Введение к работе
Актуальность работы. Магнитоуправляемые герметизированные контакты (герконы) по совокупности присущих им технических характеристик в настоящее время остаются перспективными элементами коммутационной техники, а в ряде случаев, особенно при коммутации маломощных цепей (ток до 10"9 А, напряжение до 10"6 В), герконам практически нет альтернативы. Технология изготовления новых ультраминиатюрных герконов не достаточно отработана и требует научной проработки физических основ процесса нанесения контактного покрытия. Работоспособность, надежность и эксплуатационный ресурс, а также основные причины отказов (залипание, незамыкание и увеличение переходного сопротивления) во многом определяют качество контактного покрытия герконов. Одной из причин повышения сопротивления является возникновение на контактирующей поверхности плохопрово-дящих пленок, в основном это окислы железа. Выход железа на поверхность из пермаллоя является следствием пористости покрытия. Поры уменьшают область контактирования и являются причиной коррозии. Нестабильности переходного сопротивления способствует шероховатость поверхности контактирования, из-за чего плохо прирабатывается площадка, через которую осуществляется прохождение тока.
Основным методом нанесения контактного покрытия является электрохимическая кристаллизация. Получение гальванопокрытий золота и рутения малых толщин (до 1 мкм) с требуемыми характеристиками при использовании шероховатых подложек в настоящее время остается сложной задачей.
За последние несколько десятилетий было проведено большое количество работ, которые в достаточной степени не решили проблемы, связанные с получением низкопористых покрытий с небольшой шероховатостью. Методы исследования, которые применялись ранее для изучения поверхности контактов (оптическая, растровая и просвечивающая электронная микроскопия), позволяют исследовать локальные дефекты покрытий с существенными ограничениями. Необходимо детальное исследование условий нанесения, влияющих на состояние контактирующей поверхности, а также применение количественно определяемых критериев оценки качества покрытия. Атомно-силовая микроскопия (АСМ), привлеченная в данной работе для исследования покрытий контакт-деталей, в сравнении с вышеперечисленными методами имеет ряд преимуществ, позволяет проводить количественную оценку поверхностной геометрии и в настоящее время занимает лидирующее место в исследовании поверхности твердого тела. Поэтому тема диссертации достаточно актуальна.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование структуры контактного покрытия и морфологии поверхности контакт-деталей методом АСМ для совершенствования технологии-изготовления новых ультраминиатюрных герконов. Достижениезтай^<ШДИ)е0у^реІііе-
CHewpijjrptt ., ;
ния нескольких взаимосвязанных проблем, основными из которых являются:
разработка методики исследования образцов контактирующей поверхности после различных технологических операций методом АСМ; установление количественно определяемых критериев оценки, наиболее полно отражающих морфологические особенности, связанные с состоянием микрорельефа покрытия;
исследование поверхности железоникелевой подложки после штамповки и электрохимической полировки, выявление общих особенностей растворения сплава;
исследование процесса нанесения контактных гальванопокрытий золота и рутения малых толщин при использовании шероховатых подложек; определение влияния условий осаждения на морфологические особенности поверхности покрытия;
исследование влияния состояния контактирующей поверхности на контактные свойства и эксплуатационно-технические характеристики герко-нов.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
-
установлено, что при электрохимическом нанесении контактного гальванопокрытия местами преимущественного зарождения пор являются, образованные в процессе электрохимической полировки подложки, крупные (до 400 нм глубиной) ямки травления;
-
получены количественные данные об изменении характеристик микрорельефа гальванопокрытия при переходе к импульсному режиму осаждения материала, что позволило обосновать выбор параметров режима;
-
установлена взаимосвязь между состоянием поверхности контактного гальванопокрытия геркона и его эксплуатационно-техническими характеристиками (переходным сопротивлением и количеством коммутаций до первого отказа).
Научно-практическая ценность результатов работы заключается в следующем.
-
Разработана новая методика определения толщины и пористости покрытия с привлечением АСМ. Она позволяет провести более точное измерение в сравнении с методами, применяемыми в существующем технологическом процессе нанесения гальванопокрытий ультраминиатюрных магнито-управляемых контактов.
-
Показано, что использование пернифера в качестве материала контакт-деталей наиболее предпочтительно, так как после электрополировки контактирующая поверхность образцов с основой из пернифера имеет менее выраженный рельеф в сравнении с образцами из пермаллоя.
-
Установлено значение минимально возможной толщины сплошной пленки при золочении контактирующей поверхности, равное 120 " 150 нм.
-
Получены количественные данные о размерах и плотности расположения нор подслоя золота для различных режимов осаждения, что позволяет объективно оценить ход технологического процесса нанесения.
-
Выбраны условия и режим (параметры режима) осаждения, способствующие получению контактного гальванопокрытия, с минимально возможными в условиях технологического процесса пористостью и шероховатостью, что, в свою очередь, улучшило эксплуатационно-технические характеристики ультраминиатюрного геркона
Реализация результатов работы
1. Результаты диссертационной работы использованы РЗМКП
(г. Рязань) при совершенствовании технологии нанесения контактного галь
ванопокрытия нового ультраминиатюрного геркона МК-07101
і 2. Результаты исследований использовались и используются в учебном
процессе: лекционном курсе, разработке дипломных проектов
Достоверность результатов подтверждается данными тестирования АСМ на образцах с известной геометрией поверхности; повторяемостью полученных результатов при сканировании по различным направлениям; большим объемом статистических данных о состоянии поверхности исследуемых образцов; соответствием экспериментальных результатов теории изменения микрорельефа поверхности при электрохимической кристаллизации; применением комплекса методов исследования.
Положения и результаты, выносимые на защиту
-
Методика определения параметров микрорельефа поверхности контактов герконов с помощью атомно-силового микроскопа, обеспечивающая количественную оценку шероховатости (1 нм - 1 мкм), пористости (1 - 15%) при минимальном размере диаметра пор до 1 мкм и толщины покрытия (10-1000 им) с точностью порядка 10 %.
-
Морфология поверхности контакт-детали после электрохимической полировки в большей степени определяется структурным состоянием сплава и незначительно зависит от условий растворения (перепад высот для образца из пермаллоя составляет 480 им, а для более совершенного по структуре пер-нифера - 290 им).
3. Импульсный режим нанесения гальванопокрытия золота (период 1
і мс, скважность 40 %, среднее значение плотности тока до 0,25 А/дм~, толщи
на 600 нм) в сравнении с непрерывным существенно (с 9 до 5 %) уменьшает
пористость покрытия, обеспечивает более узкий диапазон площади сечения
пор (2-3 мкм в диаметре) и округление их формы.
4. Уменьшение шероховатости контактирующей поверхности (с 60 до
30 нм) значительно снижает переходное сопротивление герконов и повышает
его стабильность в ходе коммутаций, а уменьшение пористости (с 11 до 6 %)
значительно (с 75 до 95 %) увеличивает количество герконов, работающих
без залипання контактов после 5-Ю6 срабатываний.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на трех международных и российских научно-технических конференциях, в том числе:
на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 2003". Зеленоград, 2003;
международной научно-технической конференции "Радиоэлектроника и энергетика". Москва, 2004;
первой международной научно-практической конференции "Магни-тоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе". Рязань, 2005.
По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 - в рецензируемых изданиях РАН. Список публикаций приведен в конце диссертационной работы.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 61 наименования. Объем работы составляет 147 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков и 5 таблиц.
