5.3. Металлические негальванические покрытия

При производстве радиоаппаратуры применяют несколько способов металлических негальванических покрытий; вакуумное испарение, катодное распыление, горячее распыление, горячую металлизацию.

Вакуумное испарение (возгонка) — это способ нанесения на обрабатываемое изделие тонкой металлической пленки путем конденсации паров металла в вакууме. Вакуумное испарение обеспечивает весьма большую прочность пленок, причем управление процессом осаждения сравнительно несложно.

Испарение в вакууме (возгонка) широко применяется при нанесении тонких слоев родия или палладия для повышения механической прочности ранее осажденного на поверхность изделия серебра; для изготовления высокоточных безындукционных резисторов, работающих в СВЧ-приборах; при изготовлении металлизированных резисторов (МЛТ); в технологии печатных схем; для придания поверхностям высокой отражающей способности; для создания тонких электропроводящих слоев на электроизоляционных материалах. В ряде случаев применение вакуумного испарения является единственным средством для решения сложных конструктивных и технологических задач. Достаточно упомянуть о том, что в измерительной аппаратуре, работающей в диапазоне СВЧ, применяются тонкие слюдяные пластинки, на которые вакуумным испарением осаждается слой палладия толщиной не более 200А.

Рис. 5.1. Схема установки для испарения металлов:

1 — испаритель; 2 — заготовка; 3 — штуцер к вакуумному насосу

Обрабатываемую деталь, на поверхность которой нужно нанести слой металла, помещают в вакуумной камере (10^-3—10^-5 мм рт. ст.) над испарителем (рис. 5.1), в качестве которого в простейшем случае используется пластинка из тугоплавкого материала, разогреваемая до температуры испарения электрическим током. Во многих случаях интенсивное испарение металла начинается при температуре ниже температуры плавления, когда давление паров металла превысит давление в испарительной камере. Скорость испарения металла зависит от его температуры. Как видно из табл., температуры, при которых упругость насыщенных паров достигает определенных значений, существенно различаются для различных металлов, даже близких по температуре плавления (например, хром и платина). Из табл. видно также, что давление паров металла изменяется примерно на целый порядок с изменением температуры на 10%. В связи с этим регулирование скорости испарения часто бывает затруднено.

Таблица

Зависимость скорости испарения металла от его температуры

Элемент	Температура, °К, соответствующая давлению насыщенных паров, мм рт. ст.						Температура плавления, °К
	0,01	0,1	1	10	100	1000
Ртуть Цинк Литий Висмут Сурьма Свинец Олово Хром Серебро Золото Алюминий Железо Никель Платина Молибден Вольфрам	246 490 - - - 770 - - - - - - - - - -	266 523 680 - - 830 - - - - - - - - - -	290 567 740 890 - 910 - - 1080 - - - - - - -	320 620 814 970 973 1000 1148 1190 1180 1445 1470 1694 1717 2332 2755 3505	354 681 905 1070 - 1110 - - 1310 - 1610 - - - - -	399 762 1018 1190 - 1260 - - 1460 - 1780 - - - - -	234 692 452 544 903 600 505 2073 1233 1336 933 1803 1723 2043 2873 3673

При малой длительности периода испарения существенное влияние на результат процесса оказывает период разогрева и охлаждения испарителя. Для улучшения результатов процесса необходимо обеспечить постоянство скорости подъема и понижения температуры испарителя либо экранировать поверхности осаждения на время установления постоянной температуры.

Перед нанесением покрытия поверхность тщательно очищают от жировых пятен, пыли и других загрязнений, протирая ее этиловым спиртом, и высушивают в термостате.

Толщина слоя покрытия зависит от степени разрежения, температуры и времени испарения.

К недостаткам вакуумного испарения относятся длительность процесса и малый коэффициент использования испаряемого металла, который осаждается не только на покрываемом изделии, но и на поверхности всех предметов, находящихся под колпаком, а также и на внутренних его стенках.

Катодное распыление. Осаждение пленок металла методом катодного распыления основано на явлении переноса металла с катода на анод при тлеющем разряде в газах. Простейшая схема установки для катодного распыления показана на рис. 5.2. Катод изготавливают из металла, который нужно нанести на поверхность изделия. Материал анода не играет роли. Обычно анодом служит железо или алюминий. Обрабатываемое изделие помещают в поток ионизированного газа параллельно катоду вблизи темного катодного пространства. Интенсивность _J осаждения наиболее велика, когда катодное темное пространство заполняет от ¹/₂ до ¹/₃ расстояния между катодом и поверхностью изделия. Размер катодного темного пространства легко регулируется степенью разрежения: с повышением давления размер его уменьшается.

Интенсивность распыления при прочих равных условиях регулируют величиной приложенного напряжения. Разность потенциалов, необходимая при катодном распылении, составляет от 10 до 30 кв. Процесс переноса частиц металла с катода на изделие протекает при разрежении 10^-3— 10^-4 мм рт. ст.

Рис. 5.2. Схема установки для катодного распыления:

1 — катод, 2 — анод; 3 — заготовка; 4 — штуцер к вакуумному насосу; 5 и 6 — герметичные выводы к источнику высокого напряжения

Интенсивность распыления зависит от свойств материала катода и состава газовой среды. Любой металл распыляется, например, в азоте, значительно быстрее, чем в водороде, а в аргоне почти в 6 раз быстрее, чем в водороде. В среде гелия распыление всех металлов очень незначительно.

Примеси некоторых газов могут оказывать избирательное действие. Например, введение в камеру паров ртути ускоряет скорость распыления хрома, алюминия и сравнительно мало влияет на интенсивность распыления других металлов. Металлы, имеющие высокую температуру испарения, распыляются, как правило, с меньшей скоростью.

Способ катодного распыления удобен тем, что скорость процесса легко поддается управлению. Регулируя величину тока, можно изменять время распыления от долей секунды до нескольких часов. В процессе откачки газа из камеры при небольшом разрежении, когда распыление еще не происходит, благодаря действию тлеющего разряда осуществляется безупречная очистка поверхности осаждения, что очень важно для прочного закрепления пленки.

Недостаток способа катодного распыления — в непременном присутствии в камере газа, что часто приводит к захвату его атомов и прочному их включению в осаждаемую пленку, а также и трудности распыления некоторых тугоплавких металлов и сплавов, представляющих в ряде случаев большой практический интерес благодаря их химической стойкости и высокому удельному сопротивлению.

Горячее распыление заключается в том, что расплавленный металл распыляется сжатым газом и осаждается на поверхности обрабатываемого изделия. Посредством горячего распыления на поверхность любого материала можно нанести любое металлическое покрытие.

Покрытие наносят распылительным пистолетом (рис. 5.3). Ствол пистолета состоит из трех металлических трубок, вставленных одна в другую. По трубке меньшего диаметра подается проволока из металла, который используется для образования покрытия. По трубке среднего диаметра поступает горючая смесь газов: водорода и кислорода или ацетилена и кислорода. Между наружной стенкой средней трубки и корпусом ствола, который представляет собой третью трубку самого большого диаметра, подается под давлением азот или углекислый газ. На конце корпуса ствола укреплена насадка с отверстием, через которое разбрызгивается расплавленный металл. Частицы распыленного металла переносят очень незначительное количество тепла, поэтому способом горячего распыления можно металлизировать тончайшие ткани, конденсаторную бумагу, полистироловую пленку и другие материалы с низкой нагревостойкостью.

Рис. 5.3. Схема камеры плавления пистолета для горячего распыления металла:

1 — камера плавления; 2 —проволока; 3— канал подачи нейтрального газа; 4 — канал подачи горячей смеси

Исследование микроструктуры металлизированного слоя показывает, что он состоит из чешуек металла, связанных между собой, а также с основанием только силами сцепления. Это объясняется тем, что поверхность распыленных частиц металла во время переноса через воздушное пространство, отделяющее пистолет от покрываемой поверхности, успевает окислиться. Количество окислов составляет 1—2% (по весу) от общего количества металла в зависимости от состояния атмосферы и свойств наносимого металла. Частицы металла с окисленной поверхностью, ударяясь о поверхность обрабатываемого изделия, деформируются и образуют чешуйки, отделенные одна от другой пленками окиси. Поэтому металлизированный слой — пористый, а присутствие окислов ухудшает его защитные свойства (которые, однако, могут быть повышены увеличением толщины слоя).

Подготовка поверхности перед горячим распылением состоит в удалении жировых пленок и загрязнений. Гладким поверхностям необходимо придать шероховатость путем гидропескоструйной обработки, что значительно увеличивает силу сцепления частиц наносимого металла с основанием. Металлические поверхности, если это возможно, желательно нагревать до 200—250° С. При поддержании указанной температуры нагрева в течение процесса металлизации оловом, цинком, медью возможна некоторая спайка металла покрытия с основанием.

Горячая металлизация применяется для нанесения покрытия на металлические изделия. Широко распространены горячее лужение и цинкование, которые осуществляются погружением изделия в расплавленный металл после предварительной тщательной очистки его поверхности от загрязнений и окислов. При горячем лужении хорошо очищенное изделие смачивают флюсом, например хлористым цинком, и погружают на короткое время в расплавленное олово или припой — сплав олова со свинцом. Затем изделие вынимают и быстро встряхивают, пока расплавленное олово или припой не успели еще застыть; излишек олова или припоя при этом сбрасывается с поверхности изделия. Для получения равномерной толщины слоя олова на больших поверхностях еще не успевшее застыть покрытие быстро протирают сухой тряпкой.

При массовом горячем лужении мелкие детали предварительно подвергают травлению, затем промывают холодной водой, нейтрализуют и обезжиривают в содовом растворе. После этого детали засыпают в проволочную корзину и вместе с ней погружают в ванну с водным раствором хлористого цинка. Встряхивая корзину, детали освобождают от излишков флюса и пересыпают в другую проволочную корзину, нагретую до температуры 200—250°С, которую быстро погружают в тигель с расплавленным припоем на 10—15 сек. После этого корзину с деталями переносят к центрифугу и вращают со скоростью 1 000—1 500 об/мин в течение 8—10 сек. При этом излишки еще не успевшего застыть припои отделяются от деталей и выбрасываются через отверстия корзины к стенкам каркаса центрифуги, застывают и падают в сборник.