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
|
Номер сплава |
Массовый состав покрытия, % (остальное медь) |
DR, Ом |
Износостойкость (графит 25000 циклов) DR, Ом |
||
|
Нейзильбер |
Бронза безоловянная |
Графит |
|||
|
1 |
20-24 Sn |
0,67 |
0,59 |
16,1 |
7,4 |
|
2 |
37-40 Sn |
0,62 |
0,61 |
25,2 |
1,4 |
|
3 |
42-45 Sn |
7,4 |
1,47 |
13,5 |
1,8 |
|
4 |
60-62 Sn |
-0,10 |
-0,13 |
0,73 |
0,8 |
|
5 |
42-44 Sn; 1,0 Ni |
17,9 |
54,5 |
13,0 |
8,5 |
|
6 |
10-12 Sn; 0,5-1,5 Со |
0,6 |
0,27 |
1,7 |
0,8 |
|
7 |
42-43 Sn; 0,5-1,5 Со |
43,0 |
65,0 |
33,0 |
6,6 |
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
