau supratensiune. PROPRIETATILE ELECTRICE ALE MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE44B

Proprietatile electrice sunt determinate de cele doua fenomene care apar in dielectrici: de conductie si de polarizare. a) Rezistivitatea de volum si rezistivitatea de suprafata si respectiv rezistenta de volum si rezistenta de suprafata sunt proprietati ale materialului legate de fenomenul de inductie electrica. In timpul functionarii dielectricul permite trecerea unui curent electric. Acest curent de scurgere este extrem de mic in comparatie cu curentii care trec prin elementele conductoare ale instalatiei electrice. Curentul de conductie are doua cai de trecere prin dielectric: - prin masa (volumul) dielectricului - pe suprafata dielectricului

a) Fig. a) curentul de scurgere in cazul unui dielectric solid supus unei tensiuni continue: a1,a2-armaturi d - dielectric

b) b) schema echivanenta a dielectricului supus tens. continue

Curentul total (curentul de scurgere I) care se stabileste are doua componente:

45

I. II. Adica:

curentul Iv, care trece intre cele doua armature prin volumul dielectricului curentul Is, care trece de la o armature la cealalta pe suprafata dielectriculuiI = IV + I S

Trecand prin cele doua cai curentul intampina o rezistenta de volum R si o rezistenta de suprafata Rs. Rezistenta totala a dielectricului Riz se determina astfel: U R = , Iiz

in care

Riz =

Rv R s Rv + R s

, deoarece cele doua rezistente Rv si Rs sunt

legate in paralel. Rezistenta unitatii de volum este rezistenta specifica de volum si se numeste rezistivitate de volum.

Figura Schema de principiu pentru determinarea rezistivitatii dielectricilor solizi a) de volum a1,a2 armature b) de suprafata d - dielectric

46

Rezistivitatea de volum v este definita ca rezistenta eletrica masurata in curent continuu cu un cub din dielectric cu latura egala cu unitatea. Rezistenta de volum este:Rv = v h S

,

de unde

v = Rv

S h

,

v

si

= [ cm ]

in care: h = inaltimea cubului S = aria unei fete a cubului Rezistenta unitatii de suprafata este rezistenta specifica de suprafata si se numeste rezistivitate de suprafata. Rezistivitatea de suprafata s este definite ca rezistenta electrica masurata in curent continuu a unei suprafete de dielectric d delimitate de doi electrozi in forma de cutit (vezi figura de mai sus a1 si a2). Rezistenta de suprafata este:Rs = s l b

,

de unde

s = Rs

b l

in care: l = lungimea electrozilor-cutit l = distanta dintre electrozi.c)

Constanta dielectrica sau permitivitatea dielectrica este o proprietate a materialului legata de fenomenul de polarizare electrica.

Fig. Aplicand condensatorului din figura o tensiune continua U,armaturile condensatorului se incarca cu sarcini egale si47

de semn contrar +Q si Q, iar daca condensatorului I se aplica o tensiune alternative,semnul sarcinilor pe armaturi se inverseaza in permanenta.Q = C U

in care: C = factor de proportionalitate si poarta numele de capacitate electrica a condensatorului U = tensiunea aplicata condensatorului Marimea care caracterizeaza fiecare dielectric se numeste constanta dielectrica absoluta sau permitivitate absoluta si se noteaza cu epsilon (). Prin urmare se poate scrie expresia capacitatii sub forma:C = S d

,

unde

= 0 r

in care: 0 = permitivitatea vidului, cu valoarea masura farad pe metru (F/m);4 4 10 9r =

si unitatea deC C0

r = permitivitatea relativa a dielectricului,

, in care:

C = capacitatea condensatorului cu dielectricul considerat Co = capacitatea condensatorului cu dielectricul vid. c)Rigiditatea dielectricului este o proprietate a materialului legata de fenomenul de strapungere (pierderea proprietatii de izolant) sub influenta campului electric. Tensiunea la care are loc strapungerea se numeste tensiune de strapungere Ustr, iar campul electric corespunzator acestei tensiuni se numeste camp de strapungere sau rigiditate dielectrica, definit de relatia:

48

E str =

U str d

,

unde: d = grosimea dielectricului. Rigiditatea dielectrica se masoara in KV/cm sau KV/mm. Dielectricii gazosi si lichizi isi refac proprietatile izolante dupa strapungere indata ce campul electricdispare, in timp ce dielectricii solozi se distrug prin strapungere. c)Tangenta unghiului de pierderi este o proprietate a materialului legata atat de fenomenul de conductie, cat si de fenomenul de polarizare, fenomen care determina pierderi electrice in dielectrici. Daca dielectricii condensatorului ar fi ideali (nestrabatut de curent), curentul care se stabileste in circuit intre cele doua armaturi, prin sursa, ar fi defazat inaintea tensiunii cu un unghi = . Pierderile in dielectric reprezinta putere: 2P = U I cos

si cum

=

2

cos = o ,

deci

P =o

la dielectricul ideal; dar pentru dielectricul real curentul I este defazat fata de tensiune cu un unghi =< 2 . Complementul unghiului de defazaj se noteaza cu si se numeste unghi de pierderi.= 2

49

Unghiul de pierderi in dielectric: a) defazajul dintre tensiune si curent in cazul dielectricului ideal b) defazajul dintre tensiune si curent in cazul dielectricului real

PROPRIETATILE FIZICO-CHIMICE ALE MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE Higroscopicitatea este proprietatea dielectricului de a absorbi umiditatea din mediul ambient si depinde de compozitia chimica si structurala, precum si de parazitatea materialului. Influenteaza tangenta unghiului de pierderi (care creste odata cu cresterea umiditatii din material)si rezistivitatea de volum v (care scade cu cresterea umiditatii). masa Densitatea d = volum , se exprima in kg/dm3 Parazitatea este raportul dintre Vp volumul parilor si Vt volumul total al unei mostre de material:P( % ) = Vp Vt 100

A)

B) C)

50

D)

E)

F)

G)

H) I)

Conductibilitatea termica reprezinta proprietatea materialului de a conduce caldura si se apreciaza prin conductivitatea termica numeric egala cu caldura care trece in unitatea de timp prin unitatea de suprafata considerate, pentru diferenta de temperatura de un grad. Se masoara in wait pe metro si grad de temperatura. Stabilitatea termica este proprietatea materialelor electroizolante de a rezista timp indelungat la o anumita temperatura admisibila, cu conditia sa-si pastreze caracteristicile de baza garantate. In functie de temperatura maxima admisibila de utilizare materialele termoizolante se incadreaza in urmatoarele sapte clase de izolatie: Y, A, E, B, F, H si C carora le corespund urmatoarele temperaturi maxime admisibile de utilizare: 90o; 105o; 120o; 130o; 155o; 180o si peste 180o C. Stabilitatea la temperaturi scazute este proprietatea materialelor electroizolante de a-si mentine principalele caracteristici electrice si mecanice in conditiile temperaturilor scazute (-60o -70o C). Punctul de aprindere si punctual de inflamabilitate reprezinta temperatura cea mai joasa la care un material emite o cantitate suficienta de vapori care poate da cu aerul inconjurator un amestec combustibil ce se poate aprinde cu ajutorul unei flacari caz in care se determina punctul de inflamabilitate sau se poate aprinde singur caz in care se determina punctul de aprindere. Solubilitatea este proprietatea materialelor electroizolante de a se putea dizolva intr-o substanta lichida numit solvent. Stabilitatea chimica reprezinta rezistenta materialelor fata de acizi, gaze, apa, baze, saruri solubile, etc.

51

MATERIALE ELECTROIZOLANTE GAZOASE AERUL la presiune normala este present in toate dispozitivele si instalatiilor electrotehnice, iar in unele dintre acestea si la presiuni ridicate sau foarte scazute. Este lipsit de toxicitate dar exercita in timp, o actiune coroziva asupra unor metale, o actiune de degardare asupra unor materiale electroizolante si de oxidare a uleiurilor. AZOTUL are aproximativ aceleasi caracteristici ca si aerul fara insa sa favorizeze oxidare a uleiurilor si a materialelor electroizolante. Se utilizeaza ca dielectric in condensatoare de inalta tensiune; la transformatoare cu ulei perne de azot pentru evitarea oxidarii si sub presiune este folosit la ungerea unor cabluri de inalta tensiune. HIDROGENUL este cel mai usor gaz. Din cauza densitatii sale reduse (14,4 ori mai mica decat cea a aerului) frecarile in masinile electrice rotative sunt de doua ori mai mici la utilizarea sa ca mediu de racire in locul aerului. Amestecul hidrogenului in anumite proportii cu aerul este exploziv. Se utilizeaza ca mediu de racire in special la masinile electrice cu turatie mare. GAZELE ELECTRONEGATIVE se numesc astfel, datorita tendintei lor de a absorbi electronii liberi cu care vin in contact, micsorandu-se astfel sansele de formare a arcului electric dintre doi electrozi sau ajutand la stingerea sa (hexaflorura de sulf SF Frigen 12 pentru Germania sau Genetron 12 pentru SUA folosit ca izolant sau agent de racire la frigidere electrice).

MATERIALE ELECTROIZOLANTE LICHIDE Sunt materialele care in timpul exploatarii se gasesc in stare lichida. Ele prezinta avantajul ca ocupa toate spatiile libere si dupa strapungere se regenereaza instantaneu. Sunt mai grele si mai vampe decat gazele, dar transmit mai bine caldura. Majoritatea dielectricilor lichizi sunt inflamabili, se52

oxideaza in timp, dau amestecuri gazoase inflamabile sau toxice si ataca intr-o oarecare masura materialele conductoare si electroizolante solide cu care vin in contact. Ca dielectrici lichizi se utilizeaza: - uleiurile minerale: - ulei de transformator - ulei de cablu - ulei de condensator - uleiuri vegetale (de in ) - uleiuri sintetice: - clorurate - fluourate - siliconice Toate uleiurile sintetice sunt mai scumpe decat uleiurile naturale. Proprietatile esentiale ale uleiului variaza cu compozitia lui si sunt: - tangenta unghiului de pierderi; - permitivitatea relativa; - rigiditatea dielectrica; - rezistivitatea; - punct de inflamabilitate; - temperatura maxima admisibila de exploatare; - vascozitate mica.

MATERIALE ELECTROIZOLANTE SOLIDE, ORGANICE Cea mai mare parte dintre aceste materiale sunt materiale organice, adica compusi ai carbonului. 1) Rasini sunt substante macromoleculare (contin peste 1000 de atomi in molecula) naturale sau sintetice, termoplaste sau termorigide. Rasina termoplasta la caldura se inmoaie si se topeste reversibil (poate fi retopita); rasina termorigida (sau termoactiva) nu se inmoaie la caldura; insa se transforma ireversibil, adica se carbonizeaza.53

Rasini naturale, sunt produsul fiziologic al unor vietati; al unor arbori rasinosi sau obtinute din arbori rasinosi aflati in pamant in descompunere. Exemple de rasini naturale: selacul, colofoniu, capolurile (chihlimbarul). 1.2. Rasini sintetice, sunt obtinute prin gruparea moleculelor mici (monomerul sub efectul presiunii si al temperaturii si in prezenta unor catalizatori prin urmatoarele reactii: polimerizare, policondensare si poliaditie). 1.2.1. Rasini sintetice de polimerizare:- polistirenul - polietilena - policlorura de vinil - politetrafluoretilena 1.2.2. Rasini sintetice de polimerizare:- fenoplastele (rasini bachelitice) - aminoplastele - poliamidele - polisterii1.1.

1.2.3.

Rasini sintetice de polimerizare:- epoxidice - poliuretonice

Materiale plastice presate au caracteristici mecanice, uneori si termice superioare rasinilor, in schimb au proprietati electrice mai slabe decat acestea. Materialul plastic presat este alcatuit din: - liant (rasina pura) - umplutura organica (rumegus de lemn, hartie, fire textile) si anorganica (cuart, praf de mica, azbest). Materialul plastic poate sa mai contina plastifianti, coloranti si alte substante care ii maresc plasticitatea si ii micsoreaza fragilitatea si care ii dau culoare, dar si ii inrautatesc proprietatile electrice. In functie de rasina utilizata ca liant se deosebesc materiale plastice termoplaste si termorigide.2)

54

Recent sau realizat materiale plastice armate cu fire de sticla, care se obtin introducandu-se in masa lor, inca fluida, fire de sticla cu lungimi de cca 45 mm, ceea ce le confera acestora rezistenta mare la incovoiere si intindere, densitate mica, stabilitate chimica si termica si bune proprietati electrice. 3) Materiale plastice stratificate Stratificatele se realizeaza din straturi suprapuse (din hartii de impregnare, tesaturi din fire de bumbac sau din fire sintetice, tesaturi din fire de sticla sau din fire de azbest, furnir de lemn) fixate intre ele printr-o rasina termorigida. Ca rasini se folosesc cele bachelitice, carbomidice, epoxidice, siliconice, melaminice. Stratificatele se fabrica sub forma de placi, tuburi sau cilindri din care se realizeaza diverse piese. Stratificatele in placi se obtin suprapunandu-se hartile, tesaturile sau furnirul, impregnate cu lac pe baza de rasini termorigide, care se introduce apoi in prese incalzite. In timpul presarii rasina, topindu-se, patrunde in porii materialului suport, iar apoi prin policondensare (sau poliaditie) se intareste, obtinandu-se placile termorigide. 4) Materiale pe baza de celuloza Celuloza este substanta macromoleculara naturala, cu greutate moleculara intre 1000 si 2000 g ce se obtine din lemnul de conifere, bumbac, in canepa etc. Este foarte poroasa, deci si foarte higroscopica aceasta fiind si cauza pentru care toate produsele pe baza de celuloza sunt utilizate in electrotehnica numai impregnate cu lacuri (aceste produse nu pot suporta temperaturi ridicate). Celuloza se utilizeaza in industria electrotehnica la fabricarea hartiilor, cartoanelor si tesaturilor. 4.1. Hartiile cele mai utizate sunt urmatoarele: - pentru cabluri electrice grosime 0,08 si 0,12 mm, densitate mica, rezistenta mare la sfasiere, rigiditate dielectrica mare; - pentru condensatoare grosime 0,06 0,034 mm, permitivitate 45, rigiditate dielectrica mare, tangenta unghiului de pierderi mica;

55

- pentru impregnare si rulare grosimi 0,12 mm respective 0,05 0,07 mm, densitate redusa 0,5 0,6 kg/dm3; - de talc pentru izolarea acestora, a miezurilor magnetice; - de telefonie pentru izolarea cablurilor telefonice si a conductoarelor de bobinaj (grosime 0,05 mm si rezistenta mare la rasucire). - pentru produsele de mica cu grosimi intre 0,0025 si 0,03 mm, cu rezistenta de rupere la tractiune. - hartia acetilata obtinuta cu tratarea cu acid acetic a fibrelor de celuloza in prezenta unui catalizator. 4.2. Cartorul electrotehnic sau presparul este format din numeroase straturi de hartie fina, presate in stare umeda, rezultand grosimi intre 0,25 si 7 mm. Este utilizat in constructia masinilor electrice, transformatoarelor si condensatoarelor. 4.3. Lemnul, desi nu poate fi considerat ca un material electroizolant propriuzis isi gaseste utilizarea in electrotehnica la fabricarea unor piese: - parghii de intrerupatoare si separatoare; - suporturi pentru miezul transformatoarelor in ulei; - pene pentru crestaturile masinilor electrice; - stalpi pentru liniile electrice si de telecomunicatii; - umplutura la materialele plastice presate (sub forma de rumegus). Impregnarea lemnului cu ulei de transformator, cu parafina, lacuri are ca rezultat cresterea rigiditatii dielectrice de la 20 la 70 KW/cm. 4.4. Fire si tesaturi textile naturale - fire de bumbac sau matase (izolarea conductoarelor) - tesaturi textile impregnate cu lacuri uleiose (tesaturi galbene) - tesaturi textile impregnate cu lacuri bituminoase (tesaturi negre) Firele sintetice sunt superioare firelor naturale din punctu de vedere al rezistentei mecanice si al proprietatilor electroizolante, fiind complet nehigroscopice.5)

Lacuri electroizolante, sunt materialele lichide in timpul utilizarii lor si se solidifica dupa aplicare, formand o pelicula electroizolanta.56

Componentele principale ale unui lac electroizolant sunt: - baza lacului (rasina naturala sau sintetica, bitum, ulei sau amestecuri din aceste materiale) care va forma pelicula; - solventul (alcool, benzene, toluene, glicerina, cloroform, etc.) Lacurile electroizolante mai pot contine materiale auxiliare ca: pigmenti, catalizatori, plastifianti, etc. In functie de domeniul de utilizare se deosebesc: - lacuri de impregnare - lacuri de acoperire - lacuri de lipire - lacuri de emailare. 6) Compunduri(mase electroizolante), sunt amestecuri de rasini, ceruri, bitumuri, uleiuri fara sa contina solventi. Pentru a fi utilizate ele se incalzesc si se inmoaie, iar masa izolanta se obtine prin racirea compundurilor topite (nu formeaza pelicule). Astfel se deosebesc: - compunduri de impregnare - compunduri de umplere. Bitumuri sunt amestecurile de hidrocarburi cu continut, in cantitati mici, se sulf si oxigen. Bitumurile naturale, numite si asfalturi sunt provenite din zacaminte care se gasesc in apropierea celor de titei din care sau format. Bitumurile artificiale numite simplu bitumuri se obtin din distilarea produselor petroliere. Bitumurile si asfalturile au culoarea neagra sau brun-inchisa, sunt termoplastice, iar la temperature obisnuita sunt fragile si au higroscapacitate redusa. Prin adaos de sulf ambele devin termorigide. Nu sunt solubile in apa si nici in alcool, dar se dizolva in hidrocarburi aromatice, in uleiuri si mai greu in benzina. Sunt utilizate la fabricarea lacurilor de impregnare, a compundurilor de impregnare si acoperire.7)

57

MATERIALE ELECTROIZOLANTE SOLIDE, ANORGANICE Materialele electroizolante solide, anorganice folosite in electrotehnica sunt: sticla, mica, ceramica, azbestul, marmura, ardezia. Ele prezinta, fata de materialele electroizolante solide, organice, urmatoarele avantaje: o - stabilitate termica ridicata (peste 200 C) - nu se carbonizeaza si nu se corodeaza sub efectul arcului electric - nu se oxideaza - au o buna stabilitate chimica, dar prezinta si unele dezavantaje fata de materialele electroizolante solide, organice: - proprietati electrice slabe - sunt fragile si au o rezistenta redusa la intindere - nu pot fi obtinute in grosimi mici si in fire subtiri - se prelucreaza mai greu - au cost mai ridicat. STICLA rezulta din topirea amestecului de cuart (bioxid de siliciu) cu diversi oxizi metalici si racire brusca a amestecului topit, obtinandu-se diferite sticle cu proprietati in functie de oxidul metallic folosit. Este un material termoplast, transparent, casant, nehigroscopic, nu este atacata de baze si acizi cu exceptia acidului fluorhidric In functie de domeniul de utilizare se deosebesc: - sticla pentru condensare; - sticla pentru izolare - sticla pentru lampi electrice si tuburi electronice; - sticla pentru emailare; - sticla de umplutura; - sticla pentru fibre;58

- hartia de sticla; - fibre de sticla pentru comunicatii. MICA este material electroizolant natural. In electrotehnica sunt utilizate doua varietati de mica: muscovite si flogopit.CARACTERISTICI densitate = d[kg/dm3] permitivitate relativa = r rigiditate dielectrica = Estr [kv/cm] rezistivitate de volum = v [.cm] tangenta unghiului de pierderi [tg ] temperature maxima de lucru = Qmax MUSCOVIT 2,7 3,2 [kg/dm3] 6,0 7,0 2000 2500 1015 1014 3.10-4 500oC FLOGOPIT 2,6 2,8 5,0 6,0 2000 13 10 1015 15.10-4 800oC

Produse pe baza de mica: - micafoliu; - micabanda; - micalexul; - hartia de mica; - termomicanita; - micanitele: de formare, flexibile, de colector, de garnitura. Mica sintetica este un amestec de oxizi de aluminiu, de siliciu, de fluorura de potasiu si siliciu; are proprietati asemanatoare cu mica naturala, pe care o poate inlocui, avand coeficientul de dilatare liniar apropiat de cel al materialelor utilizate (ca valoare a coeficientului). AZBESTUL este material natural, serpentinul fiind cel mai raspandit minereu de azbest. Firele de azbest sunt flexibile, au lungimi pana la 25 mm si sunt mult mai subtiri decat cele de bumbac si lana (pot avea pana la 1/1000 din diametrul firului de par). Azbestul este foarte higroscopic, are pierderi dielectrice mari si pentru a putea fi folosit ca material termoizolant se impregneaza. Se utilizeaza si ca izolant termic avand temperatura maxima de 315oC de folosire.

59

CERAMICA ELECTROTEHNICA se obtine din amestecuri de silicate si oxizi. Pentru obtinerea pieselor din ceramica, elementele componente se amesteca cu apa formand o pasta, iar din pasta, prin diverse procedee de modelare se obtin piese, care se usuca si se ard in cuptoare tunel la anumite temperaturi. Ceramicele electrotehnice sunt: - portelanul electrotehnic - stealita - ultraportelanul - ceramica de oxid de aluminiu - ceramica cu compusi de titan

CABLAJE IMPRIMATE

NOTIUNI GENERALE Utilizarea cablajelor (circuitelor) imprimate constituie actualmente solutia constructiva cea mai perfoemanta si mai raspandita de interconectare a componentelor in circuite electrice / electronice din montaje, aparate si echipamente electronice. Folosite pentru prima data in 1945 (in aparatura militara) cablajele imprimate au inlocuit treptat si pretutindeni, vechile cablaje spatiale, filare (conventionale), introducand modificari importante in constructia si tehnologia echipamentelor electronice atat profesionale cat si de larg consum. Conductor imprimat este o portiune a acoperirii conductoare depusa pe un suport izolant. Element sau componenta imprimata este un rezistor, condensator, bobina, etc. realizata pe un suport izolant sub forma unor acoperiri metalice sau de alte materiale.

60

Cablaj imprimat este un cablaj prefabricat in care legaturile conductoare intre componentele discrete sunt realizate sub forma de benzi sau suprafete conductoare depuse pe un suport izolant. Avantajele utilizarii circuitelor imprimate sunt: - realizeaza o mare densitate de montare a componentelor, permitand reducerea volumului si a greutatii (deci miniaturizarea) aparatelor electronice; - asigura pozitionarea precisa si fixa a componentelor electronice; - productivitate mare, deoarece se reduce cantitatea de lucru pentru asamblare, creand conditii pentru mecanizare si automatizare; - asigura o rezistenta superioara echipamentelor electronice (din care fac parte) la solicitari mecanice, termice si mecanice; - fac posibila unificarea si standardizarea constructiva a subansamblelor (blocurilor, modulelor) functionale din structura aparatelor sau echipamentelor electronice, permitand interconectarea simpla, rapida si precisa a acestora. Dezavantajele utilizarii circuitelor imprimate sunt: - orice modificari ulterioare ale circuitelor sunt relative dificil de efectuat; - majoritatea tipurilor de cablaje imprimate sunt sensibile la soc termic ceea ce impune unele precautii la lipirea/dezlipirea terminalelor componentelor; - legaturile de IF sunt greu de , iar circuitele care prelucreaza semnale de RF de putere cer consideratii speciale in proiectoare; - dispunerea bidimensionala a cablajelor imprimate limiteaza folosirea eficienta a contactelor multipin.

61

STRUCTURA SI CLASIFICAREA CABLAJELOR IMPRIMATE Un cablaj imprimat este un sistem de conductoare plate (imprimate) amplasate in unul, doua sau mai multe plane paralele si fixate cu adezivi pe suprafata unui electroizolant (dielectric) care asigura si sustinerea mecanica a componentelor. a) suport izolant al circuitelor imprimate este realizat din materiale avand proprietati fizico-chimice, electrice, mecanice si termice adecvate si anume: - conditii geometrice = plancitate, dimensiuni prescrise in tolerante date - conditii fizico-chimice = omogenitate, densitate, capacitate de absortie a apei; rezistenta mecanica si la socuri; - conditii electrice = rigiditate dielectrica si permitivitate corespunzatoare conditiilor climatice de utilizare, rezistenta de izolatie; - conditii termice = coeficient de dilatare mic, conductibilitate termica mare, rezistenta termica mare; Ca materiale suport pentru cablaje si circuite imprimate se folosesc stratificate organice si suporturi anorganice. 1) stratificate fenolice: - material de impregnare: rasina sintetica fenol sau crezolformalalchida; - material de umplutura: hartie, azbest, sticla, nilon, tesaturi de bumbac; - caracteristici: sunt ieftine, au rezistenta mecanica si chimica buna, pot fi folosite la temperature mari, etc. Din cadrul acestei categorii materialul cel mai folosit este PERTINAXUL (temperatura maxima de lucru 105oC) rezultat pe baza de textura de hartie imprimata cu rasini fenolice. Este considerat materialul standard pentru solicitari normale in cele mai diverse aplicatii. 2) stratificate epoxidice: - material de impregnare: rasini epoxidice;62

- material de umplutura: hartie, azbest, sticla, nilon, tesaturi de bumbac; - caracteristici: buna planeitate, rezistenta buna la caldura si umiditate (coeficient mic de dilatare), rezistenta buna la izolatie, prezinta o buna adeziune la metal si nu are nevoie de adezivi; Cablajele imprimate cu suport stratificat epoxidic se utilizeaza in aparatura electronica din mediul marin si in scopuri militare datorita proprietatilor deosebite. Din cadrul acestei categorii cel mai folosit este STECLOTEXTOLITUL (temperatura maxima de lucru 150oC) pe baza de textura din fibra de sticla impregnate cu rasini epoxidice. 3) stratificate melaminice: - material de impregnare: rasini melamino-gliptolice; - material de umplutura: hartie, azbest, sticla, nylon, tesaturi de bumbac; - caracteristici: rezistenta mecanica foarte buna (la soc, tractiune, compresiune si flexiune). Se folosesc in deosebi la aparatura electronica de masurare si control si la construirea comutatoarelor. 4) stratificate siliconice: - material de impregnare: rasini siliconice; - material de umplutura: azbest, sticla: - caracteristici: rezistivitate ridicata, pierderi mici, coeficient de dilatare foarte mic. 5) stratificate cu teflon: - material de impregnare: rasini fluorocarbonice; - material de umplutura: azbest, sticla, hartie, nilon; - caracteristici: absortie de apa nula, pierderi mici, rezistivitate mare, lipirea foliei de cupru se face fara adezivi. Suportul pe baza de teflon are aplicatii limitate deoarece este scump. Se utilizeaza numai la frecvente inalte si in circuite cu densitate mare de componente, din cauza constantei dielectrice mici. Materialul de baza este ceramica. Circuitele imprimate flexibile utilizeaza drept suport materiale termoplate ca: ACLAR (max. 200oC), TEFLON (max. 274oC) si63

KAPTON (max. 400oC). Alte materiale folosite sunt: BERILIU (max. 1500oC) si ALUMINA (max. 1600oC). Dintre suporturile anorganice, cele mai utilizate ca suport de cablaje in circuite imprimate sunt: - materialele ceramice, pe care se fac depuneri de argint plecand fie de la solutii coloidale, fie de la pulbere de argint; - sticla; - metalele, in deosebi aluminiul, la care izolatia electrica se obtine prin formarea unui strat de oxid la suprafata. b) Metalul de placare Traseele conductoare (cablajul imprimat propriu-zis) se realizeaza din matriale avand proprietati adecvate: rezistivitate electrica redusa, buna sudabilitate, rezistenta mare la coroziune. In general, cel mai frecvent utilizat material este cuprul electrololitic de inalta puritate (99,5%). Folia de cupru se obtine prin depunerea cuprului pe un tambur de plumb care se roteste cu o viteza constanta si mica in baia electrolitica (vezi figura).

Fig. Procedeul de obtinere a foliei de cupru prin depunere electrolitica: 1 tambur 2 folie de cupru 3 catod 4 - anod64

Folia de cupru se obtine si prin laminare, dupa care I se asperizeaza suprafata pentru aderarea adezivului si se aplica pe suprafata suportului electroizolant cu care formeaza semifabricatul ,,placat. In unele aplicatii profesionale se pot utiliza si aurul, argintul sau nichelul in scopul facilitarii lipirii terminalelor componentelor pe busole conductoare, dar si pentru asigurarea unor contacte electrice fiabile folia se acopera uneori cu o pelicula de cositor (ce contine Sn 55-75%) de aur sau de argint. Argintul micsoreaza, de exemplu, rezistenta durica dar are tendinta de migrare in materialul dielectric in functie de temperatura, umiditate si tensiune. c) Adezivii Folositi la placarea stratificatelor (fixarea foliei de cupru pe suportul electroizolant) sunt de regula rasini epoxidice plastifiante, cauciuc , poliviril butinol, izocianati, policloropen modificat cu rasini fenol furfurolic pentru suporturi tip PERTIMAX. Nu se folosesc adezivi pe baza de rasini termoplastice, deoarece acestea au o rezistenta termica redusa, iar la temperatura de lipire a aliajului de lipire a componentelor, se exfoliaza metalul de pe cablaj. Materialele electroizolante, stratificate epoxidice si stratificate teflonice de tip STECLOTEXTOLIT nu au nevoie de adezivi pentru lipirea foliei metalice. CLASIFICAREA CABLAJELOR IMPRIMATECU O FATA ,,simplu strat sau monostrat sunt cele mai vechi si mai frecvent utilizate cablaje; fiind destinate in special aparaturii electronice de larg consum. Au cel mai simplu process tehnologic de fabricatie si cele mai reduse costuri de productie. Nu permit obtinerea unor densitati mari de montaj, motiv pentru care ponderea lor pe ansamblul productive de cablaje imprimate este in scadere. CU DOUA FETE ,,dublu strat actualmente cele mai utilizate in constructia aparatelor si echipamentelor electronice profesionale intrucat asigura o densitate mare de montaj la un prt de cost relative scazut. Procesul de realizare este mai complex, implicand in unele cazuri si metalizarea gaurilor in care se implanteaza terminalele componentelor electronice. MULTISTRATAT Sunt destinate exclusive echipamentelor electronice profesionale intrucat asigura o densitate de montaj si proprietati electrice superioare tuturor celorlalte tipuri permitand interconectarea mai simpla a numeroase circuite integrate de tip LSI sau VLSI. Dar procesul lor tehnologic de realizare este complex si costisitor deoarece metalizarea gaurilor este mult mai dificila. CU SUPORT FLEXIBIL -au tendinta de a inlocui in ultimul timp, atat cablajele imprimate rigide alaturate cat si ,,formele de cablu (compuse din diferite tipuri de conductoare) care interconecteaza subansamble ale echipamentelor electronice. Lipirea componentelor pe astfel de cablaje este mai avantajoasa daca se efectueaza manual sin u automat.

65

METODE DE REALIZARE A CABLAJELOR IMPRIMATE Pentru realizarea cablajelor imprimate cu mijloace industriale sau artizanale se pot utilize peste 30 de metode (tehnologii) diferite alegandu-se metoda care corespunde scopului principal urmarit: aderenta buna a foliei metalice la suportul izolant, precizie a reproducerii de cablaj (finete sau rezolutie), productivitatea fabricatiei. Gruparea acestor metode se face in doua mari categorii, principial opuse: a) metodele substractive (de corodare) 1 metode fotografice 2 metode derigrafice 3 metode affset. Aceste metode implica prelucrarea unui semifabricat placat cu cupru si obtinerea traseelor circuitului imprimat prin inlaturarea unor portiuni din folia electroconductoare aderenta la suprafata suportului electroizolant. Indepartarea acestor zone se poate face fie pe cale chimica (prin corodare) avand in prezent cea mai mare pondere pe ansamblul cablajelor imprimate (fie pe cale mecanica, prin segmentarea si eliminarea foliei). b) metode aditive (,,de depunere) impunand metalizarea unui semifabricat din material electroizolant neplacat. 1 metoda electrochimica; 2 metoda arderii in cuptor; 3 metoda transferului; 4 metoda pulverizarii catodice si termice. Actualmente predomina metodele substractive, dar a aparut si o tendinta de extindere a metodelor de depunere avand in vedere necesitatea reducerii consumului de cupru. Exista si o a treia categorie de metode (mai rar utilizata) ,,metode combinate la care se folosesc tehnologii specifice atat metodelor substractive cat si celor aditive. Aproape in toate cazurile este necesara transpunerea configuratiei circuitului de realizat de pe un desen pe semifabricatul de prelucrat. Aceasta operatie se realizeaza66

industrial cu metode fotografice, serigrafice sau offset, iar artizanal prin desenare manuala sau vopsire cu sablon si pensula (sau pulverizator).

REALIZAREA FOTOORIGINALULUI Configuratia cablajului imprimat de realizat este transpusa pe folia de cupru a semifabricatului printr-una din metodele de mai sus indicate plecand de la un fotosablon (,,film fotografic sau ,,masca) ce se obtine la randul lui, prin fotografierea configuratiei originale a cablajului imprimat. Prin fotooriginal se intelege acest suport informational al configuratiei cablajului imprimat de realizat. Modalitatile de realizare a unui fotooriginal pentru cablaje imprimate sunt urmatoarele:REALIZAREA FOTOORIGINALUL UIAUTOMATIZATCOORDINATOGRAF CU COMANDA NUMERICA

MANUAL PRIN APLICAREA DE BENZI ADEZIVECOORDINATOGRAF CU COMANDA MANUALA

DESEN

67

De regula, fotooriginalul este un desen la scara marita (2:1 4:1) al cablajului si realizat pe hartie speciala care asigura atat stabilitatea dimensionala cat si contrastul necesar fotografierii. Executarea desenului implica de fapt proiectarea cablajului imprimat proces relativ complex, ce se realizeaza fie manual, fie automatizat (,,proiectare asistata de calculator), respectand anumite reguli. PROIECTAREA CABLAJELOR IMPRIMATE Forma cablajului imprimat este dictata de forma echipamentului electronic in care urmeaza sa fie montat; forma dreptunghiulara este cea economica pentru fabricatie. In proiectarea desenului de cablaj imprimat se urmareste configuratia schemei de principiu si se tine cont de parametrii electrici ai blocului functional care impune distanta minima intre trasee vecine, lungimea si latimea traseelor (fara ca acestea sa se intersecteze in acelasi plan). Principalele aspecte ce trebuie avute in vedere sunt urmatoarele: - gaurile pentru terminalele componentelor se plaseaza in nodurile unei retele (imaginare), avand pasul de 2,5 mm; - latimea traseelor conductoare depinde de intensitatea curentului prin ele, de temperatura mediului ambient si de grosimea foliei de cupru (0,35 m sau 0,70 m standardizat); - distanta minima intre doua trasee conductoare invecinate este determinata de diferenta de potential dintre acestea; - pentru reducerea la minimum a posibilelor influente reciproce se amplaseaza cat mai distantat grupate separate traseele de semnal mic si cele de semnal mare, caile de joasa frecventa si cele de inalta frecventa, etc.; - conductorul de masa se realizeaza distinct de celelalte conductoare imprimate, avand, de preferinta o latime mai mare.68

Avand in vedere aceste considerente, se realizeaza mai intai o schita preliminara de montaj pe baza careia dupa optimizarea si definitivarea tuturor pozitiilor si dimensiunilor se executa FOTOORIGINALUL. Pe desenul fotooriginalului se prezinta traseele conductoare si toate gaurile (pentru componente si fixare) fie prin trasare cu tus negru, fie prin lipirea unor elemente adezive, special concepute. Utilizarea elementelor adezive este foarte eficienta intrucat permite realizarea rapida si estetica a fotooriginalului. In cazul unicatelor (inclusiv al cablajelor experimentale), unele tipuri de elemente adezive pot fi fixate direct pe folia de cupru inainte de corodare preluand rolul protector al fotorezistorului (de la metoda fotografica) sau al cernelii serigrafice (de la metoda serigrafica). In absenta unor astfel de elemente adezive si numai in cazul unicatelor, desenul cablajului imprimat poate fi realizat si direct pe folia de cupru (fara fotooriginal si fara fotosablon), utilizand lichide speciale ( de exemplu: tus, carmine, lac diluat, tincture de cositorit) rezistente la actiunile clorurii ferice din baia de corodare. In afara fotooriginalului (desen de cablaj) documentatia tehnica necesara productiei in serie a unei placi de cablaj imprimat cuprinde: desenul de baza, desenul de pozitionare a gaurilor, desenul de acoperire selectiva, desenul de pozitionare (sau de inscriptionare), desen de echipare.a)

CURENTUL care circula prin traseele conductoare impun latimea acestora. Precautia majora care trebuie luata la asezarea traseelor conductoare pe suprafata utila repartizata circuitului este de a izola pe cat posibil traseele de semnal mic de cele de putere si c.a.

In figura alaturata se da rezistivitatea cuprului in functie de temperatura. Punctul Too este luat ca69

punct de referinta o=1,78 m la 20oC pentru un conductor obtinut prin corodarea pertinaxului placat si o=2,5 m pentru un conductor depus electrolitic.

Variatia rezistivitatii cu temperatura este data de relatia: unde este coeficientul de temperatura al rezistivitatii intre doua temperaturi alese, sin nu un coeficient de temperatura al rezistivitatii pentru o temperatura data: =1 0 0 T T0

= 0 (1 + T ) ,

,

relatie ce da o precizie suficient de buna pentru cazurile practice. Calculul de temperatura al rezistivitatii este:=1 d dT

Calculul supraincalzirii () conductorului de cupru la trecerea I prin el a unui current de densitate = S , pleaca de la relatia P = m c , unde m este masa si c este caldura specifica.

70

Calculul termic al cablajelor imprimate tine seama ca evacuarea caldurii Q, datorita pierderilor in cupru, se realizeaza prin convectie si radiatie la suprafata exterioara a traseului conductor de la (flux termic Q1 si rezistenta termica R1 de convectie si radiatie directa a peliculei metalice) si prin conductibilitate termica spre suportul izolant(fluxul termic Q2). TENSIUNEA. Spatiul dintre traseele conductoare este dependent de diferenta de potential ce exista intre doua puncte ale traseului si de protectia traseelor. Distanta minima necesara intre doua trasee conductoare tinand seama de parametrii conditiilor climatice si dielectricul materialului izolant este data in functie de tensiunea intre traseele conductoare. Aceste date sunt considerate plecand de la calculul tensiunii de strapungere a dielectricului (aer, suport izolant, acoperire de protectie) intre traseele cablajului, luand un coeficient de siguranta pentru neatingerea limitei de strapungere.b)

Tensiunea intre conductoare cc. Spatial minim (mm) sau valoarea la varf ca [V] A. Distanta intre conductoare (de la nivelul marii 3.000 m)

71

0 150 0,65 151 300 1,30 301 500 2,50 peste 500 0,005 B. Distanta intre conductoare (altitudine peste 3.000m) 0 50 0,635 51 100 1,524 101 170 3,175 171 250 6,350 251 500 12,700 501 0,0254 C. Distanta intre conductoare (orice altitudine) 0 30 0,254 31 50 0,381 51 150 0,508 151 300 0,762 301 500 1,524 501 0,003 In anumite aplicatii distantele intre trasee pot fi crescute din cauza efectelor capacitatii de cuplare intre traseele paralele la inalta frecventa sau pentru a reduce riscul unei reactii parasite. FRECVENTA impune restrictii numai cand lucreaza la valori foarte inalte si intervine capacitatea distributiva intre traseele conductoare. Pentru proiectarea unui cablaj imprimat pentru un circuit cu functionare la inalta frecventa intervin urmatorii parametrii: dimensiunile traseelor (latimea conductorului, distanta intre trasee, grosimea conductorului), natura conductorului, natura si grosimea suportului izolant. Capacitatea de cuplaj distribuita pe unitatea de lungime intre doua trasee conductoare paralele si identice, pentru pertinax simplu placat, respective dublu placat, este reprezentata in cele doua grafice 1 s respective 2.c)

72

Cand traseele conductoare nu sunt egale si anume unul este de 2,5 ori mai lat decat celalalt, capacitatea distribuita parazita se obtine inmultind datele din graficele prezentate mai sus cu 1,25.

Fig. Capacitatea distribuita de cuplare intre traseele paralele conductoare pe suport izolant de pertinax: 1 simplu placat 2 dublu placat 3 trasee conductoare neegale simplu placat 4 - trasee conductoare neegale dublu placat

73

Capacitatea distribuita intre doua trasee conductoare paralele si identice pe un suport de 2 mm grosime este prezentata in urmatorul tabel:Latimea traseului Capacitatea [pF/cm] pentru o distanta intre trasee [mm] de cupru [mm] 1 2 3 4

2 4 6 d)

0,62 0,68 0,73

0,52 0,57 0,60

0,38 0,43 0,46

0,30 0,34 0,36

REZISTENTA DE PIERDERI. Pentru caile de semnal mic sau pentru traseele conductoare de intrare in circuite cu mica impedanta de intrare, rezistenta pe care o ofera traseul conductor semnalului intre elementele conectate are o mare importanta pentru inrautatirea acestuia (pierderi de semnal si zgomot introdus de zgomotul termic al rezistentei echivalente).

In figura alaturata se da variatia rezistentei conductorului de cupru in functie de dimensiunile lui. Intre valoarea rezistentei si lungimea traseului conductor este o relatie liniara data de:R = l s

Temperatura este de 20oC.

REALIZAREA DESENULUI

74

ETAPE ALE UNUI PROCES DE REALIZARE A CABLAJELOR IMPRIMATE

REALIZAREA FOTOSABLONULUI

TRANSPUNEREA IMAGINII CABLAJULUI PE SUPORTUL PLACAT

PRELUCRARI MECANICE

METODE ADITIVE DE REALIZARE A CABLAJELOR IMPRIMATE Se pleaca de la suportul izolant neacoperit cu metal si se urmareste realizarea cablajului imprimat prin depunerea realizarilor corespunzatoare desenului de cablaj. A.DEPUNERE GALVANICA Cablajele imprimate se realizeaza prin depunerea electrolitica a cuprului pe suport izolant urmand desenul de cablaj. Depunerea electrolitica a cuprului pe stratul izolant:

75

1 substrat; 2 adeziv; 3 pulbere de argint; 4 cupru; 5 traseele conductoare ale cablajului. Procesul tehnologic de galvanotehnica este urmatorul: obtinere a cablajelor prin

1) taierea la dimensiuni si gaurirea suportului; 2) acoperirea cu adeziv a suportului ce urmeaza a fi placat; 3) pulverizarea fina cu praf de argint; 4) acoperirea cu cerneala neconductoare electric a portiunilor care urmeaza sa ramana neacoperite cu metal; 5) introducerea in baia de galvanizare: se depune cupru de grosimea dorita, electrodul de depunere fiind constituit de pulberea de argint neacoperita de cerneala; 6) spalarea cu solvent a pulberii de argint, a adezivului si a cernelii de pe portiunile necuprate; 7) polimerizarea adezivului dintre suportul izolant si stratul de cupru depus (lipirea foliei metalice de suport). B. PULVERIZAREA METALICA Procesul tehnologic consta in: 1) se sableaza suportul izolant ce urmeaza a fi acoperit pentru a obtine o aderenta buna a metalului; 2) se acopera portile ce urmeaza a fi /ramane izolant neacoperit cu metal (desen negativ) folosind un sablon; 3) se pulverizeaza cu pistol (sprituire) metalul de acoperit. C. CABLAJE TRANSFER IMPRIMATE REALIZATE PRIN

Procesul tehnologic consta in: - pe o placa de otel se realizeaza desenul negativ de cablaj (se acopera cu cerneala neconductiva portiunile care in circuitul final de cablaj trebuie sa ramana izolant);76

- se depune electrolitic cuprul pe placa de otel (in portiunile neacoperite cu cerneala); - se transfera cuprul cu configuratia obtinuta de pe placa de otel pe suportul izolant acoperit cu adeziv; - se polimerizeaza adezivul. Procedeul de realizare prin transfer a cablajelor imprimate: 1 substrat; 2 adeziv; 3 placa de otel; 4 cupru Pentru fabricatia in productie de serie mare, pe placa de otel se realizeaza desenul de relief, cerneala neconductoare acopera adanciturile, iar cuprul se depune galvanic pe proeminente; prin aceasta se asigura un transfer mai bun al acoperirilor de cupru pe suportul izolant acoperit cu adeziv. D. CABLAJE IMPRIMATE REALIZATE CU PULBERI PRESATE Procesul tehnologic consta in: - suportul izolant este acoperit prin pulverizare cu pulbere metalica; se usuca (suspensie de pulbere in apa); - se realizeaza o matrita cu desenul de cablaj in relief (imaginea pozitiva proeminentele corespund traseelor ce urmeaza a fi constituite de metal); - se preseaza matrita incalzita pe suportul izolant acoperit cu pulbere metalica. Prin presare, pulberea metalica se aglomereaza si intra partial in suportul izolant; - se spala pentru indepartarea pulberii metalice de pe portiunile nepresate; metalul rezultat de la spalare este recuperat.

77

Tehnologia de fabricatie a cablajelor imprimate prin presare de pulbere metalica: 1 substrat; 2 pulbere argint.

Procedeul este intrebuintat indeosebi la acoperirea cu argint.

METODE SUBSTRACTIVE DE REALIZARE A CABLAJELOR IMPRIMATE Procedeul mecanic de realizare a cablajelor imprimate. Se pleaca de la suportul izolant acoperit cu adeziv si folia metalica a carei grosime depinde de scopul urmarit la proiectarea electroconstructiva. Etapele acestui procedeu sunt: - se realizeaza matricea cu relieful corespunzator desenului de cablaj ; - se preseaza la cald suportul izolant termorigid nepolimerizat acoperit cu adeziv si folie metalica. Presarea uniforma pe toata suprafata face ca folia de cupru sa se lipeasca de izolant, conexiunile avand o grosime uniforma infundata in stratificat;a) 78

- se curata metalul nelipit cu piatra de polizor sau cu benzi abrasive cu mers continuu. Pentru realizarea de cablaje nivelate, necesare la sectiuni de comutatoare in special, se foloseste suport izolant cu procent mare de rasina (stratificatul este sarac in material de umplutura) care dupa realizarea cablajului imprimat este supus unei incalziri si presari intre doua placi; suportul se inmoaie, iar metalul se imprima in suport, obtinandu-se nivelarea cablajului. Procedee chimice (gravare) de realizare a cablajelor imprimate constau in : - se realizeaza desenul de cablaj la o scara marita (x10 pentru cablaje de finite, x2 pentru cablaje normale) pe hartie speciala conform principiilor de proiectare a cablajelor. Traseele conductoarelor imprimate se realizeaza cu tus negru sau cerneala neagra sau mata (made in China) la care gaurile se reprezinta prin cercuri albe in interior 1 mm sau folosind benzi negre adezive, obtinandu-se astfel originalul desenului cablajului imprimat; - se realizeaza filmul fotografic (fotosablonul sau marca) prin fotografierea desenului original pe film de mare contrast (micsorand de 10 ori, respective de 2 ori; prin aceasta, imperfectiunile de executie ale desenului sunt reduse corespunzator); astfel obtinandu-se negativul desenului de cablaj. Acesta se executa fie pe film de celuloid (variatiile in timpul procesului de developare, fixare si uscare sunt de 0,5%), polistiren (0,1%) sau placi de sticla (cele mai stabile). - retusarea cliseului; - se realizeaza cablaje prin gravare; transpunerea (imprimarea) imaginii cablajului de pe filmul fotografic pe stratificatul placat cu cupru se poate face prin mai multe metode: fotografic, serigrafic si prin transport (sau offset); - efectuarea unor prelucrari mecanice adecvate (dupa realizarea corodarii) gaurire, taiere, decupare, debavurare, etc. urmate de realizarea unor acoperiri de protectie.b)

79

1. Procedeul fotografic consta in: a) acoperirea (prin pulverizare, scufundare sau prin valturi) a intregii suprafete de cupru a stratificatului placat cu cupru cu o substanta fotosensibila (alcool polivirilic sensibilizat cu bicromat de amoniu fotorezist lichid) de grosime intre 4 12 m; b) expunerea la lumina a placii sensibilizate prin cliseul fotografic; imaginea nu poate fi mai buna decat cliseul; c) developarea, fixarea, indepartarea substantei fotosensibile nepolimerizate de pe placa; d) spalarea; e) corodarea.

Fig.

Prelucrarea stratului de fotoresist negativ

Avantaje: trasee fine (rezolutie buna definite prin grosimea celei mai fine linii conductoare sau ca numarul de linii rezolvate pe milimetru), utilaj redus. Dezavantaje: costuri mari, (acoperirea intregii placi cu material fotosensibil), productivitate scazuta, cere calificare in executie. Procedeul este convenabil pentru fabricatie de serie mica si de unicate. Dupa prima faza a) spalarea si degresarea prealabila a foliei de cupru aceasta se acopera cu un strat de fotorezist. (fotorezistent). In faza urmatoare b) se expune stratul de fotorezist la lumina prin intermediul fotosablonului (realizat anterior) vezi figura de

80

mai sus transferandu-se astfel configuratia circuitului imprimat de realizat pe folie de cupru. Dupa developare si fixare fotografica, anumite zone din fotorezist devin insolubile, iar celelalte pot fi dizolvate si indepartate cu ajutorul unui solvent special. Astfel la fotorezistul negativ, portiunile expuse la lumina polimerizeaza si devin insolubile, spre diferenta de fotorezistul pozitiv la care zonele neexpuse luminii devin insolubile. Se obtine astfel in primul caz, cel din figura o acoperire a foliei de cupru cu fotorezist, doar in zonele corespunzatoare portiunilor transparente ale fotosablonului. Stratul ramas se fixeaza pentru a-i mari rezistenta la reactivul de corodari. Urmeaza, conform fazelor prezentate, prelucrarea foliei de cupru.

Cea mai importanta etapa consta in corodare (specifica metodelor substractive), implicand inversarea semifabricatului placat intr-o cuva (de dimensiuni adecvate) cu clorura ferica. Au loc reactii chimice determinand corodarea si indepartarea foliei de cupru numai in zonele neacoperite cu stratul protector de fotorezist (vezi figura de mai sus), corespunzand, in cazul fotorezistorului negativ, zonele neexpuse la lumina, (deci portiunile opace ale fotosablonului. Corodarea poate dura pana la cateva zeci de minute si se considera incheiata atunci cand in zonele neacoperite de fotorezist apare suportul electroizolant al fabricatului. Dupa corodare se realizeaza succesiv: - indepartarea stratului protector de fotorezist (depus pe traseele circuitului imprimat); - decuparea/debitarea placii la dimensiunile finale;81

- efectuarea gaurilor necesare montarii componentelor pe placa si a placii in aparat (echipament); - debavurarea muchiilor placii si a gaurilor; - lacuirea in scopul asigurarii protectiei anticorozive si a facilitarii efectuarii lipiturilor lipirilor cu cositor. Se obtine astfel un produs finit placa cu cablaj imprimat sau cu ,,circuite imprimate) pe care urmeaza sa se monteze (prin implantare si lipire automatizata sau manuala) toate componentele pasive si active prevazute. 2. Procedeul serigrafic Transpunerea imaginii cablajului imprimat pe semifabricatul placat cu cupru se poate efectua si prin ,,serigrafie. Desi aceasta metoda realizeaza unii parametrii calitativi inferiori celor obtinuti prin metoda fotografica (rezolutie 1,5 mm in loc de 0,5 mm; precizie 0,3 mm in loc de 0,15 mm) ea este larg utilizata in productia industriala de mare serie a cablajelor imprimate intrucat asigura obtinerea unei productivitati maxime si a unui pret de cost mai redus, permitand totodata automatizarea totala a procesului tehnologic respectiv. In acest caz, configuratia cablajului imprimat de realizat este protejata impotriva corodarii prin aplicarea unui strat de vopsea /cerneala serigrafica speciala, cu ajutorul unei ,,site serigrafice specifice. Etapele acestui procedeu sunt: - pregatirea suportului placat; - realizarea sitei serigrafice; - acoperirea suportului placat cu cerneala serigrafica; - corodarea; - acoperirea de protectie. Se realizeaza pe o sita (de matase, polister sau otel inoxidabil) acoperita cu alcool polivinilic concentrate, prin impresionare fotografica folosin cliseu, imagine ce reprezinta desenul negativ al cablajului imprimat. Aceasta sita (sau ,,sablon) este de regula o ,,panza cu ochiuri foarte fine si bine intinsa pe o rama82

dreptunghiulara avand dimensiunile mai mari decat cele ale placii cu cablaj imprimat. Realizarea sitei serigrafice implica obturarea anumitor ochiuri in scopul transpunerii imaginii alb/negru de pe filmul fotografic intr-o imagine cu ochiuri obturate, respective libere, pe sita. In acest scop, pe sita care are toate ochiurile libere se aplica mai intai un strat fotosensibil din FOTOREZIST care este expus la lumina prin intermediul fotosablonului pozitiv (continand configuratia cablajului imprimat). In locurile iluminate fotorezistorul polimerizeaza si se intareste (fixandu-se pe sita si obturand ochiurile), in timp ce in zonele neluminate fotorezistorul poate fi indepartat (prin spalare cu apa calda) permitand reaparitia ochiurilor libere. Astfel sita devine un ,,negativ continand imaginea cablajului imprimat. Sita trebuie sa fie intinsa iar firele acesteia sa fie perpendiculare intre ele. In etapa urmatoare, se transpune (imprima) aceasta imagine pe folia de cupru a semifabricatului placat. Pentru aceasta, se pune sita in contact direct cu folia, iar pe cealalta fata a sitei se aplica vopsea/cerneala serigrafica prin intindere pe intreaga suprafata a sitei cu ajutorul unei radete (spaclu) speciale. (Distanta maxima la care poate fi mentinut ecranul (sita) este de 3-4 fata de placa de cupru, aceasta depinzand de puterea de patrundere a lacului sau cernelei utilizate; o distanta prea mare ducand la dublarea, umbrirea imaginii serigrafice). Translatand aceasta radeta, insotita de o anumita presare cerneala este obligata sa treaca prin ochiurile ramase libere ale sitei, imprimandu-se pe folia de cupru zona ochiurilor abturate ramanand neacoperita cu cerneala.

83

Fig. Imprimarea prin intermediul sitei serigrafice cu cerneala serigrafica: 1- cerneala serigrafica; 2 radeta; 3 ochiuri obdurate 4 sita serigrafica(sablon) Astfel se obtine pe folia de cupru o imagine ,,pozitiva si in relief a cablajului imprimat, realizata cu ajutorul vopselei/cernelei serigrafice. Exista tipuri diferite de cerneluri si lacuri, in functie de scopul urmarit. Pentru circuite simplu sau dublu placate, la care operatia urmatoare serigrafiei este corodarea, se pot utiliza : cerneala neagra tip wornow 145-14-O, Argon 19400, Dinachem 2001. Pentru circuitele dublu placate sau multistrat, care dupa serigrafie sunt acoperite electrochimic se foloseste cerneala albastra tip wornow 145-14-M, Argon 19490, Argon 19700. Pentru cositorirea selective a circuitelor imprimate se utilizeaza lac sicativ tip Solder Mask 727. Cerneala serigrafica este de natura oleogliceroftab.. greu sicativa ce se dilueaza cu terebentina. Grosimea stratului depus este de 8-12 m. Retusul serigrafic consta in retus pozitiv, prin adaugarea cu pensula a cernelei pe portiuni unde aceasta lipseste, si retus negative prin indepartarea portiunilor serigrafice care au un plus de cerneala. Avantajele acestui procedeu sunt: finete medie a traseelor conductoare, utilaj redus, consum redus de cerneala serigrafica. Dezavantajele constau in aceea ca procedeul cere calificare si experienta in procesul de fabricatie. Procedeul este convenabil pentru serii medii si mari unde se utilizeaza masini specializate manuale, semiautomate sau automate. Compozitia de corodare este injectata prin duze. Se poate face o corodare pe ambele fete in cazul cablajului dublu placat. Se poate apoi face spalara prin injectare.Curatirea cernelei de protectie a acoperirilor conductoare de cupru cu ajutorul unui diluant prin stergerea cu o carpa inmuiata in diluant.84

Dupa corodarea chimica pot aparea reactii secundare care duc la formarea oxizilor de cupru si de fier ce raman sub forma unei pelicule foarte rezistente pe cuprul cablajului. Din cauza ciclurilor de temperatura si umiditate, rezistenta mecanica la suprafata a cablajului imprimat scade, iar rezistenta electrica de contact creste considerabil aparand aproape impasibila lipirea componentelor. De aceea dupa curatirea mecanica (cu abrazivi) si chimica pentru indepartarea oxizilor, se acopera cablajele imprimate cu straturi de protectie. Se pot folosi in acest scop urmatoarele posibilitati: - protectia plastica cu rasini sau lacuri; prin aceasta se protejeaza de la oxidare si in acelasi timp, se usureaza lipirea in bare se cositor. Se foloseste pentru acoperire in mod deosebit coloforiu activat dizolvat in alcool. Acoperirea se realizeaza prin stropire (pulverizare), scufundare sau prin intinderea uniforma de catre tambur; - protectia metalica; consta in depunerea electrochimica in baia de galbanizare a unui metal rezistent la coroziune. Acoperirile galvanice inainte de gravare constau in depuneri de cositor sau de argint; catodul de depunere fiind constituit din cuprul imagine pozitiva neacoperit cu cerneala neconductiva. Dupa spalarea cernelii raman acoperite traseele conductoare de cupru cu metalul de protectie. Corodarea cuprului de pe portiunile neprotejate se face in solutie acida care nu ataca metalul de protectie depus galvanic, ci numai cuprul neprotejat.

Fig. Acoperirea de protectie a cablajelor85

imprimate cu solutie de coloforiu in alcool: 1 cablaj imprimat; 2 tambur; 3 solutie de coloforiu Acoperirea metalica dupa gravare consta in depunerea electrodului mica cu metal de protectie peste cuprul ce reprezinta traseele conductoare (catodul baii de galvanizare). Se fac depuneri de protectie de crom (baie cu acid cromic), nichel (anodul este nichel pur, iar electrolitul este solutie de sulfat dublu de nichel si uraniu), argint (anodul este argint, iar electrolitul solutie de arama dubla de argint si potasiu).3.

Procedeul imprimarii affset consta in:

- se realizeaza o placa de metal (otel, cupru, zinc, aluminiu) gravata in relief dupa desenul de cablaj scara 1:1; - se depune prin transport cerneala de pe placa pe stratificatul placat; cu o rola de care se inmoaie inaintea fiecarei operatii in cerneala, se depune cerneala pe proeminentele placii metalice; o a doua rola de transport preia cerneala de pe placa de metal si o depune pe suportu placat (figura de mai jos).

Fig. Procedeul imprimarii prin transfer pentru realizarea cablajelor imprimate: 1 suport placat;86

2 cupru; 3 rola de acoperire; 4 rola de transport - corodarea; Avantajele procedeului constau in productivitate foarte mare, consum redus de cerneala. Dezavantajele sunt: necesita utilaje scumpe, dau o precizie si o finete a traseelor mica. Procedeul este convenabil pentru serii mari si foarte mari. Dupa realizarea acoperirilor de protectie a cuprului ce placheaza stratificantul izolant in portiunile care trebuie sa ramana conductoare, urmeaza corodarea cuprului de pe portiunile neacoperite. Corodarea metalizarilor neprotejate se face in: o - clorura ferica slab acida (concentratie 30-40 Baume) cu agitarea acidului la temperatura de 30-35oC. Corodarea se realizeaza cu o viteza de 50m/5minute. - persulfat de amoniu (NH4)S2O8. Avantajul este ca, corodarea este curate si nu produce reziduri insolubile (deci problema indepartarii acestora este inlaturata); persulfatul de amoniu coloreaza orice fel de circuite imprimate, inclusiv circuitele imprimate cositorite. - clorura cuprica, acid clorhidric, apa oxigenata, saramura (cablaje imprimate realizate in I.P.R.S.). Are avantajul ca se recupereaza cuprul dizolvat in solutie.

87

MATERIALE CONDUCTOARE

Pentru prima data filozoful grec Thales din Milet, care a trait cu 600 de ani i.e.n. (640 548 i.e.n.), a constatat ca, frecand o bucata de chihlimbar cu haina sa de lana, chihlimbarul capata proprietatea de a atrage firisoare de lana sau de matase, fulgi, franturi mici de paie, etc. Prin anul 1600, adica cu 21 de secole mai tarziu, William Gilbert, incercand sa faca o apropiere intre atractia produsa de un magnet, repeta experienta lui Thales. Si pentru ca in vechea limba elena, chihlimbarul inseamna electron, doctorul Gilbert, a dat acestui fenomen numele de ELECTRIZARE. Experimental, Franklin a stabilit conventia conform careia exista electricitate pozitiva si electricitate negativa. Electrizarea unui corp poate fi pusa in evidenta mai usor de observat88

intrebuintand pendulul electric, format dintr-o bobita de maduva de soc, fixate la capatul unui fir de matase, suspentat de un suport cu izolata din sticla. Experimental se observa urmatoarele 2 situatii: 2- corpurile incarcate cu acelasi fel de electricitate se resping, sar; 3- corpurile incarcate cu sarcini electrice de semn contrar se atrag; INTERPRETAREA ELECTRONICA A ELECTRICITATII ELECTRONUL este o particula cu masa foarte mica, care intra in alcatuirea corpurilor si constituie, in acelasi timp sarcina elementara de electricitate negativa. Electronii graviteaza in jurul nucleelor atomice pe diferite orbite stationare, numarul electronilor sateliti fiind egal cu numarul protonilor din nucleu si pentru ca fiecare proton este purtatorul unei sarcini electrice positive, egala si de semn contrar cu sarcina unui electron, rezulta ca sarcinile positive din nucleul atomului sunt neutralizati se sarcinile negative ale electronilor si atomul este neutru d.p.d.v.electric. In timpul electrizarii prin fiecare apar intotdeauna doua feluri de sarcini electrice pozitiva, respectiv negativa in cantitati egale. Electrizarea pozitiva corespunde unei pierderi de electroni, iar electrizarea negative corespunde unui adaos de electroni liberi.

Fig.

89

Corpurile conductoare si corpurile izolatoare se deosebesc intre ele prin microstructura lor. Conductoarele au, in general o structura cristalina, adica atomii lor sunt astfel dispusi incat nucleele lor, se gasesc in nodurile unei retele cristaline spatiale. In aceasta structura, atomii sunt atat de apropiati intre ei, incat orbitele electronilor periferice se intrepatrund, legatura acestor electroni periferici cu nucleul lor devine atat de slaba incat electronii respectivi nu se mai rotesc in jurul nucleului ce se misca dezordonat printre nodurile retelei cristaline. Atomii care au pierdut unul sau mai multi electroni se numesc IONI. Deci, in metale, nodurile retelei cristaline sunt formate din ioni pozitivi, printre care se misca electroni liberi. Electronii liberi apartin astfel intregului conductor. Din punct de vedere electric, conductoarele sunt neutre, deoarece numarul electronilor liberi este egal cu numarul sarcinilor positive ale ionilor. Conductoarele tinute in mana nu pot fi electrizate deoarece electronii sunt imediat inlocuiti cu altii, care vin din pamant prin corpul nostru. Clasificarea materialelor in conductoare, semiconductoare si electroizolante s-a facut tinandu-se cont de rezistivitatea electrica a frecarii fiecarui material in parte. Prin REZISTIVITATE (rezistenta specifica) ELECTRICA a unui material se intelege rezistenta electrica pe care o opune un conductor din acel matrial, la trecerea curentului electric prin el avand lungimea egala cu unitatea de lungime (1 m) si aria sectiunii egala cu suprafata unitatii de suprafata (1m2).[ ] SI= m2 = m m

In tehnica, se foloseste pentru rezistivitate o unitate conventionala care da valori numerice de 106 ori mai mari. Aceasta se numeste ohm-milimetru patrat si se obtine din relatia:R = l S

90

unde: R rezistenta electrica a materialului l lungimea conductorului S aria sectiunii conductorului Luand lungimea in metrii si sectiunea in mm2, rezulta:RS l 2 6 2 [ ] = mm = 10 m = 10 6 m m m

=

1.m = 102.m = 106.mm2/m Inversul rezistivitatii se numeste CONDUCTIVITATE, se 1 noteaza cu . = , iar intervalul rezistentei se numeste CONDUCTIVITATE, se noteaza cu G, G = R . Cele mai importante materiale conductoare sunt metalele si aliajele lor. Conductivitatea electrica ridicata a acestora se datoreaza faptului ca au cel mult trei electroni de valenta, care se pot desprinde usor de atractia nucleului, devenind electron liber, fara aport de energie din exterior. Prin urmare, exista in permanenta un nor de electroni liberi ce se deplaseaza dezordonat in interiorul miscarii de vector. In jurul anului 1900, filozoful Paul Drude a conceput teoria gazului electronic in metode, cu ajutorul careia au putut fi explicate multe din proprietatile metodelor, dar care da si o explicatie, cu privire la natura fortelor de coeziune care iau nastere in cristalele metalice si care mentin atomii in anumite pozitii din cristale. Legatura metalica in ansamblu este asigurata de atractia exercitata asupra ionilor de gaz electronic. Teoria lui Paul Drude nu poate explica insa caldura specifica a metalelor. In present, legatura metalica este explicate pe baza formarii, intr-un cristal, a benzilor de energie caracteristice pentru diferiti electroni. La stabilirea acelei conceptii, o importanta deosebita prezinta principiul stabilit in 1925, de elvetianul Wolfgang Pauli, potrivit caruia fiecare strat de electroni, prezinta un anumit nivel de energie si ca valoarea acestuia este cu atat mai mare cu cat este mai indepartat de nucleu. Pauli spunea ca pe un anumit strat (nivel) de energie nu pot sa existe decat cel mult 291I

electroni, avand aceeasi energie, dar de numar cuantic de spin opus (avand semnul + semn si care se orienteaza fie in sensul campului magnetic, fie in sens opus).Substanta [.m2/m] Coeficient tehnic -6 Argint 0,016.10 0,0040 -6 Cupru 0,017.10 0,0041 -6 Aluminiu 0,028.10 0,0042 -6 Wolfram 0,055.10 0,0045 -6 Fier 0,120.10 0,0060 -6 Platina 0,107.10 0,0039 Substanta Nichel Mangan Const onton Mercur Nichel-Crom Bismut [.m2/m ] 0,42.10-6 0,43.10-6 0,50.10-6 0,950.10-6 1,10.10-6 1,20.10-6 Coeficient tehnic 0,0002 0,000086 0,000005 0,00027 0,00015

Sub influenta unui camp electric exterior, acesti electroni liberi devin electroni de conductie si formeaza CURENTUL ELECTRIC DE CONDUCTIE notat cu E. , unde: U tensiunea plicata; L lungimea conductoruluiE= U L

Campul electric este orientat dinspre capatul 1, cu potential mai ridicat spre capatul 2 cu potential mai scazut. Electronii liberi din metal (avand sarcina negativa) sunt supusi la forte in sens opus campului deplasandu-se in conductor de dinspre capatul 2 spre92

capatul 1. SENSUL CONVENTIONAL AL CURENTULUI ESTE INVERS SENSULUI REAL. In deplasarea lor, electronii se ciocnesc de atomii metalului descriind un drum foarte complicat si inainteaza prin conductor cu VITEZA MEDIE DE DEPLASARE relativ mica. Daca se noteaza cu: S aria sectiunii conductorului prin care se stab. curentul electric(m2); ne numarul de electroni de conductie din 1m3 de conductor; ve viteza medie de deplasare a electronilor de conductie prin conductor exprimata in m/s; qe sarcina electrica a unui electron, exprimata in colomb = 1,602.10-19 C, atunci intr-o secunda vor trece prin aria sectiunii conductorului toti electronii de conductie, care se gasesc in volumul de conductor S.l1 (l1 = lungimea conductorului exprimata in metri, fiind distanta parcursa de electroni intro secunda). In volumul S.l1 se gasesc ne = S.l1 - electroni de conductie, constituind o sarcina electrica de qe.ne.S.l1 colombi. Intensitatea curentului in ampere (sarcina electrica exprimata in colombi care trece prin aria sectiunii conductorului in 1/s) corespunzatoare acestei sarcini este:I = q e ne S v e ,

unde:

ve [ m / s ] =

l1 [ m] t( s)

Pentru a caracteriza cresterea rezistivitatii cu temperatura la materialele conductoare s-a adoptat COEFICIENTUL DE TEMPERATURA AL REZISTIVITATII, notat cu . Considerandu-se ca la temperatura 1, rezistivitatea materialului este 1, care creste la 2 cind temperatura 1, coeficientul de temperatura al rezistivitatii este dat de relatia:= 2 1 1 ( 2 1 )

93

2 1 = cresterea rezistivitatii pentru intervalul 2 1 2 1 = cresterea unitatii de rezistivitate pentru intervalul 1

de

temperature 2 1 = cresterea unitatii de rezistivitate pentru o crestere a temperaturii cu o unitate. Valoarea acestui coeficient este intotdeauna mai mare decat zero pentru materialele conductoare. Dupa modul in care se comporta cand sunt strabatute de curentul electric, materialele conductoare se clasifica in: - conductoare de ordinul I: metalele si aliajele lor - conductoare de ordinal II: electrolitii. Metalele cu insusiri specifice care le deosebesc de celelalte 23 elemente nemetale. Cu exceptia catorva metale pretioase care se gasesc in scoarta pamantului in stare native, restul metalelor se gasesc sub forma de combinatii chimice (oxizi, sulfuri, sulfati, carbonate, silicate, etc.) numite minerale. Mineralele care se gasesc in roci impreuna cu care formeaza minereurile.Metalele se extrag din minereuri prin diferite metode. Aliajele metalice sunt substante obisnuite din contopirea a doua sau mai multor elemente chimice dintre care cel putin unul aflat in proportia cea mai mare in aliaj si numit component de baza este un metal. Aliajele se obtin prin topirea elementelor component PROPRIETATILE METALELOR SI ALIAJELOR

1.OPTICE 1.1. Culoarea 1.2. Opacitatea 1.3. Luciu metalic 2.FIZICE II.1. Densitatea II.2. Fuzibilitatea94

II.3. Dilatarea termica II.4. Conductibilitate termica II.5. Conductibilitate electrica II.6. Supraconductibilitate II.7. Volume si raze atomice II.8. Raze ionice II.9. Emisie fotoelectrica 3.MECANICA 3.1. Elasticitate 3.2. Plasticitate 3.3. Duritate 3.4. Rezilienta 3.5. Rezistent