Skripta Elektotechnické materiály a výrobní procesy

............................ 70
OBRÁZEK 5.1 NABÍJENÍ VAKUOVÉHO A TECHNICKÉHO KONDENZÁTORU ............................ 73
OBRÁZEK 5.2 MODEL LORENTZOVY KOULE ....................................................................... 74
OBRÁZEK 5.3 MODEL DVOJITÉ POTENCIÁLOVÉ JÁMY ......................................................... 76
OBRÁZEK 5.4 ZÁVISLOST ε ´´ = F(ε´) PODLE HAVRILIAKA A NEGAMIHO ........................... 78
OBRÁZEK 5.5 OSTRŮVKOVÉ A SKUPINOVÉ STRUKTURY KŘEMIČITANŮ............................... 89
OBRÁZEK 5.6 ZMĚNA OBJEMU PŘI TUHNUTÍ KAPALINY S KRYSTALIZACÍ (F) A PŘI TVORBĚ
SKLA (B) .................................................................................................... 105
OBRÁZEK 5.7 NUKLEAČNÍ A KRYSTALIZAČNÍ PROCES SKLOTVORNÉ LÁTKY ..................... 106
OBRÁZEK 5.8 STRUKTURA KŘEMENNÉHO A KŘEMIČITÉHO SKLA (ROVINNÝ ŘEZ).............. 108
OBRÁZEK 5.9 KMITOČTOVÁ ZÁVISLOST TG δ.................................................................... 113
OBRÁZEK 5.10 MATRIČNÍ (A) A STATISTICKÁ (B) SLOŽENÁ SOUSTAVA (V ŘEZU) ............... 179
OBRÁZEK 5.11 KOMPOZITY S ANIZOTROPNÍMI VLASTNOSTMI ............................................ 179
OBRÁZEK 6.1 JEVY V OBLASTI DOPADU ELEKTRONOVÉHO SVAZKU NA OBJEKT ................ 193
OBRÁZEK 6.2 ZÁVISLOST POMĚRU VÝKONU ODRAŽENÝCH ELEKTRONŮ K VÝKONU
DOPADAJÍCÍHO SVAZKU ELEKTRONŮ NA ATOMOVÉM ČÍSLE PŘI KOLMÉM
DOPADU SVAZKU NA POVRCH OBJEKTU....................................................... 195
OBRÁZEK 6.3 NEJDŮLEŽITĚJŠÍ PROCESY ELEKTRONOVÉ TECHNOLOGIE A JEJICH ZÁKLADNÍ
PARAMETRY ................................................................................................ 196
OBRÁZEK 6.4 ZÁKLADNÍ KONSTRUKCE KATOD ................................................................ 198
OBRÁZEK 6.5 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA ZDROJE ELEKTRONOVÉHO SVAZKU SE STUDENOU
KATODOU.................................................................................................... 198
OBRÁZEK 6.6 USPOŘÁDÁNÍ ELEKTRONOVÉ TRYSKY S TERMICKOU KATODOU. ................. 199
OBRÁZEK 6.7 PRINCIP ODPAŘOVACÍHO ZAŘÍZENÍ ELEKTRONOVÝM SVAZKEM .................. 201
OBRÁZEK 6.8 ODPAŘOVACÍ SYSTÉMY............................................................................... 201
OBRÁZEK 6.9 USPOŘÁDÁNÍ PRO NAPAŘOVÁNÍ.................................................................. 202
OBRÁZEK 6.10 PRINCIP ZAŘÍZENÍ PRO TAVENÍ POMOCÍ ELEKTRONOVÉHO SVAZKU............ 203
OBRÁZEK 6.11 PROTAVOVÁNÍ ELEKTRONOVÉHO SVAZKU DO MATERIÁLU PŘI RŮZNÝCH
HODNOTÁCH PLOŠNÉ HUSTOTY VÝKONU..................................................... 203
OBRÁZEK 6.12 SIDENIŮV ZDROJ IONTŮ............................................................................... 207
OBRÁZEK 6.13 FREEMANŮV ZDROJ IONTŮ .......................................................................... 207
OBRÁZEK 6.14 KAUFMANŮV ZDROJ IONTŮ. ........................................................................ 208
OBRÁZEK 6.15 ZÁKLADNÍ TYPY SUCHÉHO LEPTÁNÍ............................................................ 210
OBRÁZEK 6.16 TYPICKÁ ZÁVISLOST INTENZITY RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ NA VLNOVÉ DÉLCE
.................................................................................................................... 212
OBRÁZEK 6.17 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA RENTGENOVÉHO LITOGRAFU................................... 215
OBRÁZEK 6.18 TYPICKÁ KONSTRUKCE MASKY PRO RENTGENOVOU LITOGRAFII................. 215
OBRÁZEK 6.19 REZISTY PRO RENTGENOVOU A ELEKTRONOVOU LITOGRAFII...................... 217
OBRÁZEK 6.20 TŘÍHLADINOVÝ LASEROVÝ SYSTÉM............................................................ 221
OBRÁZEK 6.21 ČERPÁNÍ LASERU S AKTIVNÍM PROSTŘEDÍM V TUHÉ FÁZI ............................ 222
OBRÁZEK 6.22 ČERPÁNÍ LASERU S AKTIVNÍM PROSTŘEDÍM V PLYNNÉ FÁZI........................ 222
OBRÁZEK 6.23 REZONANČNÍ SYSTÉM LASERU .................................................................... 223
Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 7
OBRÁZEK 6.24 SYSTÉM GTL LASERU S PŘEDIONIZACÍ - METODA SAGE ........................... 226
OBRÁZEK 6.25 METODA SKLÁDÁNÍ SVAZKŮ TŘÍ LASERŮ K DOSAŽENÍ VELKÉHO VÝKONU.. 227
OBRÁZEK 6.26 POUŽÍVANÉ SYSTÉMY ZRCADEL V REZONÁTORU VÝKONOVÝCH LASERŮ.... 227
OBRÁZEK 6.27 LASEROVÁ HLAVICE ................................................................................... 228
OBRÁZEK 6.28 ODRAZ A LOM AKUSTICKÉ VLNY NA ROZHRANÍ RŮZNÝCH LÁTEK ............... 233
OBRÁZEK 6.29 KOLMÝ DOPAD ULTRAZVUKOVÉ VLNY NA ROZHRANÍ DVOU PROSTŘEDÍ..... 234
OBRÁZEK 6.30 OKÉNKOVÝ MAGNETOSTRIKČNÍ MĚNIČ....................................................... 238
OBRÁZEK 6.31 PRŮBĚH DEFORMACE V MAGNETOSTRIKČNÍM MĚNIČI ................................. 239
OBRÁZEK 6.32 ZÁVISLOST DEFORMACE LÁTKY NA INTENZITĚ ELEKTRICKÉHO POLE.......... 239
OBRÁZEK 6.33 PIEZOELEKTRICKÉ ULTRAZVUKOVÉ MĚNIČE ............................................... 240
OBRÁZEK 6.34 OBOUSTRANNĚ VYZAŘUJÍCÍ MĚNIČ............................................................. 240
OBRÁZEK 6.35 JEDNOSTRANNĚ VYZAŘUJÍCÍ MĚNIČ ............................................................ 241
OBRÁZEK 6.36 MĚNIČ TYPU "SANDWICHE" ........................................................................ 241
OBRÁZEK 6.37 PRŮBĚH DEFORMACE V KERAMICE NAMÁHANÉ STŘÍDAVÝM ELASTICKÝM
NAPĚTÍM A) BEZ PŘEDPĚTÍ B) S TLAKOVÝM PŘEDPĚTÍM ........................... 242
OBRÁZEK 6.38 NEJJEDNODUŠŠÍ PROVEDENÍ AKUSTICKÉHO TRANSFORMÁTORU ................. 243
OBRÁZEK 6.39 PRINCIP ULTRAZVUKOVÉHO VRTÁNÍ ........................................................... 244
OBRÁZEK 6.40 PRINCIP SVAŘOVÁNÍ PLASTŮ....................................................................... 245
OBRÁZEK 6.42 ULTRAZVUKOVÉ KONTAKTOVÁNÍ ............................................................. 246
OBRÁZEK 6.43 CHARAKTERISTIKA ELEKTRICKÝCH IMPULSŮ............................................ 248
OBRÁZEK 6.44 TVARY ELEKTRICKÝCH IMPULSŮ ................................................................ 249
OBRÁZEK 6.45 BLOKOVÉ SCHÉMA NEZÁVISLÉHO GENERÁTORU IMPULSŮ .......................... 251
OBRÁZEK 6.46 NĚKTERÉ TYPY IMPULSNÍCH GENERÁTORŮ................................................. 252
OBRÁZEK 6.47 PRINCIP METODY ELEKTROJISKROVÉHO ŘEZÁNI MATERIÁLU POMOCÍ DRÁTOVÉ
ELEKTRODY................................................................................................. 253
OBRÁZEK 6.48 PŘÍKLADY ELEKTROEROZÍVNÍHO OPRACOVÁNÍ MATERIÁLŮ ....................... 254


8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Seznam tabulek
TABULKA 2.1 POROVNÁNÍ VYBRANÝCH APROTICKÝCH ROZPOUŠTĚDEL A VODY .................... 30
TABULKA 4.1 PARAMETRY TYPICKÉ POLOVODIČOVÉ DESKY .................................................... 61
TABULKA 5.1 KOMBINACE VLASTNOSTÍ SKELNĚ KRYSTALICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH
APLIKACE ...................................................................................................... 121
TABULKA 5.2 VYBRANÉ VLASTNOSTI JEDNOKOMPONENTNÍCH KERAMIK............................... 131
TABULKA 5.3 VELIČINY V ELEKTRICKÝCH, MAGNETICKÝCH, TEPELNÝCH A DIFÚZNÍCH POLÍCH
........................................................................................................................................ 183
TABULKA 6.1 PŘÍKLADY VYUŽITÍ TERMIC KÉHO OBRÁBĚNÍ .................................................. 204
TABULKA 6.2 LASEROVÉ LEPTACÍ TECHNOLOGIE.................................................................. 225
TABULKA 6.3 PŘEHLED ULTRAZVUKOVÝCH MĚNIČŮ............................................................. 238
TABULKA 6.4 POMĚRNÁ OBROBITELNOST KOVŮ ................................................................... 250



Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 9
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Studijní program: Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika
Studium: Bakalářské
Studijní obor: Mikroelektronika a technologie
Název předmětu: Elektrotechnické materiály a výrobní procesy (BEMV)
Garantující ústav: Elektrotechnologie
Garant: Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc.

Rozsah předmětu: 4/3 (91 hod), z toho: přednášky 52 hod
Kredity: 8 cvičení 39 hod
P N L C O hod kredit garant
52 15 15 0 9 7 8 UETE

Anotace:
Elektrotechnické materiály a výrobní procesy (BEMV)
2B1 – P – 7/8 – zk - UETE
Materiály v elektrotechnice; složení, struktura, výroba a použití. Plasty, sklo, keramika a sklokeramika; druhy,
vlastnosti, zpracovatelské technologie. Kompozity. Kovy; klasifikace a vlastnosti. Zpracování kovů, výroba
vodičů a fólií. Polovodičové materiály; klasifikace, vlastnosti, aplikační oblasti. Příprava polovodičových
materiálů a základních polovodičových struktur. Povrchové úpravy, laky a spojování materiálů. Svazkové,
radiační, elektroerozivní, ultraakustické a další významné výrobní procesy.
Osnova přednášek:
1. Materiály v elektrotechnice - složení, struktura, klasifikace, použití. Řízení vlastností materiálů.
Kompozity.
2. Organické a anorganické izolanty, dielektrika. Plasty, elastomery, slídové výrobky, sklo,
keramika
(silikátová, oxidová, bezkyslíkatá), sklokeramika, tvrdé materiály.
3. Plastikářské technologie. Výroba a opracování anorganických nekovových materiálů.
4. Kovové materiály. Klasifikace, vlastnosti, použití. Materiály s fero- a ferimagnetickými
vlastnostmi. Slinuté materiály.
5. Zpracování kovů. Výroba drátů a fólií. Výroba kabelů a vodičů. Výroba materiálů pro plošné
spoje.
6. Polovodičové materiály - klasifikace, struktura, složení, vlastnosti.
7. Polovodičové materiály - vlastnosti a aplikační možnosti. Příprava polovodičových materiálů.
8. Výroba základních polovodičových struktur.
9. Povrchové úpravy, laky, spojování materiálů.
10. Elektronové procesy, účinky elektronového svazku a jeho využití. Iontové procesy.
11. Rentgenové procesy. Radiační technologie. Jaderné procesy.
12. Laserové procesy, rozdělení laserů, vlastnosti a některé aplikace laserů.
13. Ultraakustické procesy, zdroje ultrazvuku, využití účinků ultrazvuku. Elektroerozivní procesy
a jejich použití.

10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
1 Úvod
Skripta „Elektrotechnické materiály a výrobní procesy“ jsou určena především studentům
2. ročníku oboru „Mikroelektronika a technologie“ bakalářského studijního programu
„Elektrotechnika, elektronika a komunikační technika“ Fakulty elektrotechniky
a komunikačních technologií VUT v Brně, ale i všem, kdo chtějí získat základní
poznatkynejen o materiálech, jejich složení, vlastnostech, aplikacích, ale také o technologích
jejich přípravy a zpracování. Jsou zpracována jako učební text podporující a doplňující výuku
přednášené látky povinného předmětu „Elektrotechnické materiály a výrobní procesy“.
V částech popisujících „Elektrotechnické materiály“ navazuje učební text na poznatky
získané v části „Materiály v elektrotechnice“ povinného předmětu „Materiály a technická
dokumentace“, zařazeného v 1. ročníku bakalářského studijního programu. Jednotlivé skupiny
materiálů jsou studentům přiblíženy, jak co se týče složení, struktury a vlastností, tak
i přehledem a rozdělením materiálů v jednotlivých skupinách a jejich praktickými aplikacemi.
V částech týkajících se oblasti „Výrobní procesy“, se kterou se studenti setkávajíve výuce
poprvé, je učební text, zaměřen na nezytný teoretický rozbor, zejména však na praktické
aplikace důležitých fyzikálních a fyzikálně-chemických procesů.
Každá kapitola je doplněna souborem kontrolních otázek, řešených a neřešených příkladů
ověřujících získané znalosti studentů.
Učební text je doplněn seznamem literatury, z níž bylo čerpáno při psaní tohoto studijního
textu, případně pomocí níž může čtenář dále prohlubovat a rozšiřovat znalosti v té části, která
jej zajímá nebo kde informace uvedené ve skriptu jsou pouze přehledové.







Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 11
2 Vodivé a odporové materiály
2.1 Struktura a vlastnosti kovů
Odkaz
Elektronické texty „Materiály a technická dokumentace“, část „Materiály v elektrotechnice“
1.1 Základní údaje o stavbě látky
1.3 Stavba molekul
1.4 Krystalické a amorfní tuhé látky
2.1 Kovy v elektrickém a magnetickém poli
2.2 Kovové materiály pro elektrotechniku
Odkaz
Elektronické texty „Materiály a technická dokumentace“, část „Materiály v elektrotechnice“
2.2 Kovy a jejich slitiny
2.3 Odporové kovové materiály
2.4 Kovy v elektrických obvodech
2.5 Elektrotechnický uhlík
2.3 Amorfní kovové materiály
• Amorfní kovy (kovová skla) - skupina slitin kovového charakteru s vnitřní reálně
nekrystalickou (reálně amorfní, skelnou) strukturou. Rentgenograficky lze prokázat
pravidelné uspořádání atomů kovů na krátké vzdálenosti, pravidelnost na dlouhé
vzdálenosti však chybí.
• Zpravidla se považují za přechlazené kapaliny, obdobně jako v případě křemičitých
(silikátových) skel. Mezi oběma skupinami látek však existují podstatné rozdíly:
null v druhu chemické vazby (u amorfních kovů - vazba kovová, u křemičitých skel -
přechodná vazba mezi kovalentní a iontovou),
null v rozdílu hustoty v krystalickém a skelném stavu (hustota taveného křemene je
o 20 % menší než u krystalického křemene, amorfní kovy mají hustotu pouze
o 1 - 2 % menší než u stejné látky po rekrystalizaci).
• Důsledkem kovové vazby je dobrá elektrická vodivost a tvárnost. Rezistivita je na úrovni
známých odporových slitin, např. chromniklu. Řada amorfních kovů vykazuje
feromagnetické vlastnosti (malá koercitivní síla, pravoúhlá hysterezní smyčka, nízké
ztráty, velká permeabilita, značná magnetostrikce). Významnou je také odolnost vůči
korozi.
• Připravují se většinou ochlazováním taveniny velmi vysokými rychlostmi (řádově
10
6
K s
-1
) ve tvaru tenkého pásku, lze je však získat i napařováním, naprašováním, resp.
elektrolytickým nanášením.

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
• Slitiny určené pro technologii ochlazování kapaliny jsou tvořeny nejméně jedním druhem
přechodového, resp. vzácného kovu (Fe, Ni, Co, Mn, Zr, La, Pt, Pd) a jednoho polokovu
(C, N, B, Si, P). Častěji se připravují tří-, čtyř- či pětisložkové slitiny, přičemž obsah
kovových prvků představuje 70 - 80 % hm.
• Použití v elektrotechnice:
null distribuční transformátory, točivé stroje,
null pulzní transformátory, magnetické zesilovače,
null záznamové a čtecí hlavy pro magnetický záznam, laditelné zpožďovací linky,
null ohebné stínicí tkaniny a rohože, stínění kabelů,
null čidla teploty, tlaku, deformace, polohy, zrychlení.
2.4 Zpracování kovů
2.4.1 Tváření kovů
Neustálý pokrok ve strojírenství přináší stále nové, přesnější, výkonnější a
hospodárnější způsoby výroby polotovarů. Objem obráběných polotovarů se stále zmenšuje a
obrábění není někdy ani nutné. Mezi tyto způsoby patří především tváření, kterého se dnes
používá stále častěji, neboť patří k nejproduktivnějším oborům technologie zpracování kovů a
nekovů. Dnes si již neumíme představit sériovou a hromadnou výrobu automobilů, letadel,
elektrických strojů a přístrojů apod. bez použití součástí vyrobených tvářením.
Je to metoda s vysokou produktivitou a hospodárností, a tedy s velkou perspektivou.
Výrobky jsou přesné, pevné a lehké. Využití materiálu je velmi hospodárné, s nejmenším
odpadem. Při obrábění odpadá průměrně 50 %, při tváření jen asi 5 až 10 % materiálu.
Výkonnost strojního zařízení je velká. Výrobní pochody se mohou velmi dobře mechanizovat,
takže se podstatně snižují výrobní náklady.
2.4.1.1 Základní pojmy
Při tváření se působením vnějších sil mění tvar, aniž by se porušila celistvost
materiálu, tzn., že částice materiálu se pouze trvale přemísťují. Toto přemístění je umožněno
kovovou vazbou atomů, která zůstává zachována, probíhá-li tváření za optimálních podmínek
(teplota a deformace materiálu). K tváření se proto hodí materiál s nízkou mezí pružnosti (aby
nebylo zapotřebí velké síly) a vysokou pevností, tj. materiál tvárný (plastický). Kromě ocelí
se tváří i neželezné kovy, popř. některé nekovové materiály.
Tváření se děje buď působením klidných sil (válcováním, lisováním apod.), nebo rázy
(kováním, nýtováním apod.), a to za studena nebo za tepla.
Tvářením za studena se kovy zpevňují. Čím větší je stupeň přetváření, tím větší je
zpevnění. Tvářením za studena se zvyšuje mez průtažnosti, pevnost v tahu a tvrdost, ale
zmenšuje se houževnatost. Zpracování není v celém průřezu zcela rovnoměrné, vznikají
nebezpečná vnitřní napětí, která mohou porušit materiál.
Při tváření za tepla se ohřevem zmenšuje pevnost a houževnatost materiálu, a tím se
zlepšuje jeho tvárnost. Struktura je jemnější a rovnoměrnější. Ocel se ohřívá na teplotu 250 až
300°C pod solidem. Této teplotě se říká teplota tváření. Nejnižší teplota, při níž je ještě
možno tvářet, je u podeutektoidních ocelí teplota Ac
3
, u nadeutektoidních teplota Ac
1
.
Rozhodující pro vlastnosti tvářené oceli je hlavně teplota konečná, čili teplota, při níž
se tváření ukončilo. Tváření má být dokončováno při teplotě asi 50 °C nad Ac
3
nebo Ac
1
, kdy
Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 13
má ocel nejjemnější strukturu a největší pevnost při velké houževnatosti. Tváření pod teplotou
Ac
3
nebo Ac
1
je vlastně tváření oceli za studena, to znamená, že se ocel zpevňuje. Není-li
tváření při této teplotě ještě skončeno, je nutno předmět znovu přiměřeně ohřát, tzv. tváření na
jedno, dvě i více ohřátí.
Tvářet se má pokud možno s nejmenším počtem ohřátí, protože se každým ohřevem
část ohřívaného materiálu přemění v oxid železa. Zoxidovaný povrch materiálu se při tváření
odlupuje v šupinách, kterým se říká okuje. Tím vznikají ztráty opalem, které činí při jednom
ohřevu asi 3 až 5 %.
Materiál určený k tváření se ohřívá v pecích různého provedení a velikosti. Nejčastěji
jsou to pece plamenné, průchozí (kontinuální), nebo elektrické indukční.

Hutní polotovary
Tyto polotovary jsou jedním z nejpoužívanějších druhů polotovarů ve strojírenství.
Vyrábějí se přímo v hutích a jsou normalizovány v různých profilech o různé rozměrové a
geometrické přesnosti.
Válcované polotovary
Válcování je tváření kovů rotujícími válci, mezi něž je materiál vtahován a zároveň je
stlačován a prodlužován. Válcuje se za studena a za tepla. Válce (hladké nebo ka1ibrované),
jsou uloženy ve stojanech a s příslušenstvím tvoří válcovací stolici. Práce se zpravidla
nedokončí v jedné válcovací stolici, a proto jsou válcovací stolice uspořádány buď vedle
sebe, nebo za sebou a tvoří tak válcovací trať. Podle velikosti předvalků a vývalků, které se
na jednotlivých tratích vyrábějí, jsou těžké, hrubé, střední a jemné tratě.

Obrázek 2.1 Plamenná pec
Obrázek 2.2 Kontinuální pec
Obrázek 2.3 Vysokofrekvenční ohřev
Obrázek 2.4 Válce

14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
a) hladké, b) kalibrované
Podle počtu válců a způsobů práce jsou válcovací stolice dvouválcové (dua),
tříválcové (tria), univerzální aj. Žádaného průřezu vývalku se dosáhne postupně, buď
přibližováním válců, nebo změnou kalibru (tj. díry mezi tvarovými povrchy válců). Kromě
těchto základních typů se stavějí ještě další válcovací tratě k různým účelům.
Válcováním vznikne z ingotu nejdříve předvalek (polotovar) na předválcovacích
stolicích. Z těchto předvalků se pak vyrobí na doválcovacích zařízeních konečný výrobek -
vývalek, tj. tyčový a profilový materiál, plechy aj.
Tažené polotovary
Výchozí polotovar (tyč, drát apod.) se protahuje (kalibruje) průvlakem (kalibrem) z
kalené oceli, slinutého karbidu nebo diamantu.
Tažené profily jsou velmi přesné (h9, hl1), takže se nemusí dále obrábět. Použ