Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Знание закономерностей контактного плавления (КП) твердых растворов с металлами позволяет управлять процессом КП путем подбора примесей и их концентрации, а также пропусканием тока через образцы в процессе КП, что важно для оптимизации технологий контактно-реактивной пайки, металлизации керамик и полупроводников, создания биметаллов и новых композиционных материалов методом жидкофазного спекания.
Несмотря на большой объем исследований по КП и электропереносу, в литературе отсутствуют данные по КП и электропереносу в контактных прослойках, содержащих примеси щелочноземельных металлов. Между тем присутствие ионов примесей щелочноземельных металлов в жидких расплавах, полученных при КП, приводит к значительному изменению эффективных зарядов компонентов и, в зависимости от концентрации расплава, может привести к инверсии знака . Поэтому исследования КП металлов с добавками щелочноземельных металлов необходимы для развития теории КП.
Особое практическое значение имеют данные о влиянии щелочноземельных элементов и электропереноса на кинетику КП алюминия (широко используемого в электронике) с легкоплавкими металлами. Однако подобные исследования в литературе отсутствуют.
В последнее время уделяется много внимания разработке бессвинцовых припоев для пайки изделий электронной техники. При разработке способов контактно-реактивной пайки керамических плат к алюминиевым основаниям с использованием тонкопленочных технологий перспективными могут оказаться припои на основе эвтектики системы Sn-Al. В связи с этим необходимы данные по политермам поверхностного натяжения и плотности расплава эвтектического состава Sn-Al, а также данные по политермам углов смачивания оловом и расплавами системы Sn-Al алюминия и алюминий-литиевых сплавов.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» при поддержке Минобрнауки, грант № 16.552.11.7030, и при поддержке РФФИ, грант
13-02-00079-а.
Степень разработанности темы диссертации
Исследованиям поверхностных свойств сплавов на основе олова стали вновь уделять большое внимание в связи с разработкой бессвинцовых припоев и систем металлизации керамик и полупроводников.
В известных работах недостаточно изучены политермы поверхностного натяжения олова с малыми добавками алюминия, стронция, бария. Отсутствуют данные по политермам углов смачивания расплавами Sn-Sr, Sn-Ba пленок алюминия на кремнии.
В последнее время в рамках неравновесной термодинамики Ахкубековым А.А. и сотр. показано, что электрический ток, проходящий через контактную жидкую прослойку, может затормозить скорость КП и в дальнейшем изменить режим процесса КП (ускоряющий или замедляющий по сравнению с бестоковым вариантом) на противоположный. Этот эффект наблюдался экспериментально при КП твердых растворов с металлами, но в процессах КП металлов с добавками щелочноземельных элементов, подобная особенность в литературе изучена недостаточно.
Цель работы заключалась в изучении поверхностных свойств сплавов на основе олова: Sn-Bа, Sn-Sr, Sn-Al, и влияния электропереноса на кинетику контактного плавления (КП) и фазообразования в системах (Sn-Bа) – Me, (Sn-Sr)-Me, Ме=Bi, Pb, Al.
Для достижения указанной цели ставились и решались следующие задачи:
1. Изучить влияние постоянного электрического тока на кинетику КП твердых растворов (Sn + 0.3 ат. % Ba) и (Sn + 0.3 ат. % Sr) с алюминием, висмутом и свинцом.
2. Провести рентгенофазовый анализ контактных прослоек, образующихся при контактном плавлении твердых растворов (Sn + 0.3 ат. % Ba) и (Sn + 0.3 ат. % Sr) с Bi и Pb с целью выявления интерметаллидов.
3. Установить взаимосвязь средней скорости КП легкоплавких металлов с твердыми растворами на основе свинца и олова с радиусом ячейки Вигнера-Зейтца металла-добавки.
4. Изучить политермы углов смачивания расплавами Sn – Ba и Sn – Sr пленок алюминия на кремнии до и после фотонного отжига подложки.
5. Изучить политермы поверхностного натяжения и углов смачивания расплавом Sn+0.5 ат.% Al пленок алюминия, нанесенных на кремний, алюминия и алюминий – литиевых сплавов.
Объекты исследования:
Сплавы: Sn + 0.3 ат.% Ba, Sn + 0.3 ат.% Sr, Sn – 0.5 ат.% Al, Sn – 4 ат.% Li;
Металлы высокой чистоты: Pb, Sn, Bi;
Кремний ориентации (111) c напыленной пленкой алюминия;
Контактные прослойки: (Sn + 0.3 ат.% Ba) – Al, (Sn + 0.3 ат.% Sr) – Al, (Sn + 0.3 ат.% Ba) – Pb, (Sn + 0.3 ат.% Sr) – Pb, (Sn – 0.3 ат.% Ba) – Вi,
(Sn – 0.3 ат.% Sr) – Bi.
Научная новизна работы
В ходе выполнения представленной диссертационной работы впервые:
1. В нестационарно-диффузионном режиме измерены скорости КП твердых растворов (Sn + 0.3 ат.% Ba) и (Sn + 0.3 ат.% Sr) с алюминием, оловом и свинцом при наличии электропереноса. Показано, что в ускоряющем режиме кинетика КП в системе (Sn + 0.3 ат.% Ba)–Al усиливается более чем в три раза.
2. Проведен рентгенофазовый анализ в контактных прослойках, образующихся при контактном плавлении. Во всех контактных прослойках обнаружены интерметаллиды. Как правило, это – наиболее устойчивые фазы.
3. Впервые установлены линейные зависимости между скоростью КП металлов с твердыми растворами (на основе свинца и олова) и радиусом ячейки Вигнера-Зейтца металла-добавки. По этим зависимостям предсказаны скорости КП твердых растворов (содержащих малые добавки щелочных и щелочноземельных элементов) с легкоплавкими металлами.
4. Изучены политермы углов смачивания расплавами системы Sn-Ba кремния. Показано, что с увеличением концентрации бария и температуры, углы смачивания снижаются. При смачивании кремния чистым оловом наблюдаются пороги смачивания.
5. Изучены политермы углов смачивания расплавами Sn-Ba и Sn-Sr алюминиевых пленок на кремнии марки КЭС-0.01 ориентации (111) до и после фотонного отжига. Показано, что фотонный отжиг приводит к снижению углов смачивания на 10-15. При смачивании расплавами Sn-Sr обнаружено резкое уменьшение углов смачивания подложек, отожженных в течение 3-4 сек, что соответствует минимуму поверхностного сопротивления пленки. На припои системы Sn-Sr получен патент на изобретение.
6. Впервые изучены политермы смачивания оловом и расплавом Sn + 0.5 ат.% Al алюминия и алюминиевого сплава Al + 0.4 ат.% Li. При температурах 760-820 K обнаруживается значительное уменьшение углов смачивания. При смачивании сплава Al + 0.4 ат. % Li эвтектическим расплавом Sn – Al наблюдается образование игольчатых структур, которые, видимо, сдерживают смачивание на начальном этапе.
Теоретическая и практическая значимость работы
Полученные экспериментальные данные по влиянию постоянного электрического тока на кинетику КП металлов могут найти или находят применение при разработке новых и оптимизации существующих технологий контактно-реактивной пайки алюминия и его сплавов, создании новых композиционных материалов методом жидкофазного спекания, создании новых катодных материалов, содержащих оксид бария.
Патенты, полученные на припой для лужения пленки алюминия на кремнии и на способ сглаживания поверхности пленки алюминия на кремниевой подложке, могут найти применение в технологиях изготовления изделий электронной техники.
Результаты работы использовались в учебном процессе при чтении спецкурсов в Кабардино-Балкарском государственном университете и в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте.
Методология и методы исследования
Изучение политерм углов смачивания и поверхностного натяжения расплавов Sn-Al, Sn-Sr, Sn-Ba проводилось в высокотемпературной установке методом лежащей капли в атмосфере гелия.
Изображение капли, получаемое в эксперименте, обрабатывалось с использованием современных информационных технологий в среде CorelDraw при измерениях угла смачивания и путем численного интегрирования уравнения Юнга-Лапласа при измерениях поверхностного натяжения.
Изучение кинетики КП твердых растворов Sn-Sr, Sn-Ba с Al, Bi, Pb проводилось в нестационарно-диффузионном режиме на оригинальной установке, позволяющей пропускать ток через расплавленную контактную прослойку, и, тем самым, управлять скоростью КП металлов.
В процессе решения указанных выше задач дополнительно применялись атомно-силовая и электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Установленные корреляции между скоростью КП легкоплавких металлов с твердыми растворами на основе свинца и олова и радиусом ячейки Вигнера-Зейтца металла-добавки.
-
Установленный эффект совместного влияния примесей щелочноземельных металлов и постоянного электрического тока на кинетику КП и структуру контактных прослоек в (Sn + 0.3 ат.% Ba) – Al, (Sn + 0.3 ат.% Sr) – Al, (Sn + 0.3 ат.% Ba) – Pb, (Sn + 0.3 ат.% Sr) – Pb, (Sn – 0.3 ат.% Ba) – Вi, (Sn + 0.3 ат.% Sr) – Bi.
-
Выявленные температурные зависимости углов смачивания кремния и пленок алюминия на кремнии расплавами систем Sn-Ba, Sn-Sr до и после фотонного отжига.
-
Температурные зависимости углов смачивания оловом, эвтектическим расплавом системы Sn-Al алюминия и алюминиевого сплава Al + 0.4 ат.% Li.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности
Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния, а так же соответствуют пункту 3.
– Изучение экспериментального состояния конденсированных веществ (сильное сжатие, ударные воздействия, изменение гравитационных полей, низкие температуры), фазовых переходов в них и их фазовые диаграммы состояния.
Степень достоверности и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается одновременным использованием комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов и теоретических расчетов; согласием результатов, полученных различными методами; применением апробированных методик экспериментальных исследований, использованием метрологически аттестованной технологической и измерительной аппаратуры; проведением измерений большого числа образцов каждого состава, показавших хорошую воспроизводимость свойств; применением современных информационных технологий при обработке экспериментальных данных; осуществлением анализа и описанием полученных экспериментальных результатов с привлечением современных теоретических представлений.
Личный вклад автора. Диссертация является, в основном, итогом самостоятельной работы автора, обобщающей полученные им и в соавторстве результаты. Отработку методики экспериментальных исследований автор проводила совместно с Т.А. Орквасовым и А.З. Кашежевым. Образцы твердых растворов Sn-Ba, Sn-Sr получены в Физико-техническом институте низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины (г. Харьков) Н.В. Далаковой. рентгенофазовый анализ проводился в ЦКП КБГУ «Рентгенодиагностика материалов». Остальные результаты получены автором лично.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих симпозиумах, конференциях, совещаниях, семинарах: 11-м Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (ОМА-11), г. Сочи, 2008; III Международной научной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (ICC-2008), Москва, 2008; 13 Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2008), Москва, 2008; 6-й Международной конференции «Высокотемпературная капиллярность», Афины, Греция, 2009 г.; 2-м Международном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов» (MCMO-2009) п. Лоо, 2009; 1-м Международном симпозиуме «Термодинамика неупорядоченных сред и пьезоактивных материалов», Пятигорск, 2009; Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах» (ОМА-13), п. Лоо, 2010; 14-м Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO-14). Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2011.; V Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике». Нальчик: КБГУ, 2012; на International Conference of High Temperature Capillarity (HTC-2012) – Eilat, Israel 2012; Международном симпозиуме «Физика поверхностных явлений, межфазных границ и фазовые переходы (PSP&PT 2)», п. Лоо, 2012 г., XII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (МиШР-12), Екатеринбург, 2008,
22–26 сентября 2008 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 работах. Из них 4 – в журналах, рекомендованных ВАК, одна работа опубликована в зарубежном журнале, получено два патента на изобретения. Перечень основных публикаций дан в конце автореферата.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 9 таблиц. Она состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 179 наименований.
