Исследование и разработка технологии устройства индикации на основе нанопористого оксида алюминия

При взаимодействии металлов с теми или иными компонентами растворов (расплавов) в определённом диапазоне потенциалов на поверхности металла образуются адсорбционные или фазовые слои (плёнки). Эти слои образуют плотный, почти непроницаемый барьер, благодаря чему коррозия сильно тормозится или полностью прекращается.

Пассивация проводится химически или электрохимически. В последнем случае создаются условия, когда ионы защищаемого металла под действием тока переходят в раствор, содержащий ионы, способные к образованию очень малорастворимых соединений.

Под пассивацией понимается процесс образования тонкой пленки с высоким сопротивлением.

 

 

6) Ламинирование

Нанесение фоторезиста на подготовленную поверхность заготовки производят на валковом ламинаторе. Во время нанесения защитная полиэтиленовая пленка удаляется. Открытый светочувствительный слой с полиэтилентерефталатной основой наслаивают на чистые заготовки прижимными валиками.

Допускается подогревать заготовки до 60-100 0С. После нанесения (ламинирования) заготовки с фоторезистом выдерживают в течение не менее 20 мин в помещении с желтым освещением (рис 2.7) или в темноте для увеличения адгезии фоторезиста к подложке.

Рис 2.7. Комната с желтым освещением

Затем обрезают фоторезист по контуру заготовки режущим инструментом, не допуская отслоения полиэтилентерефталатной основы.

7) Экспонирование

Процесс формирования рельефного покрытия заданной конфигурации с помощью фоторезистов.

Заключается в обработке заготовки ультрафиолетовым светом, после чего можно удалить обработанные лишние участки.

Экспонирование заготовок с нанесенным фоторезистом осуществляют на установках с точечным источником света, через фотошаблон. Температура в зоне экспонирования должна быть не более 35оС.

Время экспонирования подбирают опытным путем. После экспонирования каждый образец выдерживают не менее 30 мин для завершения темновой фотохимической реакции.

8) Химическая обработка

Перед проявлением с поверхности образцов с нанесенным фоторезистом удаляют полиэтилентерефталатную основу. Проявление ведут в струйной установке.

Определяют время растворения неэкспонированного светочувствительного слоя в проявителе. Оптимальное время должно превышать на 50-100% время полного удаления светочувствительного слоя с неэкспонированной заготовки.

Проэкспонированные образцы проявляют на установке с оптимальным временем проявления. Затем образцы промывают проточной водой в течение 30 с, обрабатывают 5%-ным водным раствором серной или соляной с последующей тщательной промывкой проточной водой и сушкой очищенным сжатым воздухом или фильтровальной бумагой.

        9) Анодизация

Популярность алюминия во многом связана с его хорошей естественной коррозионной стойкостью. Она достигается из-за высокого химического сродства алюминия к кислороду, то есть их большого взаимного стремления вступать друг с другом в реакцию с образованием оксида алюминия. Эта очень тонкая оксидная пленка мгновенно покрывает любую свежую поверхность алюминия сразу после ее контакта с воздухом. Однако в некоторых случаях необходимо иметь более высокую степень защиты (коррозионной или химической), модифицировать внешний вид поверхности (цвет, текстуру и т.п.) или создать заданные физические свойства поверхности (повышенная твердость, износостойкость или адгезия). В таких случаях прибегают к анодированию алюминия. [5]

 

Рис 2.8.  Схема процесса анодирования

 

Анодирование алюминия относится к электрохимическим процессам формирования стабильных оксидных покрытий (пленок) на поверхности металлов. Анодирование алюминия и алюминиевых сплавов может происходить с участием разнообразных электролитов с применением источников прямого или переменного тока или их комбинаций. При этом алюминиевое изделие (далее для определенности — профиль) всегда является анодом, то есть его подключают к положительному полюсу источника тока, а другой подходящий металл или сплав – катодом и его подключают к отрицательному полюсу (рис 2.8).

Механизм образования пористой структуры оксида таков, что пора всегда отделена от алюминиевой подложки барьерной оксидной пленкой (рис 2.9).

Образование пор связано с одновременным протеканием процесса образования и растворения оксида. Формирование пористого оксида происходит в водных растворах серной, щавелевой и ортофосфорной кислот электрохимическим методом.

 

Рис.2.9.  Механизм образования пористого оксида алюминия:

EA – напряжение; t – время.

 

Линейное увеличение напряжения на начальной стадии процесса (участок 1 на кривой) связано с формированием непористого (барьерного слоя) оксида. Затем в оксиде зарождаются поры, при этом толщина барьерного слоя незначительно снижается, что выражается появлением убывающего участка 2 на кривой.

В дальнейшем толщина барьерного оксида стабилизируется (участок 3). Таким образом, рост пористого оксида можно представить, как последовательное продвижение границы раздела «оксид – металл» вглубь подложки.

На данный момент существуют две концепции формирования анодной пористой структуры оксида алюминия: физико-геометрическая концепция и концепция критической плотности тока, являющаяся продолжением физико-геометрической.

Физико-геометрическая модель предполагает, что основой образования как пористого, так и беспористого оксида является реакция взаимодействия алюминия с чистой водой, протекающая в сильных полях, а образование пор связано с одновременным протеканием процесса образования и растворения оксида.

Основные положения физико-геометрической концепции состоят в следующем:

1. Пористая  анодная оксидная пленка представляет  собой плотноупакованные оксидные  ячейки, имеющие форму гексагональных  призм, соединенных между собой  по боковым граням. Размер ячеек  пропорционален напряжению анодирования.

2. Ячейки  оксида направлены нормально  к поверхности металла и параллельны  друг другу. В центре каждой  ячейки имеется одна цилиндрическая  пора, диаметр которой определяется  природой электролита и составом  анодируемого сплава.

3. Основанием  ячеек служит плотный барьерный  слой, примыкающий к металлу и  имеющий аналогичную ячеистую  структуру. Толщина барьерного слоя  пропорциональна анодному напряжению.

4. Образование  ячеек начинается с формирования  барьерного слоя, который переходит  со временем в пористый, а под  его ячейками продолжается рост  барьерного слоя.

5. С течением  времени поры удлиняются из-за  подтравливания электролитом дна пор. Рост анодной оксидной пленки происходит на границе «металл – пленка», на которой поверхность каждой ячейки представляет вогнутую полусферу.

Согласно концепции критической плотности тока, при формировании анодных оксидных пленок на алюминии роль катионов на границе «оксид – электролит» зависит от конкретных условий анодирования, главным образом от плотности тока. Критическая плотность тока определяет значение плотности ja, при котором и выше которого формируются плотные пленки, а ниже –пористые. Критическая плотность тока зависит от природы электролита, его рН, температуры и концентрации (рис 2.10). Таким образом, при критической плотности тока материал анодной оксидной пленки образуется только на границе «металл – пленка» за счет переноса анионов. Следовательно, пленка, образованная на границе «металл – оксид», будет испытывать воздействие агрессивных частиц электролита, стимулированное электрическим полем и приводящее к ее растворению, которое начнется на активных центрах поверхности анодной оксидной пленки. [2]

Рис 2.10. Концепция формирования анодной пористой структуры оксида алюминия: концепция критической плотности тока

 

Таким образом, образование пор вызвано стимулированным электрическим полем растворением пленки у оснований пор, которому может способствовать также локальный нагрев пленки за счет эффекта Джоуля. Под действием сильного поля происходит ослабление связей Al-O, что приводит к растворению анодной оксидной пленки. На стадии стационарного роста пор устанавливается динамическое равновесие между ростом пленки на границе «металл – пленка» и электро-стимулированным растворением у оснований пор. Присутствие пространственного заряда катионов Al3+ в пленке вокруг поры из-за их большей подвижности по сравнению с ионами OH– или O2– препятствует чрезмерному радиальному расширению поры и способствует тому, что ближайшая к ней пора образуется лишь на некотором расстоянии. Следующая пора в окрестности должна также возникнуть на подходящем расстоянии от предшественниц и так далее до достижения приблизительно плотноупакованного гексагонального распределения.

        10) Заполнение пор

После анодирования платы направляют на заполнение пор. Поры опускают в ванну с кремнийорганическим лаком, так как он является более термостойким. В ванной установлены ультразвуковые генераторы, для необходимости пробивного напряжения.

 

 

 

       11) Механическая зачистка

       Далее после заполнения пор  выполняется повторная механическая  зачистка для удаления неровностей  лака.

12) Линия вакуумного напыления (магнетронное напыление)

В первой камере печатная плата нагревается до определенной температуры, далее переходит во вторую камеру. Во второй камере имеется газ (аргон), за счёт чего создаётся плазма и происходит очистка печатной платы, далее плата отправляется в основную камеру, в которой так же имеется плазма и 4 мишени (одна с Cr, и 3 остальные с Cu).

Магнетронное напыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, не испытывающий столкновений, будет свободно ускоряться электрическим полем, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное – за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое – за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты (рис 2.11).

 

Рис 2.11. Оборудование вакуумного напыления

 

13) Химическая обработка

После химической обработки происходит наращивание меди. Медь наносится на поверхность отверстия до толщины 0,25мм. Это необходимо для надежного электрического соединения сторон и внутренних слоев платы.

Далее плата покрывается резистом (оловом), резист засвечивается через фотошаблон, засвеченные участки удаляются. Эти этапы аналогичны описанным ранее с одним отличием: резист удаляется с участков, где будет наносится медь. Следовательно, изображение на фотошаблоне должно быть позитивным. Этап совмещения фотошаблона и заготовки является ключевым в обеспечении совмещаемости.

Резист удаляется, оставляя оловянную смесь (припой) и нанесенную медь. Медь, покрытая припоем, выдержит процесс травления и образует собой рисунок платы.

Олово используется как резист для травления. Незащищенная медь удаляется, оставляя на плате рисунок будущей схемы.

Припой удаляется с поверхности меди и плата очищается.

14) Нанесение защитного покрытия

Для защиты поверхности платы, где в дальнейшем не потребуется пайка, наносится маска. Существует несколько типов масок и методов ее нанесения. Фоточувствительная маска наносится тем же способом, что и фоторезист и обеспечивает высокую точность процесса. Нанесение через трафарет не обладает такой точностью, но материал маски более пластичен, и стоимость процесса ниже.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

За основу эксперимента взята алюмооксидная технология. Новизна данной работы заключается в том, что поры печатной платы заполняют электролюминофором, затем наносят прозрачное покрытие, которое служит для глянца и ровной поверхности.

Технология нанесения люминофора включает в себя следующие процессы (рис 3.1.):

• Электролюминофор не растворяется и его замешивают в лак (основу). В качестве основы для добавления люминофора можно использовать любой лак, краску или другой жидкий состав для дерева, металла, минеральных поверхностей; лак для ногтей; акриловый порошок или гелиевая основа для наращивания ногтей; силиконовые компаунды или герметики; клей; различные масла и многое другое. Важно, чтобы в лаке не было УФ-фильтров, иначе послесвечения не будет.
• В идеале подложка, на которую наносится готовый состав, должна быть белой. Именно белый цвет служит лучшим отражателем, в результате чего эффект послесвечения будет наилучшим.
• После окраски лаком с электролюминофором поверхность будет «шершавой», т.к. частицы электролюминофора все-таки крупные. Поэтому для глянца и ровной поверхности нужно будет дополнительное прозрачное покрытие.