Композит — это искусственно созданный материал, состоящий из двух или более компонентов с различными свойствами, которые в сочетании дают новый материал с качествами, превосходящими свойства каждого из компонентов в отдельности.
Базовая структура:
- Матрица (связующее): Обеспечивает форму материала, передачу нагрузок на армирующие элементы, защиту от внешней среды.
- Армирующий наполнитель: Отвечает за основные механические, электрические или тепловые характеристики.
Рисунок - Структуры композитов
Классификация композитных материалов
Классификацию можно провести по нескольким ключевым признакам: типу матрицы, типу наполнителя, форме наполнителя и, что наиболее наглядно для инженера, — по функциональному назначению.
1. Классификация по типу матрицы (связующего)
Матрица определяет основные технологические параметры (обработка, температура) и защитные свойства.
Полимерные матрицы:
- Термореактивные пластмассы: Эпоксидные смолы, Полиимиды,
Бисмалеимиды (BMI), Фенолформальдегидные смолы.
Применение: Основания печатных плат (FR-4), корпуса, радиопрозрачные обтекатели.
- Термопласты: Политетрафторэтилен (PTFE, тефлон),
Полиэфирэфиркетон (PEEK), Жидкокристаллические полимеры (LCP).
Применение: Высокочастотные подложки (PTFE), гибкие печатные платы.
Керамические матрицы:
- Оксидная керамика: Оксид алюминия (Al₂O₃), Диоксид циркония (ZrO₂).
- Бескислородная керамика: Нитрид алюминия (AlN), Карбид кремния
(SiC).
Применение: Подложки для мощных микросхем и светодиодов, корпуса компонентов, требующие высокой теплопроводности и электрической изоляции.
Металлические матрицы:
- Алюминий, Медь.
Применение: Силовые модули, теплоотводы (например, платы с металлическим основанием - IMS). Наполнитель (часто керамический) обеспечивает диэлектрические свойства, а металл — отвод тепла.
2. Классификация по типу и форме наполнителя
Наполнитель определяет ключевые эксплуатационные характеристики: механические, электрические, тепловые.
По типу наполнителя:
- Неорганические диэлектрики:
- Стекловолокно (в FR-4) — для прочности и стабильности.
- Керамические порошки (Al₂O₃, SiO₂, TiO₂) — для регулирования ε и теплопроводности.
- Нитрид бора (BN), Нитрид алюминия (AlN) — для высокой теплопроводности.
- Проводящие наполнители:
- Металлы: Серебро, Медь, Никель — для электропроводящих клеев, паст, ЭМ-экранирования.
- Углеродные материалы: Углеродные волокна, Сажа, Графен, Углеродные нанотрубки (УНТ) — для антистатических покрытий, экранирования, датчиков.
- Магнитные наполнители:
- Ферриты, Карбонильное железо — для сердечников дросселей и трансформаторов.
По форме наполнителя:
- Волокна (непрерывные и короткие): Стекловолокно, Углеродное волокно, Арамидное волокно. Обеспечивают высокую прочность и жесткость.
- Частицы (порошки): Керамические, металлические. Регулируют ε, λ, создают электропроводность.
- Ткани и нетканые полотна: Стеклоткань, углеткань. Используются как армирующая основа для печатных плат.
- Дисперсные наночастицы: Нано-Al₂O₃, нано-алмаз, УНТ. Для модификации свойств матрицы на наноуровне (упрочнение, увеличение теплопроводности).
3. Классификация по функциональному назначению
Эта классификация напрямую связывает материал с его применением в электронике.
| Функциональная группа | Примеры материалов | Ключевые свойства | Основные применения |
|---|---|---|---|
| 1. Материалы для печатных плат (подложки) | |||
| • Для низких частот и общего назначения | FR-4 (эпоксидная смола + стеклоткань) | Низкая стоимость, хорошая механика, умеренные электрические свойства | Подавляющее большинство электронных плат |
| • Для высоких частот (СВЧ) | PTFE-композиты (тефлон + стекловолокно/керамика), Полиимид | Низкий tan δ, стабильная и низкая ε, низкая влагопроницаемость | Антенны, фильтры, усилители СВЧ, спутниковая связь |
| • Теплоотводящие подложки | Керамика (Al₂O₃, AlN), IMS (алюминий + диэлектрик) | Высокая теплопроводность (λ), электрическая изоляция | Мощные светодиоды, силовые модули, процессоры |
| 2. Материалы для корпусов и теплоотвода | |||
| • Легкие и прочные корпуса | Углепластик, стеклопластик | Высокая удельная прочность, жесткость | Аэрокосмическая, военная, портативная аппаратура |
| • Теплоотводы (радиаторы) | Композиты Al/SiC, Cu/графит | Высокая λ, низкий коэффициент теплового расширения (КТР) | Охлаждение микросхем, силовых приборов |
| 3. Материалы для пассивных компонентов | |||
| • Диэлектрики для конденсаторов | Многослойные керамические композиты (BaTiO₃ + электроды) | Высокая диэлектрическая проницаемость (ε) | Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) |
| • Магнитные материалы | Магнитопласты (феррит/железо в полимере) | Высокая магнитная проницаемость, низкие вихревые токи | Сердечники дросселей, трансформаторов, ВЧ-дроссели |
| 4. Материалы для ЭМС и экранирования | |||
| • Экранирующие | Композиты с углеродным волокном, с металлическими частицами | Высокая электропроводность | Корпуса, защитные покрытия от электромагнитных помех |
| • Поглощающие | Композиты с углеродной сажей, УНТ, ферритами | Высокие магнитные/диэлектрические потери | Поглотители СВЧ-излучения, стелс-технологии |
| 5. Функциональные и специальные материалы | |||
| • Проводящие адгезивы и пасты | Эпоксидка + частицы Ag, Cu | Электропроводность, адгезия | Крепление кристаллов, монтаж компонентов, шариковые выводы (BGA) |
| • Пьезокомпозиты | Керамика PZT в полимерной матрице | Пьезоэлектрический эффект | Датчики, преобразователи, актуаторы |
| • Радиопрозрачные | Стекло/кварцеволокно + эпоксидная/полиимидная смола | Низкий tan δ, стабильность в широком диапазоне частот и температур | Обтекатели антенн, защитные купола РЛС |
Данная классификация показывает, что не существует "идеального универсального" композита. Инженерный выбор всегда представляет собой компромисс между:
- Электрическими параметрами (ε, tan δ)
- Тепловыми характеристиками (λ, КТР)
- Механическими свойствами (прочность, жесткость)
- Технологичностью и стоимостью
Понимание этой классификации позволяет осознанно подбирать материал для конкретной задачи, будь то проектирование антенны 5G, системы охлаждения для процессора или корпуса для спутникового ретранслятора.
Основные свойства композитов
Свойства композитов определяются выбором матрицы и наполнителя, их соотношением и геометрией наполнителя.
1. Электрические свойства
- Диэлектрическая проницаемость (ε): Определяет способность
материала поляризоваться в электрическом поле. Ключевой параметр для
подложек печатных плат и антенн.
- Низкая ε (~2-4): Используется в высокочастотных схемах для уменьшения паразитной емкости и увеличения скорости сигнала (например, PTFE с наполнителем из стекловолокна или керамики).
- Высокая ε (>10): Используется для миниатюризации компонентов (конденсаторы, резонаторы), так как позволяет уменьшить их геометрические размеры.
- Тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ): Показывает, какая часть электромагнитной энергии преобразуется в тепло. Чем ниже tan δ, тем меньше потери на высоких частотах. Критически важен для СВЧ-устройств.
- Объемное и поверхностное электрическое сопротивление: Определяет токи утечки. Высокое сопротивление необходимо для изоляции проводников.
- Электрическая прочность: Напряженность электрического поля, при которой происходит пробой материала. Важно для высоковольтных применений.
2. Тепловые свойства
- Теплопроводность (λ):
- Низкая теплопроводность: Используется в качестве теплоизоляторов.
- Высокая теплопроводность: Крайне востребована для отвода тепла от мощных компонентов (процессоры, силовые транзисторы). Достигается использованием наполнителей с высокой λ (нитрид алюминия, нитрид бора, алмаз).
- Коэффициент теплового расширения (КТР): Способность материала расширяться при нагреве. В электронике критически важно согласование КТР кремниевой подложки (~2.6 ppm/°C) и подложки печатной платы для избежания механических напряжений и разрушения паяных соединений.
3. Механические свойства
- Модуль упругости (жесткость): Важен для обеспечения механической стабильности плат и корпусов.
- Прочность на изгиб и растяжение: Определяет стойкость к механическим нагрузкам.
- Стабильность размеров: Способность сохранять геометрию при изменениях температуры и влажности.
4. Физико-химические свойства
- Влагопоглощение: Влияет на диэлектрические свойства и может вызывать коррозию и вспучивание при пайке.
- Химическая стойкость: Устойчивость к флюсам, растворителям, агрессивным средам.
Проектирование с использованием композитов
Проектирование электронных устройств на композитных материалах — это поиск оптимального баланса параметров.
- Анализ требований:
- Рабочая частота: Определяет требования к tan δ и ε.
- Мощность: Определяет требования к теплопроводности и температурной стабильности.
- Условия эксплуатации: Температура, влажность, вибрации.
- Стоимость: Ограничивает выбор материалов.
- Выбор материала подложки для печатной платы (ПП):
- FR-4 (стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы): Самый распространенный материал для низко- и среднечастотных применений. Низкая стоимость, хорошие механические свойства, но высокие диэлектрические потери на частотах > 1-2 ГГц.
- Полиимид: Гибкие ПП, высокая термостойкость.
- PTFE (тефлон) с керамическим наполнителем: "Золотой стандарт" для СВЧ-устройств. Очень низкий tan δ, низкая ε, но высокая стоимость и сложность обработки.
- Керамико-полимерные композиты (например, Rogers RO4000): Компромисс между FR-4 и PTFE. Хорошие СВЧ-характеристики и более простая обработка, чем у тефлона.
- Металлические основания с диэлектрическим покрытием (Aluminum, IMS): Для мощных светодиодов и силовой электроники. Основа - алюминий (отличный теплоотвод), диэлектрик - композит с высокой теплопроводностью и электрической прочностью.
- Моделирование и расчет:
- Использование САПР (HFSS, CST, ADS) для моделирования электромагнитных полей с учетом реальных параметров материала (ε, tan δ).
- Тепловое моделирование для расчета температурных полей и проектирования систем охлаждения.
Применение композитных материалов
1. Печатные платы (ПП)
Это самое массовое применение. Подложка ПП — это классический композит (например, FR-4: эпоксидная матрица + стеклоткань в качестве наполнителя).
2. Корпуса и радиаторы
- Легкие и прочные корпуса: Углепластики для аэрокосмической и военной аппаратуры.
- Теплоотводящие подложки: Композиты на основе алюминия или меди с наполнителем из нитрида алюминия (AlN) или карбида кремния (SiC) для мощных модулей.
3. Антенны и СВЧ-устройства
- Патч-антенны: Изготавливаются на специализированных СВЧ-подложках (Rogers, Taconic) с точно контролируемой ε.
- Радиопрозрачные обтекатели: Обтекатели антенн РЛС в авиации и ракетостроении. Изготавливаются из композитов на основе кварцевого или стеклянного волокна и полимерных матриц (эпоксидной, бисмалеимидной), которые прозрачны для радиоволн.
4. Пассивные компоненты
- Конденсаторы: Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) — это композит, где керамическая матрица (с высокой ε) перемежается металлическими электродами.
- Магнитные материалы: Композиты "магнетик в полимере" для высокочастотных дросселей и трансформаторов (магнитная порошковая крошка, изолированная полимерным связующим).
5. Электромагнитная совместимость (ЭМС)
- Экранирование: Композитные покрытия и корпуса, наполненные проводящими частицами (угольные волокна, частицы серебра, никеля), для поглощения или отражения электромагнитных помех.
- Поглотители электромагнитных волн: Материалы на основе углеродных нанотрубок или магнитных наполнителей в полимерной матрице, преобразующие энергию СВЧ-поля в тепло.
6. Гибкая и носимые электроника
- Гибкие схемы: Использование полимерных композитов (например, полиимид с медной фольгой).
- Проводящие чернила и пасты: Композиты из проводящих частиц (серебро, графит) в полимерном связующем, используемые для печати схем и датчиков.
Перспективные направления
- Композиты с углеродными нанотрубками (УНТ) и графеном: Для создания сверхлегких, прочных и высокопроводящих материалов для антенн, датчиков и межсоединений.
- Функционально-градиентные материалы: Композиты, свойства которых плавно изменяются в объеме, что позволяет оптимально распределять механические и термические нагрузки.
- Самовосстанавливающиеся композиты: Материалы, способные "залечивать" микротрещины, увеличивая срок службы электронных устройств.
Композитные материалы являются фундаментом современной электроники и радиотехники. Их ключевое преимущество — возможность целенаправленного проектирования свойств под конкретную задачу, будь то создание миниатюрной высокочастотной антенны, мощного процессорного кулера или легкого корпуса спутникового оборудования. Понимание их параметров и характеристик является необходимым для инженера, проектирующего электронные устройства.
Сравнение с классическими радиоматериалами
Где композиты уже выигрывают и продолжат вытеснять классические материалы?
Это области, где требуется комбинация свойств, недостижимая для однородных материалов.
1. Высокочастотная техника (СВЧ/КВЧ):
- Классика: Однородные диэлектрики (фторопласт, полистирол).
- Будущее за композитами: Уже сегодня без материалов типа Rogers RO4000 (керамика в PTFE) или Taconic невозможно представить антенны 5G, спутниковую связь и радары. Только композиты позволяют точно "настроить" диэлектрическую проницаемость (ε) и тангенс потерь (tan δ) под конкретную частоту и конструкцию, сохранив механическую прочность.
2. Тепловой менеджмент (охлаждение):
- Классика: Алюминий, медь.
- Будущее за композитами: Чистый алюминий имеет КТР,
несовместимый с кремнием, а его теплопроводность — предел.
Композиты AlSiC (алюминий + карбид кремния) или Cu-Mo-Cu
(медь-молибден-медь) и подложки на основе нитрида алюминия
(AlN) обеспечивают:
- Высокую теплопроводность (как у алюминия или лучше).
- Низкий КТР (согласованный с чипом).
- Малый вес.
3. Миниатюризация пассивных компонентов:
- Классика: Раздельные конденсаторы, катушки индуктивности.
- Будущее за композитами: Технология встроенных компонентов (EDC - Embedded Discrete Components). Резисторы, конденсаторы и индуктивности прямо в структуре многослойной печатной платы — это по сути композиты. Это сокращает размеры, улучшает высокочастотные характеристики и надежность.
4. Электромагнитная совместимость (ЭМС):
- Классика: Металлические экраны (жесть).
- Будущее за композитами: Проводящие пластмассы и покрытия (полимер + углеродные волокна/нанотрубки) позволяют создавать легкие, сложные по форме корпуса, которые сами по себе являются экранами, без дополнительной механической обработки.
5. Гибкая и носимая электроника:
- Классика: Жесткие платы FR-4.
- Будущее за композитами: Здесь композиты уже являются классикой. Полиимидные пленки с медью, проводящие чернила (полимер + наночастицы серебра) — это основа для гибких схем и датчиков, вшиваемых в одежду.
Где классические материалы останутся незаменимыми?
1. Проводники (металлы):
- Медь, золото, серебро. Не существует композитного материала, который мог бы превзойти чистую медь по удельной электропроводности в сочетании с пластичностью. Углеродные нанотрубки и графен показывают выдающуюся проводимость на наноуровне, но создание макроскопических проводников с сопоставимыми параметрами — задача далекого будущего. Медь останется "кровеносной системой" электроники.
2. Полупроводники (кремний, арсенид галлия и др.):
- Активные компоненты (транзисторы, диоды, микросхемы) — это сердце электроники. Композиты не могут заменить их полупроводниковые свойства. Однако, композиты критически важны для их корпусировки и теплоотвода.
3. Простые диэлектрики для низкочастотных применений:
- Для изоляции проводов, разъемов, корпусов в устройствах, работающих на низких частотах (до сотен кГц), простые и дешевые пластики (ПВХ, полиэтилен) или керамика будут по-прежнему широко использоваться из-за своей низкой стоимости и технологичности.
Композитные материалы не столько "вытесняют" классические, сколько расширяют палитру возможностей для инженера. Они заняли и продолжают занимать ниши, где требуется уникальное сочетание свойств: "легкий + прочный", "прозрачный для радиоволн + прочный", "теплопроводный + диэлектрик", "гибкий + проводящий".
Будущее — за симбиозом: кремниевый чип (классический материал) устанавливается на композитную подложку для отвода тепла, которая, в свою очередь, монтируется на композитную плату с встроенными пассивными компонентами и помещается в композитный корпус с функцией ЭМ-экрана.
Посмотрите учебный видеоролик
