Современное состояние исследований в области функциональных конденсационных покрытий высокой проводи...

В работе [106] проведены исследования пленок сплавов олово - медь, получаемых методом испарения в вакууме, с целью замены серебра в слаботочных скользящих контактах. Сравнение зависимостей r = f(%Sn) пленок и контактного сопротивления Rк = f(%Sn) пленок Сu-Sn в паре с никелевыми сферическими контактами показывает, что имеет место определенная корреляция между удельными и контактным сопротивлениями. Максимум контактного сопротивления совпадает с наибольшими значениями удельного сопротивления. При этом для пленок составов 38-48 % Sn характерны повышенная хрупкость и склонность к растрескиванию при незначительных нагрузках.

Детальные исследования влияния структуры и состава конденсированных слоев на электрические свойства пленок сплавов меди выполненных В.И. Поповым [119, 120], показывают, что легирование меди марганцем, алюминием, титаном и палладием увеличивает удельное сопротивление массивного сплава, не оказывая существенного влияния на удельное сопротивление пленок. Заслуживает внимание тот факт, что размеры зерна пленки, определяющие ее электрические свойства, весьма чувствительны к физико-механическим свойствам легирующих элементов. Наиболее сильное влияние оказывают элементы, имеющие неограниченную растворимость в меди: Al, Mn, Ti. Анализ данных по удельному сопротивлению тонких пленок, полученные В.И. Поповым в работе [113], и сравнение с закономерностями формирования структуры конденсатов показывают, что введение легирующих добавок в медь сопровождается измельчением зерна и ослаблением влияния толщины пленки на удельное сопротивление и рельеф поверхности. Некоторые отличительные особенности в электрических параметрах пленок обнаружены при испарении сплавов Cu-Mn-Ni-Тi, содержащих 1,45-2,10% Mn; 3,9-5,9% Ni; 0,02-0,09% Тi [119]. Пленки имеют удельное сопротивление в 1,5-2,0 раза выше, чем удельное сопротивление чистого медного конденсата. В случае неполного испарения навески сплавов данных составов r пленки отличается от r медных конденсатов в 8-12 раз. Для пленок, полученных испарением сплавов Cu-Mn-Со и Cu-Mn-Pd-Тi, существенных отклонений электрических параметров от чистых медных конденсатов не наблюдается.

Одной из фундаментальных работ, посвященных исследованию электрофизических свойств пленок различных сплавов на основе меди, применяемых в электронной технике, является статья [18], в которой дана наиболее полная информация об электрических параметрах конденсированных систем. В качестве легирующих добавок использованы Mn, Ni, Со, Pd, Тi, Те, Al, Cr, Mg, Y. Установлено, что легирование меди марганцем увеличивает r на 50%, марганцем и палладием – на 60%, алюминием – на 20%. Наименьшее влияние оказывает теллур: введение 0,48% Те снижает электропроводность меди всего на 4%. Следует отметить, что в ряде случаев электропроводность пленок выше, чем исходных массивных сплавов.

Анализ данных работы [58] позволил определить одно из направлений настоящего исследования, а именно: изучение некоторых электрофизических характеристик пленок сплавов меди (раздел 5) и проведение сопоставительного анализа с физико-химическими характеристиками конденсатов (разделы 3 и 4 настоящей работы).

Что касается физико-химических характеристик конденсированных структур, а также их влияние на основные эксплуатационные и электрические параметры, то подобных сведений в литературе крайне мало. Можно лишь выделить работу [60], в которой обобщены результаты исследования влияния сплава контактных площадок резисторов типа СПЗ на стабильность Rmin во влажной камере (влажность 98%, температура 35°С, t=21сут.), при испытаниях на износостойкость (10000 циклов с металлическими контактами и 25000 с графитовыми щетками) и в условиях смены температур (от –70°С до +40°С). Материалы контактных площадок – сплавы меди. Статистическая обработка результатов измерений (на каждый состав покрытия и вид испытаний – 40-60 образцов) позволяет сделать следующие выводы. В условиях смены температур максимальные изменения Rmin не превышают 0,96Ом при допускаемом отклонении 35Ом; изменения характерны для всех систем и остатков. Наилучшую влагостойкость (табл. 1.2) показали пленки сплавов Cu-Sn (60-62% Sn) и Cu-Sn-Со (10-12% Sn; 0,5-1,5% Со). Сплав Cu-Sn-Ni (60-62% Sn; 1,0 % Ni) близок по характеристикам к первым двум сплавам, но имеет несколько пониженную стойкость в паре с графитовой щеткой. Сплавы Cu-Sn с содержанием олова 10-12 % по максимальному значению  близки к указанным, однако имеют более низкую воспроизводимость результатов по . Дисперсия первых трех сплавов 0,005-0,05 Ом2, последнего 25,4-30,6 Ом2.

Таблица 2

Влаго- и износостойкость переменных резисторов
с контактными площадками из сплавов Cu-Sn и их аналогов

Испытания и износостойкость показали, что все исследованные сплавы удовлетворяют типовым требованиям, за исключением сплавов Cu-Sn-Ni
(38-42 % Sn; 0,5-1,5 % Ni) и Cu-Sn-Со (40-45 % Sn; 0,5-1,0 % Со). Сводные данные типовых испытаний резисторов с контактными покрытиями из сплавов Cu-Sn и аналогов приведены в табл. 1.2 откуда видно, что наилучшие характеристики имеют сплавы 4 и 6. Сплав Cu-Sn (60-62 % Sn) более предпочтителен с точки зрения технологичности; в производственных условиях проще использовать бинарные сплавы.

6. Общие выводы по обзору и постановка задачи исследования

Обобщая ретроспективный обзор научной, технической и патентной литературы (пп.1.1-1.5, [90, 91, 190]) по опыту использования многокомпонентных конденсированных структур, а также используя результаты фундаментальных исследований в области получения различных конденсационных покрытий [27, 54, 60, 124, 125, 135, 142], можно предложить достаточно наглядную классификацию всех существующих и принципиально возможных методов получения многокомпонентных конденсационных структур (рис.1.1). Основываясь на результатах работ [54, 60, 135], объектом исследования в настоящей работе были слабо фракционирующие системы Cu-Sn, Cu-Sn-Al и Cu-Sn-Ni, получаемые прямым испарением сплавов в вакууме с последующей конденсацией как на неподвижных, так и на вращающиеся подложки. Выбор этих систем обусловлен перспективностью их применения взамен благородных металлов в некоторых изделиях электронной техники [38], простотой реализации процесса в условиях крупносерийного производства с использованием недорогого оборудования [54, 135].

Несмотря на значительные успехи в области разработки технологии получения различных покрытий и функциональных многокомпонентных структур, существует ряд задач, тормозящих широкое внедрение этих технологий в производство. Типичная схема научных исследований и технологических операций, предшествующих промышленной апробации технологий, приведена на рис.1.2.

– концентрационные зависимости электропараметров свеженапыленных пленок и (частично) после температурных воздействий и т.д.

Однако, вопросы влияния условий эксплуатации на характер измерения электропараметров функциональных конденсированных структур, закономерности физико-химического взаимодействия пленок с агрессивными компонентами окружающей среды в литературе практически не рассматриваются. В то же время, если эксплуатация изделий предусматривается без дополнительной защиты от воздействия окружающей среды, данные о физико-химических свойствах конденсатов, о влиянии внешних условий на стабильность эксплуатационных характеристик пленочных элементов устройств становятся едва ли не определяющими при выдаче окончательных рекомендаций по технологии получения функциональных конденсированных структур с учетом возможных условий их эксплуатации.

В этой связи в рамках настоящего исследования нами были поставлены следующие задачи:

– теоретически проанализировать закономерности испарения и конденсации тройных металлических систем;

– разработать методики изучения и оценки изменения электропараметров конденсатов при различных внешних воздействиях;

– изучить закономерности физико-химического поведения конденсированных структур в некоторых жидких средах, определить и табулировать основные параметры процесса электрохимической коррозии как функции состава конденсата;

– изучить изменение электропараметров пленок в модельных и реальных условиях эксплуатации;

– разработать методику оптимизации состава конденсата по различным критериям.

Решение этих задач отражено в пункте 2.5 настоящей работы.

Выводы

1. Анализ экспериментальных и теоретических исследований в области техники получения функциональных покрытий показывает, что ряд сплавов на основе меди могут быть успешно применены в некоторых изделиях электронной техники взамен аналогичных исполнительных элементов из благородных металлов.

2. Существующие методы теоретического анализа закономерностей испарения и конденсации многокомпонентных систем в вакууме (испарение конечных навесок, стационарный режим испарения, взрывное испарение и т.д.) разработаны, как правило, для двухкомпонентных систем. В этой связи, поставлена задача, разработать методику полуколичественного анализа закономерностей формирования покрытий с числом компонентов более двух.

3. Обзор научной и научно-практической литературы показал, что данные о физико-химических свойствах конденсированных структур и их взаимосвязи с основными эксплуатационными параметрами в литературе практически отсутствуют; это затрудняет выбор и оптимизацию технологических параметров нанесения конденсированных структур с заданными свойствами. Поставлена задача на основании комплексных физико-химических исследований разработать научно обоснованные подходы к выбору конкретных многокомпонентных систем с требуемыми функционально-эксплуатационными параметрами.

список использованной литературы

1.                 Адгезия и пористость медных ионных покрытий на стали / И.Л. Ройх, О.В. Лебединский, А.И. Костржицкий, С.А. Приббе // Вакуумная металлизация в нар. хоз-ве: Тез. докл. II Межресп. науч.-техн. конф. – Рига, 1977. –  С. 51-52.

2.                 Алешкин А.А. О возможности получения двухкомпонентных пленок металлов заданного состава испарением из сплава / А.А. Алешкин, Н.Н. Раров // Физика и химия обраб. материалов. – 1970. – № 4. – С.43-48.

3.                 Апаев Б.А. Динамика масс в испарителе непрерывного действия / Б.А. Апаев, С.А. Пиковский, Ф.В. Урьяш // Изв. вузов. Радиотехника. – 1971. – ХIV. – С.1778-1780.

4.                 Аржаникова И.Н. Влияние режимов испарения и конденсации на состав и структуру пленок сплавов Cu-Mn-Ni / И.Н. Аржаникова, З.В. Кичкина, В.Н. // Электронная техника. Сер. Материалы. – 1978. – Вып. I. – С.3-7.

5.                 А.С. 269226. Сплав для изготовления микросхем / А.С. Косенков, Г.И. Павленко, В.П. Попов. – Опубл. в Б.И. 1970, №15, Н 05 к 7/00.

6.                 А.С. 434484. Токопроводящий материал / М.С. Блудов, А.А. Слягин. – Опубл. в Б.И., 1974, №24, Н 01 с 1/02.

7.                 А.С. 1522780. Способ очистки подложек / О.Н. Соловьева, А.И. Костржицкий, №4221821 / 24-21, заявл. 03.04.87; опубл. 1989.

8.                 Бадиленко Г.Ф. Закономерности кинетики испарения и конденсации двойных сплавов // Проблемы спец. электрометаллургии. – 1975. – №2. –
С. 62-66.

9.                 Баранник В.П. К вопросу о том, как понимать и измерять коррозию металлов / В.П. Баранник, В.В. Романов // Защита металлов. – 1982. – т.18, №2. – С. 309-314.

10.            Башев В.Ф. Электрические свойства напыленных пленок Al-Cu / В.Ф. Башев, Ф.Ф. Доценко, И.С. Мирошниченко // Физика металлов и металловедение. – 1990. – №11. – С. 201-202.

11.            Белевский В.П. О некоторых особенностях формирования электрических свойств вакуумных конденсатов алюминия, никеля и золота / В.П. Белевский, М.В. Белоус, В.И. Недоступ // Физика и химия обраб. материалов. – 1972. – №4. – С. 30-34.

12.            Беренблит В.М. Коррозия и каталитическая активность сплавов Cu-Ni / В.М. Беренблит, Г.П. Павлова, И.Н. Половинина // Пассивность и коррозия металлов. – 1971. – №3. – С. 54-56.

13.            Бочкарев А.Б. Способ повышения стабильности тонкопленочных резисторов // Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты. – 1975. – Вып.6. – С. 42-45.

14.            Бочкарева А.Я. Влияние температуры подложки на некоторые электрические характеристики резистивной пленки // Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты. – 1977. – №4. – С. 40-46.

15.            Введенский А.В. Физико-химические и электрохимические аспекты появления границ стойкости твердых растворов, содержащих благородный металл / А.В. Введенский, И.К. Маршаков // Конгр. Защита – 92: Расш. тез. докл. – М., 1992. – т.1, ч.1. – С. 52-54.

16.            Вигдорович В.Н. Влияние легирующих элементов на электрофизические свойства конденсированных пленок сплавов меди / В.Н. Вигдорович, В.И. Попов // Изв. АН СССР. Металл. – 1979. – №6. – С. 47-53.

17.            Влияние легирующих элементов на свойства конденсатов, полученных вакуумным напылением сплавов на основе меди / М.В. Белоус, А.М. Корольков, А.С. Косенков и др. // Физика и химия обраб. материалов. – 1971. – №3. – С. 38-42.

18.            Влияние легирующих элементов на электрофизические свойства пленок на основе меди / М.В. Белоус, А.М. Корольков, Е.В. Лысова и др. // Физика и химия обраб. материалов. – 1975. – №5. – С. 136-138.

19.            Влияние скорости движения среды на коррозию конденсатов Cu-Al в воде / А.Б. Яменко, В.Г. Гречанюк, Б.М. Емельянов и др. – К., 1990. – 14 с., ил. – Деп в УкрНИИНТИ 13.03.90. №487 – ММ90.

20.            Влияние условий эксплуатации на электрофизические свойства вакуумных пленок сплавов на основе меди / И.Л. Ройх, А.И. Костржицкий, М.П. Кабанченко и др. // Электронная техника. Сер. Материалы. – 1979. – №12. – С. 13-16.

21.            Горшков М.М. Эллипсометрия. – М.: Наука, 1974. – 368 с.

22.            Гринченко В.Т. применение вакуумной плазменно-дуговой металлизации в производстве изделий электронной техники / В.Т. Гринченко, Г.Ф. Ивановский // Электронная пром-сть. – 1980. – №3. – С. 27-29.

23.            Гуйван Э.И. Влияние легирующих элементов и условий напыления металлических пленок на их адгезионные свойства / Э.И. Гуйван, В.И. Попов // Электронная техника. Сер. Технология и орг. пр-ва. – 1971. – №8. –
С. 59-66.

24.            Гусев И.В. О воспроизводимости свойств пленок медных сплавов / И.В. Гусев, С.И. Сидоренко // Вестник Киевск. политехн. ин-та. Сер. Машиностроение. – 1979. – №16. – С. 35-38.

25.            Данилин Б.С. Вакуумные методы получения тонкопленочных элементов интегральных схем (состояние и перспективы развития) // Электронная техника. Сер. Микроэлектроника. – 1972. – №3. – С. 75-82.

26.            Даркен Л.С. Физическая химия металлов / Л.С. Даркен, Р.В. Гурри. – М.: Металлургиздат, 1960. – 582 с.

27.            Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. – М.: Мир, 1964. – 716 с.

28.            Ермолаев Л.А. Пленочные резисторы и их параметры / Л.А. Ермолаев, А.И. Мочалов, Ю.Д. Чистяков // Сб. науч. тр. по проблемам микроэлектроники. – 1972. – №11. – С. 144-160.

29.            Закономерности формирования структуры и свойств пленок, полученных вакуумным напылением сплавов на основе меди / А.И. Корольков, Е.В. Лысова, Г.И. Павленко, В.И. Попов // Физика и химия обраб. материалов. – 1973. – №3. – С. 58-62.

30.            Испарение сплавов на медной основе в вакууме / Д.И. Лайнер, Л.М. Островская, О.С. Серебрянникова, М.И. Цыпкин // Сб. науч. тр. Гипроцветметобработка. Вып. 42. – М., 1974. – С. 105-112.

31.            Использование сплавов меди для вакуумного напыления пленочных элементов микросхем с высокой проводимостью / А.М. Белоус, А.М. Косенков, Е.В. Лысова и др. // Электронная техника. Сер. Материалы. – 1972. – №1. – С. 14-19.

32.            Использование сплавов на основе меди для вакуумного напыления пленочных элементов микросхем с высокой проводимостью / М.В. Белоус, А.М. Корольков, А.С. Косенков // Электронная техника. Сер. Материалы. – 1972. – №2. – С. 14-17.

33.            Исследование анодных оксидных пленок на Cu-Ni сплавах / А.Н. Камкин, А.Д. Давыдов, Цзу-Гу Дин, В.А. Маричев // Электрохимия. – 1999. – т.35, №5. – С. 587-597.

34.            Исследование формирования структуры пленок, полученных испарением в вакууме сплавов медь-никель-марганец / М.В. Белоус, Н.Р. Бочвар, Е.В. Лысова и др. // Физика и химия обраб. материалов. – 1975. – №6. – С. 66-68.

35.            Исследование физико-механических и коррозионных свойств сплавов на основе меди и никеля / С.Д. Пидгайчук, В.И. Григорьев, А.Ф. Сидельник, В.Ф. Цуркан // Физико-хим. механика материалов. – 1993. – т.29. –  С. 127-128.

36.            Кабанченко М.П. Влияние легирующих добавок, полученных испарением конечных навесок сплавов на основе меди / М.П. Кабанченко, А.И. Костржицкий, Г.М. Иванов // Электронная техника. Сер. Материалы. – 1981. – №6. – С. 3-6.

37.            Кабанченко М.П. Исследование износоустойчивости контактных площадок переменных непроволочных резисторов // М.П. Кабанченко, Л.П. Кошкина, А.И. Костржицкий // Электронная техника. Сер. Материалы. – 1982. – №7. – С. 70-72.

38.            Кабанченко М.П. Исследование технологии нанесения и свойств функциональных покрытий из сплавов на основе меди взамен серебрения: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М.: МИЭТ, 1984. – 23 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4