1.4. Общие сведения о методе получения гальванических покрытий. Состав электролитов никелирования, меднения и золочения

Исследуемые гальванические пленки металлов можно получать из сульфаминовокислого электролита никелирования, пирофосфатного электролита меднения и фосфатного электролита золочения.

Для получения гальванических покрытий выделяют металлы из растворов их солей под действием электрического тока. Принципиальная схема гальванической установки представлена на рисунке 2.1.

Анод (1) и катод (4 и 5) подключают к источнику постоянного тока к положительному и отрицательному выводам соответственно. При включении внешнего источника постоянного тока металл на аноде окисляется (становится катионом), приобретая положительный заряд [17].

Рис 2.1. Принципиальная схема гальванической установки

Катионы металла реагируют с анионами кислоты в водном растворе электролита (2), после чего металл осаждается на катоде. Для того, чтобы продукты окисления анионов не внедряли нежелательные примеси и для улучшения структуры гальванического покрытия в состав элетролита вводят поверхностно-активные вещества, например, при никелировании в сульфаминовокислом электролите применяют лаурилсульфат натрия, при золочении в фосфатном электролите – талий азотнокислый, а при меднении в пирофосфатном электролите – калий азотнокислый.

Отличительной чертой процессов осаждения никеля, меди и золота является их высокая чувствительность к pH.

1. Никель. При высокой кислотности pH<2.5 в процессе никелирования в сульфаминовокислом электролите интенсифицируется параллельный процесс выделения водорода, в результате чего снижается выход по току, а покрытия наводораживаются. Напротив, при pH>5.6 в прикатодном слое, особенно в случае повышенной плотности тока, выпадают основные соли никеля, которые сильно ухудшают свойства покрытий. Именно по этой причине электролиты никелирования обязательно содержат буферирующие добавки (например, борную кислоту), т.е. добавки таких веществ, которые не позволяют сильно измениться pH [9,17,18].

Таблица 2.1. Состав сульфаминовокислого электролита никелирования в объеме 1л. (кислотность pH = 2.0..4.0)

Деионизованная вода	до 0.5 л
Сульфаминовокислый никель, Ni (NH2 SO3)3	до 350 г/л
Никель двухлористый, NiCl2 6H20	до 30 г/л
Кислота борная, H3BO3	до 40 г/л
Лаурилсульфат натрия, CH3(CH2)11OSO3Na	до 0.1 г/л

Известно также, что показатель кислотности электролита pH влияет на физико-механические характеристики гальванических пленок. Твердость, пределы прочности и текучести возрастают с увеличением pH [9,18]. Кислотность pH сульфаминовокислого электролита никелирования можно варьировать в широком диапазоне от 1,0 до 6,0, получая при этом покрытия с различными механическими характеристиками. Таким образом, твердость гальванического никеля HV может изменяться от 1,3 до 5,0 ГПа, а напряжения σ в осадке меняются в пределах 0,3..1,4 ГПа [18]. Никель может применяться для обеспечения требуемой жесткости конструкции в широком диапазоне.

Золото и медь значительно уступают никелю по твердости, но превосходят по электрофизическим характеристикам.

Гальваническая медь содержит повышенное число примесей и дефектов по сравнению с медью, находящейся в равновесном состоянии [9].

Таблица 2.2. Состав пирофосфатного электролита меднения в объеме 1л.

(кислотность pH = 6.0)

1. Деионизованная вода	До 0.5 л
2. Аммоний фосфорнокислый однозамещенный NH4H2PO4	До 40 г/л
3. Аммоний фосфорнокислый двузамещенный (NH4)2HPO4	До 80 г/л
4. Таллий азотноксилый NO3Tl	До 0.2 г/л

Осадки меди характеризуются текстурой [9], направление которой зависит от природы и состава электролита (пирофосфатный электролит [111]). Медь обладает сравнительно хорошей адгезией, проводимостью и может применяться для передачи сигналов высокой частоты.

Гальваническое золото обладает относительно высокой тепло- и электропроводностью при воздействии атмосферы и агрессивных сред.

Таблица 2.3. Состав пирофосфатного электролита меднения в объеме 1л.

(кислотность pH = 6.0)

1. Деионизованная вода	До 0.5 л
2. Медь II сернокислая CuSO4	До 100 г/л
3. Калий фосфорнокислый K2HPO4	До 350 г/л
4. Калий азотноксилый KNO3	До 10 г/л
5. Аммиак водный NH3 – H2O	До 3 мл/л

Достоинства золотых покрытий – высокая отражательная способность и пластичность, постоянство электрических параметров (электропроводность, переходное электрическое сопротивление, термоэдс и др.). Тонкие пленки золота, полученные химическим способом пропускают видимые лучи и отражают ИК-лучи и радиоволны. Способность их к отражению ИК волн близка к 100% [9], поэтому золотые покрытия используются в приложениях, требующих высокую электропроводность и отражающую способность.

Так как гальванические пленки никеля, меди и золота сильно различаются по свойствам, изготовление слоистых, а не однослойных, покрытий является целесообразным. Гальванические пленки меди и золота можно использовать в качестве функциональных слоев для получения покрытий с высокими электрофизическими характеристиками, и никеля – в качестве барьерного слоя, препятствующего диффузии золота в медь, а также для обеспечения требуемой прочности и жесткости на изгиб без дополнительных конструктивных изменений.

Таким образом:

1. Проведен анализ принципа действия исполнителных элементов УМСТ на примере подвижных элементов микрореле: рассмотрены явления, протекающие в исполнительных элементах в процессе работы, представлены основные типы конструкции и приведены примеры их практического применения (ссылки на патенты). Показано, что конструктивные особенности подвижных элементов микрореле позволяют:

1. Снизить потребление энергии в процессе переключения, а, следовательно, и вносимые энергопотери.

2. Обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях.

3. Получить добротность того же порядка, что и у существующих аналогов, таких как диод Шотки, MOSFET, PIN-диод.

2. Рассмотрены особенности технологии изготовления исполнительных элементов. Показано, что микросистемы, изготовленные по поверхностной технологии обладают преимуществами по сравнению с микроустройствами, изготовленными по объемной технологии – низкая себестоимость и высокая производительность.

3. Дана классификация материалов, применяемых при поверхностной микрообработки кремния, перечислены основные технологические операции в процессе формирования подвижных элементов. Показано, что материалы, применяемые для построения микроструктур, должны выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устой­чивыми к пластическим деформациям (порядка 0,1 ГПа), обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими.

4. Показано, что свойства УМСТ зависят не только от типа конструкций, но и от технологии изготовления. Процесс изготовления микрореле может насчитывать более полусотни операций. Некоторые операции могут накладывать технологические ограничения на изготовления исполнительных элементов, а принцип работы и свойства материалов – физические ограничения на устройство в целом.

5. Рассмотрены физико-технологические ограничения при изготовлении микромеханических реле: скорость переключения, напряжение срабатывания исполнительного механизма; ограничения, вносимые механическими и физико-химическими свойствами материалов; а также проблема залипания электродов.

6. Сформулированы рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений: снижение массы подвижного элемента – для увеличения скорости переключения микрореле; уменьшение зазора между исполнительным механизмом и нижним электродом, а также уменьшение упругости структуры – для снижения напряжения срабатывания микрореле.

7. Для устранения целого ряда физико-технологических ограничений рекомендуем изготавливать основной элемент конструкции исполнительного механизма (подвижный элемент) с помощью многоуровневой поверхностной технологии с нанесением металла гальваническим способом – это помогает решить проблему гистерезиса и позволяет получить покрытия с требуемыми механическими и физико-химическими свойствами.

В этой связи, одной из основных задач при проектировании микрореле является исследование режимов гальванического осаждения, которое можно осуществить экспериментально путем подбора параметров осаждения согласно данным теории гальванического осаждения. Другой важной задачей является исследование морфологии поверхностей, полученных методом гальванического осаждения, с целью предотвращения залипания контактов, а также – исследование характеристик конструкции – изгибной жесткости и деформации при внешних нагрузках.