Высшее профессиональное образование

Физико-химические основы технологии электронных средств

Допущено

Методическим объединением вузов

по университетскому политехническому образованию

в качестве учебного пособия

для специальности 000000000 «Проектирование и технология электронных средств»

Оглавление

Стр.

Введение…………………………………………………………………………………….

Раздел 1……………………………………………………………………………………..

Раздел 2……………………………………………………………………………………..

Раздел 3……………………………………………………………………………………..

Раздел 4……………………………………………………………………………………..

Раздел 5……………………………………………………………………………………..

Раздел 6……………………………………………………………………………………..

Раздел 7……………………………………………………………………………………..

Заключение………………………………………………………………………………….

Приложение 1……………………………………………………………………………….

Приложение 2……………………………………………………………………………….

Приложение 3……………………………………………………………………………….

Приложение 4……………………………………………………………………………….

Приложение 5………………………………………………………………………………..

Принятые сокращения

ЭА – электронная аппаратура

ЭВС – электронно-вычислительные средства

ЭВМ – электронно-вычислительные машины

РЭА – радиоэлектронная аппаратура

Раздел 2. НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛА

6. Гальванопластика

Гальванопластика – это техника получения точных металлических копий путём электроосаждения металла на формы, которые по окончании процесса отделяются от осаждённого слоя.

Используются в основном для получения изделий и инструмента, а также для их воспроизведения и размножения.

Гальванопластику применяют, когда изделие невозможно или экономически невыгодно изготавливать другим способами. Гальванопластика является процессом, обеспечивающим безотходность технологии. Технология гальванопластики используется также для металлизации диэлектриков.

Основные этапы процесса гальванопластики:

1) конструирование и изготовление форм

2) подготовка форм к нанесению проводящих или разделительных слоёв

3) нанесение проводящего слоя на неметаллическую поверхность формы

4) нанесение разделительного слоя на металлический слой формы

5) электроосаждение требуемого металла или сплава

6) обработка тыльной стороны наращенного изделия

7) отделение готового изделия от формы

Имеются технологические процессы, основанные на электроосаждении на формы относительно тонкого слоя металла с последующим обволакиванием или опрессовыванием его пластмассами.

6.1. Конструирование и изготовление форм

Формой называется изделие, на которое непосредственно осаждают металл, чтобы получить обращённую копию поверхности.

Форма определяет не только конфигурацию и размер детали, но и точность изготовления, и чистоту поверхности получаемой детали.

По принципу использования формы делятся на: постоянные (для изделий допускающих разъём) и одноразового использования (выжигаемые, выплавляемые, растворяемые).

По материалу формы делятся на металлические, неметаллические и комбинированные.

При выборе материала для форм следует учитывать механические, физические и химические свойства, обрабатываемость, способность к образованию разделительных слоев, термический коэффициент расширения, природу осаждаемого металла, тип электролита, твердость материала, способность к пайке, дефицитность и стоимость.

Важно при конструировании формы учитывать особенности процесса электроосаждения металла, в частности рассеивающую способность электролита.

Часто процесс гальванопластического изготовления можно значительно упростить небольшими изменениями конструкции детали, не влияющими на функциональные характеристики изделия (можно использовать ФСА, исследование ресурсов ТРИЗ). В частности, наружные углы форм должны быть закруглены во избежание роста дендритов. Внутренние углы должны иметь маленькие радиусы, равные толщине осаждаемого металла.

В формах сложной конфигурации необходимы отверстия для удаления шлама, для облегчения промывки формы, для отвода газа в процессе нанесения покрытия.

Способы изготовления форм очень разнообразны и меняются в зависимости от материала, назначения детали, ее конфигурации, размеров и т.д.

Примеры форм.

Металлические формы.

а) постоянные формы

Материал	Применение	Достоинства	Недостатки
Хромоникелевая сталь: 12Х18Н10Т	При неодходимости наращивать металл из кислых электролитов	Точность	Трудоемкая мех. Обработка, немагнитны, не поддаются термозакалке, небольшая твердость (следовательно, не пригодны для изготовления форм малых сечений), высокая стоимость
Хромистые стали: 4Х13, 3Х13, 2Х13	Наращивание металла из щелочных электролитов (пирофосфатных, аммиачных)	Дешевле хромоникелевых сплавов. Проще поддаются мех. обработке, так как их твердость может быть увеличена путем термообработки
Медь. Латунь	При гальванопластическом изготовлении изделий электролизом расплавленных сред	Мягкие	Мягкие
Титан и его сплавы.	Используют для получения микроминиатюрных изделий.	Разделительный слой на них образуется самопроизвольно на воздухе. Высокая прочность при обычных и повышенных температурах и высокая коррозионная стойкость	Недостаток: высокая трудоёмкость обработки, высокая стоимость.
Никелевые сплавы (инвар, ковар).		Низкий коэффициент теплового расширения.	Высокая трудоёмкость обработки, высокая стоимость.

б) разрушаемые формы

Материал	Применение	Достоинства	Недостатки
Алюминий и его сплавы	В производстве волноводов	Легко подвергаются механической обработке и могут быть изготовлены литьем, имеют малый вес.	Малая коррозионная стойкость
Легкоплавкие сплавы			Невысокая точность; вследствие низкой температуры плавления они нестабильны в размерах при комнатной температуре. Для обеспечения полного удаления формы готовые детали надо до осаждения металла подвергнуть пассивации в растворах хроматов

Неметаллические формы.

Гипсовые формы. Применяются в художественной гальванопластике. Недостатком является гигроскопичность гипса, поэтому формы необходимо пропитывать специальными составами.

Пластмассовые формы (эпоксидные пластмассы): обладают высокой химической стойкостью, прочностью, минимальной усадкой и способны отверждаться при комнатной температуре без давления. Недостаток – вязкость, токсичность отвердителей и трудность удаления воздуха из смесей.

Также используют пенопласт, каучук, легкоплавкое стекло.

Комбинированные формы.

Состоят из металла и диэлектрика (например, для получения сеток с отверстиями заданной формы, размера и расположения). Изготавливаются фотоспособами.

6.2. Подготовка форм к нанесению проводящих или разделительных слоёв

Основные операции: очистка, обезжиривание, пропитка, создание шероховатости, сенсибилизация, активирование.

Последовательность операций, их число, а также сами способы проведения операций зависят от материала, формы, способа нанесения проводящего или разделительного слоя и способа нанесения покрытий.

6.3. Нанесение проводящего слоя на неметаллические формы.

Используются два способа: механический и химический

Пример механического способа – графитирование. Недостаток графитирования: большое удельное сопротивление.

Другой способ – нанесение порошка из меди и бронзы (вместо графита).

Можно также наносить токопроводящие эмали и эмульсии. Пример такого состава:

порошок бронзы – 70-90%

растворимое стекло – 10-30%

эпоксидная смола – 2-5%

Химическое нанесение проводящего слоя.

Разработаны способы химического восстановления металла из соединений для получения проводящих покрытий из серебра, меди, платины, никеля, кобальта, сурьмы и др. Есть пленки со специальными свойствами. Их наносят, когда проводящий слой должен обладать дополнительными свойствами, например, магнитными, эмиссионными, полупроводниковыми и т.п. Преимущество способа – возможность металлизации изделий сложной формы, а также тонких и узких каналов и отверстий, высокая точность процесса.

Другие способы металлизации:

Термическое восстановление металла их соединений (из газовой фазы или нанесение проводящих паст с их последующим вжиганием);

Вакуумное напыление металла;

Пневматическое нанесение металла.

6.4. Нанесение разделительного слоя на металлические формы.

Возможность снятия гальванических копий с металлических форм достигается путём нанесения на металл тонкого разделительного слоя.

Это очень важная операция, т.к. в случае нарушения разделительного слоя гибнет не только копия, но и оригинал, с которого снимают копию.

Эти слои должны иметь омическое сопротивление такой величины, чтобы не препятствовать прохождению нужного для электроосаждения тока.

Разделительный слой должен покрывать форму равномерно и полностью.

Не должен растворяться в электролите или восстанавливаться катодно до осаждения первичного беспористого слоя металла.

Эффективность разделительного слоя зависит от состава электролита и условий осаждения металла. Разделительный слой устойчивый в кислом электролите может оказаться непригодным для щелочного электролита.

а) механическое нанесение разделительного слоя

Для приготовления разделительного слоя может использоваться пчелиный воск. Его растворяют в скипидаре, причем скипидар с 1% Н₂S или может растворяться в тетрахлориде углерода, куда добавляют немного канифоли и добавляют графитовый порошок. Такого рода составы разделительных слоев годятся только для комнатной температуры. К другим вариантам нанесения разделительного слоя относятся использование эмульсии. Она состоит из минерального масла, эмульгатора и связующего вещества (спирт или спиртообразные материалы).

б) химическое нанесение разделительных слоев

Подразумевает образование сульфидных, оксидных , фосфатных и других пленок. Наносят разделительный слой либо погружением, обливанием, путем натирания слабым раствором соли, пулевирезацией. Толщину разделительного слоя можно регулировать изменяя время выдержки. Особенно часто применяют химическое нанесение , если металлические формы одноразовые и легкоплавкие.

в) электрохимическое образование разделительного слоя

Электроосажденные пленки могут быть нанесены на любые металлы и сплавы.

Хром. Его применение обусловлено тем, что он покрыт слоем оксида, который самопроизвольно возобновляется.

Сурьма и мышьяк.

г) самопроизвольное образование разделительного слоя

Хромистые и хромоникелевые стали самопроизвольно образуют оксидные пленки, следовательно они могут быть использованы для изготовления форм.

Используют также рений, титан, цирконий, которые образуют разделительный слой в виде окисла под действием воздуха.

6.5. Электроосаждение слоя металла.

Для электроосаждения используются традиционные металлы: медь, никель, кобальт, железо, золото, серебро; сплавы кобальт-никель, алюминий-цинк.

Способ получения покрытий – катодное восстановление металла из электролита.

Основная проблема – это получения качественного толстого сплошного покрытия без внутренних напряжений. Мы должны добиваться мелкозернистой структуры. Это медь и никель. На появление механических напряжений влияют толщина слоя, температура. Еще одной проблемой является загрязнение электролита различными примесями, поэтому для получения мелкозернистой структуры. Электролит надо отчищать непрерывно. В машиностроении используется Fe ( низкая стоимость, нуждается в последующей обработке: азотирование, упрочнение). Наибольшее применение в гальванопластике нашли сплавы: Ni с Co, Ni с Mg, Co с Wo. Методами гальванопластики можно получить композиционные материалы. В осаждаемый слой включают частицы, в частности можно получить: осажденный никель с включениями технического алмаза, либо волокна вольфрама.

6.6. Обработка тыльной стороны наращенного металла.

В наиболее простых случаях эта обработка сводится к чисто механической операции (шлифовка), но бывает, что с помощью такой обработки упрочняют полученную деталь или инструмент. Например, на тыльную сторону копии заливают специальные легкоплавкие сплавы (типографский сплав, который содержит 95% Pb, 3% сурьмы, 2% олова).

Наносят газоплазменным способом слой металла ( Cu, Al, Au). Толщина слоя около 30мкм. Упрочняют также путем обволакивания или опрессовывания пластмассой.

6.7. Отделение готового изделия от формы.

По окончании процесса наращивания перед отделением металлической копии, форму тщательно промывают, чтобы электролит не затёк в пространство. Готовые изделия отделяют от форм, использую механические усилия (гидравлическое давление, нагрев, охлаждение, вакуум).

Пластмассовые формы растворяют в органических растворителях или расплавляют форму.

Для отделения крупных тонкостенных изделий применяют охлаждение форм жидким азотом.

Можно отделять изделия от формы, сообщая форме ультразвуковые колебания с частотой, близкой к резонансной частоте формы.

10