eng
Выпуск #3/2018
Л.Колесник, Мьо Чжо Хлаинг, Зау Пхо Аунг
Повышение адгезии токопроводящих покрытий на керамических подложках оксида алюминия
Повышение адгезии токопроводящих покрытий на керамических подложках оксида алюминия
Просмотры: 3402
В работе представлены результаты исследования возможности использования подслоя титана для повышения адгезии токопроводящих покрытий к подложкам оксида алюминия. Тонкопленочное медное покрытие осаждалось на подложке из алюмооксидной керамики методом термического испарения, а титановый адгезионный слой был получен методом магнетронного распыления. Установлено, что подслой титана может применяться в качестве адгезионного слоя под материалы, которые используются при пайке компонентов.
УДК 621.793; ВАК 05.27.06; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.83.3.232.236
УДК 621.793; ВАК 05.27.06; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.83.3.232.236
Теги: magnetron sputtering metal-ceramic compound power module thermal evaporation thin-film technology магнетронное распыление силовой модуль соединение металл-керамика термическое испарение тонкопленочные технологии
С
иловые электронные модули, выпускаемые отечественной промышленностью, содержат в конструкции элементы соединений металл-керамика. Эти соединения должны отвечать требованиям к адгезионной прочности и устойчивости к перепадам температур. На данный момент их получают с использованием технологии DBC (Direct Bonded Copper – прямо присоединенная медь). Переход к тонкопленочным технологиям для создания основы паяных элементов силовых модулей позволит снизить процент брака и повысить качество соединений. Внешний вид типовой коммутационной платы и готового силового модуля приведен на рис.1.
В процессе эксплуатации силовые модули подвергаются ударным, тепловым и вибрационным нагрузкам. Химическая и термомеханическая несовместимость материалов подложки и покрытия приводит к отслоению токопроводящих дорожек, разрушению покрытия, перегреву электронных компонентов модуля и, в некоторых случаях, может вызвать их выгорание. В качестве материалов подложки для изготовления коммутационной платы используют различные виды керамики: оксид алюминия, оксид бериллия, нитрид алюминия. Выбор материала обуславливается требуемой теплопроводностью, которая должна быть достаточна для отведения тепла, выделяемого элементами модуля в процессе работы. Также важным параметром является коэффициент температурного расширения подложки. Если он будет сильно отличаться от коэффициента температурного расширения материала металлизации, то в процессе нагрева разность изменения размеров подложки и пленки приведет к дополнительной нагрузке на стык соединения "пленка-керамика".
Для изучения технологии формирования токопроводящих покрытий на керамических подложках была модернизирована лабораторная установка нанесения тонкопленочных покрытий. Процесс модернизации заключался в монтаже газовой и магнетронной распылительной системы, что обеспечило технологическую базу для отработки процессов нанесения тонкопленочных покрытий.
В результате установка получила два независимых источника наносимых материалов: термический испаритель и магнетронную распылительную систему. Подложкодержатель выполнен таким образом, что исследуемые образцы могут вводиться в технологическую зону каждого из источников. Это позволяет формировать двухслойные покрытия в едином вакуумном цикле.
Особенностью используемой магнетронной распылительной системы является возможность нанесения покрытий с горячей мишени. К магнетрону постоянно подводится охлажденная вода по замкнутому контуру, что предотвращает перегрев устройства и выход из строя его магнитной системы. Однако предусмотрено только охлаждение магнитов, а мишень в процессе работы под воздействием ионной бомбардировки разогревается до температуры около 900 °С.
На рис.2 показана схема модернизированной установки.
После завершения наладочных работ была проведена серия экспериментов по определению диапазона режимов, при которых возможно формирование пленок с помощью термического испарителя и магнетронной распылительной системы.
В первой серии экспериментов были получены образцы пленок меди на алюмооксидной керамике. Покрытия формировались с помощью термического испарителя при давлении в камере 1,3 · 10–3 мбар в течение 5 мин. Полученные образцы были испытаны на величину адгезионной прочности методом отрыва. К пленке припаивался металлический грибок площадью 1 мм2, а затем с помощью разрывной машины измерялась сила отрыва грибка от подложки и исследовался характер разрушения. Все образцы однослойного медного покрытия показали значение адгезионной прочности около 5 МПа, что недостаточно для применения таких покрытий в качестве токопроводящих в коммутационных платах. Во всех случаях наблюдалось отслоение пленки от керамической подложки.
Во второй серии экспериментов проводилось исследование покрытий, полученных с помощью магнетронной распылительной системы. В качестве материала мишени использовался титан, а в качестве подложки – также алюмооксидная керамика.
Перед началом нанесения проводилась тренировка мишени в течение 5 мин. Признаком окончания тренировки являлся резкий рост тока с его последующей стабилизацией. Одновременно с очисткой происходил нагрев мишени до температуры около 800 °С. После завершения тренировки катода образцы вводились в технологическую зону магнетронной распылительной системы и производилось нанесение с горячего катода. Зависимость катодного тока магнетронной распылительной системы при нанесении покрытий представлена на рис.3.
В ходе предварительных исследований были определены рабочие диапазоны давления в камере и мощности, при которых покрытия не имеют визуальных дефектов. Для титана давление в камере составило от 4,0 · 10–2 до 4,5 · 10–2 мбар, диапазон мощности магнетронной распылительной системы – от 350 до 420 Вт. Далее в этих режимах была проведена серия экспериментов по нанесению пленки титана на подложку оксида алюминия.
Полученные образцы были исследованы на показатели адгезии по методу сетчатых надрезов (рис.4) и на отрыв. В первом случае образцы царапались в двух направлениях, а во втором от пленки отрывался приклеенный "грибок" с измерением силы отрыва и исследованием характера разрушения покрытия.
По методу сетчатых надрезов максимальный показатель составил 5 B, а при проверке на отрыв усилие составило от 65 ± 15 МПа, причем разрушение происходило по слою клея, которым грибок был присоединен к покрытию, следовательно, реальные значения адгезионной прочности лучше полученных значений.
Результаты второго опыта позволяют говорить о возможности использования выбранных режимов для нанесения титана в качестве адгезионного слоя под материалы, которые используются при пайке компонентов (медь, олово-золото и др.).
Третья серия экспериментов была направлена на изучение формирования токопроводящих медных покрытий и проверку возможности использования слоев титана в качестве адгезионного подслоя под медной пленкой.
Медная тонкая пленка осаждалась на подложке методом термического испарения, а адгезионный слой был получен с использованием метода магнетронного распыления. Поверхность подложки Al2O3 была предварительно очищена в ультразвуковой ванне в течение 10 мин при температуре 25 °С в изопропиловом спирте. Для удаления влаги перед нанесением покрытия образцы разогревались до температуры 200 °С.
Адгезионная прочность полученных образцов была измерена с помощью метода отрыва. Сначала металлический грибок площадью 1 мм2 припаивали в центре поверхности образцов, а затем с помощью разрывной машины его отрывали перпендикулярно плоскости поверхности и фиксировали значение силы отрыва. Измеренное значение адгезионной прочности составило 45 ± 5 МПа, что в 10 раз больше, чем у однослойного медного покрытия в первой серии экспериментов (рис.5).
Полученные результаты позволяют говорить о возможности использования подслоя титана в качестве адгезионного слоя под материалы, которые используются при пайке компонентов (медь, олово-золото и др.). В настоящее время продолжаются исследования покрытий, полученных при других режимах нанесения.
1. Kolesnik L.L., Zhuleva T.S., Predtechenskiy P.O., Myo Kyaw Hlaing and Zaw Phyo Aung. Processing of metallization technology aluminum oxide ceramics for electro-vacuum devices elements and power electronics devices. Journal of Physics: Conference Series. Vol. 872, conference 1 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/872/1/012018.
2. Handbook of deposition technologies for films and coatings: science, applications and technology / ed. by P.M. Martin. 3rd ed. Burlington. Oxford: William Andrew/Elsevier, 2010. XVIII, 912 p.: ill. Bibliogr. at the end of the chapters. ISBN 978-0-8155-2031-3.
иловые электронные модули, выпускаемые отечественной промышленностью, содержат в конструкции элементы соединений металл-керамика. Эти соединения должны отвечать требованиям к адгезионной прочности и устойчивости к перепадам температур. На данный момент их получают с использованием технологии DBC (Direct Bonded Copper – прямо присоединенная медь). Переход к тонкопленочным технологиям для создания основы паяных элементов силовых модулей позволит снизить процент брака и повысить качество соединений. Внешний вид типовой коммутационной платы и готового силового модуля приведен на рис.1.
В процессе эксплуатации силовые модули подвергаются ударным, тепловым и вибрационным нагрузкам. Химическая и термомеханическая несовместимость материалов подложки и покрытия приводит к отслоению токопроводящих дорожек, разрушению покрытия, перегреву электронных компонентов модуля и, в некоторых случаях, может вызвать их выгорание. В качестве материалов подложки для изготовления коммутационной платы используют различные виды керамики: оксид алюминия, оксид бериллия, нитрид алюминия. Выбор материала обуславливается требуемой теплопроводностью, которая должна быть достаточна для отведения тепла, выделяемого элементами модуля в процессе работы. Также важным параметром является коэффициент температурного расширения подложки. Если он будет сильно отличаться от коэффициента температурного расширения материала металлизации, то в процессе нагрева разность изменения размеров подложки и пленки приведет к дополнительной нагрузке на стык соединения "пленка-керамика".
Для изучения технологии формирования токопроводящих покрытий на керамических подложках была модернизирована лабораторная установка нанесения тонкопленочных покрытий. Процесс модернизации заключался в монтаже газовой и магнетронной распылительной системы, что обеспечило технологическую базу для отработки процессов нанесения тонкопленочных покрытий.
В результате установка получила два независимых источника наносимых материалов: термический испаритель и магнетронную распылительную систему. Подложкодержатель выполнен таким образом, что исследуемые образцы могут вводиться в технологическую зону каждого из источников. Это позволяет формировать двухслойные покрытия в едином вакуумном цикле.
Особенностью используемой магнетронной распылительной системы является возможность нанесения покрытий с горячей мишени. К магнетрону постоянно подводится охлажденная вода по замкнутому контуру, что предотвращает перегрев устройства и выход из строя его магнитной системы. Однако предусмотрено только охлаждение магнитов, а мишень в процессе работы под воздействием ионной бомбардировки разогревается до температуры около 900 °С.
На рис.2 показана схема модернизированной установки.
После завершения наладочных работ была проведена серия экспериментов по определению диапазона режимов, при которых возможно формирование пленок с помощью термического испарителя и магнетронной распылительной системы.
В первой серии экспериментов были получены образцы пленок меди на алюмооксидной керамике. Покрытия формировались с помощью термического испарителя при давлении в камере 1,3 · 10–3 мбар в течение 5 мин. Полученные образцы были испытаны на величину адгезионной прочности методом отрыва. К пленке припаивался металлический грибок площадью 1 мм2, а затем с помощью разрывной машины измерялась сила отрыва грибка от подложки и исследовался характер разрушения. Все образцы однослойного медного покрытия показали значение адгезионной прочности около 5 МПа, что недостаточно для применения таких покрытий в качестве токопроводящих в коммутационных платах. Во всех случаях наблюдалось отслоение пленки от керамической подложки.
Во второй серии экспериментов проводилось исследование покрытий, полученных с помощью магнетронной распылительной системы. В качестве материала мишени использовался титан, а в качестве подложки – также алюмооксидная керамика.
Перед началом нанесения проводилась тренировка мишени в течение 5 мин. Признаком окончания тренировки являлся резкий рост тока с его последующей стабилизацией. Одновременно с очисткой происходил нагрев мишени до температуры около 800 °С. После завершения тренировки катода образцы вводились в технологическую зону магнетронной распылительной системы и производилось нанесение с горячего катода. Зависимость катодного тока магнетронной распылительной системы при нанесении покрытий представлена на рис.3.
В ходе предварительных исследований были определены рабочие диапазоны давления в камере и мощности, при которых покрытия не имеют визуальных дефектов. Для титана давление в камере составило от 4,0 · 10–2 до 4,5 · 10–2 мбар, диапазон мощности магнетронной распылительной системы – от 350 до 420 Вт. Далее в этих режимах была проведена серия экспериментов по нанесению пленки титана на подложку оксида алюминия.
Полученные образцы были исследованы на показатели адгезии по методу сетчатых надрезов (рис.4) и на отрыв. В первом случае образцы царапались в двух направлениях, а во втором от пленки отрывался приклеенный "грибок" с измерением силы отрыва и исследованием характера разрушения покрытия.
По методу сетчатых надрезов максимальный показатель составил 5 B, а при проверке на отрыв усилие составило от 65 ± 15 МПа, причем разрушение происходило по слою клея, которым грибок был присоединен к покрытию, следовательно, реальные значения адгезионной прочности лучше полученных значений.
Результаты второго опыта позволяют говорить о возможности использования выбранных режимов для нанесения титана в качестве адгезионного слоя под материалы, которые используются при пайке компонентов (медь, олово-золото и др.).
Третья серия экспериментов была направлена на изучение формирования токопроводящих медных покрытий и проверку возможности использования слоев титана в качестве адгезионного подслоя под медной пленкой.
Медная тонкая пленка осаждалась на подложке методом термического испарения, а адгезионный слой был получен с использованием метода магнетронного распыления. Поверхность подложки Al2O3 была предварительно очищена в ультразвуковой ванне в течение 10 мин при температуре 25 °С в изопропиловом спирте. Для удаления влаги перед нанесением покрытия образцы разогревались до температуры 200 °С.
Адгезионная прочность полученных образцов была измерена с помощью метода отрыва. Сначала металлический грибок площадью 1 мм2 припаивали в центре поверхности образцов, а затем с помощью разрывной машины его отрывали перпендикулярно плоскости поверхности и фиксировали значение силы отрыва. Измеренное значение адгезионной прочности составило 45 ± 5 МПа, что в 10 раз больше, чем у однослойного медного покрытия в первой серии экспериментов (рис.5).
Полученные результаты позволяют говорить о возможности использования подслоя титана в качестве адгезионного слоя под материалы, которые используются при пайке компонентов (медь, олово-золото и др.). В настоящее время продолжаются исследования покрытий, полученных при других режимах нанесения.
1. Kolesnik L.L., Zhuleva T.S., Predtechenskiy P.O., Myo Kyaw Hlaing and Zaw Phyo Aung. Processing of metallization technology aluminum oxide ceramics for electro-vacuum devices elements and power electronics devices. Journal of Physics: Conference Series. Vol. 872, conference 1 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/872/1/012018.
2. Handbook of deposition technologies for films and coatings: science, applications and technology / ed. by P.M. Martin. 3rd ed. Burlington. Oxford: William Andrew/Elsevier, 2010. XVIII, 912 p.: ill. Bibliogr. at the end of the chapters. ISBN 978-0-8155-2031-3.
Отзывы читателей
