薄膜物理-CH6溶液镀膜法.ppt

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1、溶液镀膜技术,溶液镀膜是指在溶液中利用化学反应或电化学反应等化学方法在基片表面沉积薄膜的技术。溶液镀膜技术不需要真空条件，设备仪器简单，可在各种基体表面成膜，原料易得，在电子元器件、表面途覆和装饰等方面得到广泛应用。化学反应沉积 Sol-Gel技术 阳极氧化技术 电镀技术 LB技术,溶液镀膜技术化学镀膜,化学镀膜,化学镀膜,化学镀膜是指在还原剂的作用下，使金属盐中的金属离子还原成原子，在基片表面沉积的镀膜技术，又称无电源电镀。,化学镀膜与化学沉积镀膜的区别：,化学镀膜的还原反应必须在催化剂的作用下才能进行，且沉积反应只发生在基片表面上。化学沉积镀膜的还原反应是在整个溶液中均匀发生的，只有一部分

2、金属在基片上形成薄膜，大部分形成粉粒沉积物。,溶液镀膜技术化学镀膜,化学镀膜是在催化条件下的氧化还原过程。,自催化,催化剂是指能提供或激活化学反应，而本身又不发生化学变化的物质。自催化是指参与反应物或产物之一具有催化作用的反应过程。化学镀膜一般采用自催化化学镀膜机制，靠被镀金属本身的自催化作用完成镀膜过程。通常所谓的化学镀膜均是指自催化化学镀膜。,溶液镀膜技术化学镀膜,自催化化学镀膜的优点,可以在复杂形状表面形成薄膜；薄膜的孔隙率较低；可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非导体表面制备薄膜；薄膜具有特殊的物理、化学性能；不需要电源，没有导电电极。,广泛用于制备Ni、Co、Fe、Cu、Pt、Pd、Ag、A

3、u等金属或合金薄膜。,溶液镀膜技术化学镀膜,由于化学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代电镀，成为一种环保型的表面处理工艺。目前，化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。,反应通式,溶液镀膜技术化学镀膜,化学镀镍,化学镀镍，又称无电解镀镍，是利用氧化还原反应，在工件表面沉积出非晶态Ni-P、Ni-P-B合金镀层的高新表面处理技术，已在电子、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。,耐腐蚀性强，耐磨性好，表面硬度高；耐高温、低电阻、可焊性好；可镀形状复杂：工件形状不受限制，可处理较深的盲孔和形状复杂的内腔；被镀

4、材料广泛：可在钢、铜、铝、锌、塑料、尼龙、玻璃、橡胶、木材等材料上镀膜。,溶液镀膜技术化学镀膜,总反应式：,溶液镀膜技术化学镀膜,化学镀设备Electroless plating equipment,溶液镀膜技术化学镀膜,化学镀Ni-P-B活塞,化学镀Ni-P塑料模具,化学镀Ni-P铝质天线盒,溶液镀膜技术化学镀膜,多层PCB技术中的化学镀膜,溶液镀膜技术化学镀膜,Drilling of Bonded Panel,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5,CopperLaminate,Drilled Hole,溶液镀膜技术化学镀膜,Elec

5、troless Copper ProcessAddition of Copper to all Exposed Surfaces,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5,Copper,Drilled Hole,溶液镀膜技术化学镀膜,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5,Laminating and Imaging of External Layers,UV sensitive film is laminated over top and bottomsurfaces of PCBI

6、t is then exposed and developed,leaving an exposed image of the PCB pattern,Copper,溶液镀膜技术化学镀膜,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5,Electro-plating Process 1Additional Copper to all Exposed Surfaces,Laminated Film,Plate Additional Copper,溶液镀膜技术化学镀膜,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,L

7、ayer 5,Electro-plating Process 2Add Tin over Exposed Copper Areas,Laminated Film,Additional Copper,Tin Plating,溶液镀膜技术化学镀膜,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5,Electro-plating Process 3Remove Laminated Film,Laminated Film Removed,Tin Plating,溶液镀膜技术化学镀膜,Etch Process-Remove Exposed Copper,Co

8、pper Removed,Tin Plating,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5,溶液镀膜技术化学镀膜,Layer 1,Layer 6,Layer 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5,Tin Strip-Remove Tin Plating,Tin Plating Removed,溶液镀膜技术化学镀膜,PCB is now complete except forsurface finishes and panel routing,Layer 6,Layer 1,Via Hole,SMD Pad,Tracks,Tra

9、cks,溶液镀膜技术化学镀膜,Solder Mask Application-Curtain Coated Method,Layer 6,Layer 1,Apply Liquid Photo-imageable Resist,then Dry,溶液镀膜技术化学镀膜,Solder Mask ApplicationImage,Develop and Cure,Layer 6,Layer 1,UV Image,Develop and Cure,溶液镀膜技术化学镀膜,Surface Finish Process,Layer 6,Layer 1,Apply Solder to Exposed Coppe

10、r Areas,溶液镀膜技术化学镀膜,Component Notation,SCL2 9624,溶液镀膜技术Sol-Gel技术,溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术,Sol-gel工艺原理,Sol-Gel工艺广泛用于制备玻璃、陶瓷和超微结构复合材料。采用金属醇盐或其它盐类作为原料，通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀溶液（solution），该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（sol），进一步聚合反应实现溶胶-凝胶转变形成凝胶（gel），在经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。,溶液镀膜技术Sol-Gel技术,Sol-gel 技术的优点,高度均匀性；高纯度；可降低烧结温度；可制备非晶态薄膜；可制备特

11、殊材料（薄膜、纤维、粉体、多孔材料等）,溶液镀膜技术Sol-Gel技术,Sol-gel 技术的缺点,原料价格高；收缩率高，容易开裂；存在残余微气孔；存在残余的羟基、碳等；有机溶剂有毒；工艺周期较长。,溶液镀膜技术Sol-Gel技术,Sol-gel 技术制备薄膜的主要步骤,复合醇盐的制备；成膜（匀胶、浸渍提拉）；水解和聚合；干燥；焙烧。,溶液镀膜技术Sol-Gel技术,Sol-gel 反应的物理化学过程,水解反应：,式中，M是金属原子，R是烷烃基。,聚合反应：,溶液镀膜技术Sol-Gel技术,Sol-gel 法制备薄膜实例,Sol-Gel技术制备TiO2薄膜：,Sol-Gel技术制备SiO2薄膜

12、：,溶液镀膜技术阳极氧化技术,阳极氧化技术,金属或合金在适当的电解液中作为阳极，并施加一定的直流电压，由于电化学反应在阳极表面形成氧化物薄膜的方法，称为阳极氧化技术。,阳极氧化薄膜形成过程,金属氧化：,金属溶解：,氧化物溶解：,溶液镀膜技术阳极氧化技术,在薄膜形成初期，同时存在金属氧化和金属溶解反应。溶解反应产生水合金属离子，生成由氢氧化物或氧化物组成的胶态状沉淀氧化物。氧化膜镀覆后，金属活化溶解停止，持续氧化反应是金属离子和电子穿过绝缘性氧化物在膜表面形成氧化物。为持续由离子移动而构成的薄膜生长，需要一定强度的电场。此电场大约是7106V/cm。,溶液镀膜技术阳极氧化技术,阳极氧化薄膜特点,

13、采用阳极氧化法生成的氧化膜的结构、性质、色调随电解液的种类、电解条件的不同而变化。,溶液镀膜技术阳极氧化技术,用阳极氧化法得到的氧化物薄膜大多是无定形结构。由于多孔性使得表面积特别大，所以显示明显的活性，既可吸附染料也可吸附气体。化学性质稳定的超硬薄膜耐磨损性强，用封孔处理法可将孔隙塞住，使薄膜具有更好耐蚀性和绝缘性。利用着色法可以便膜具有装饰效果。,阳极氧化技术在微电子领域中的应用,在电子学领域，-族化合物半导体材料受到广泛重视。这是因为它具有硅材料不具备的性能，并可制取特殊功能器件。使器件表面钝化薄膜、氧化膜、绝缘膜等。,溶液镀膜技术电镀法,电镀法,电镀是指在含有被镀金属离子的水溶液中通入

14、直流电流，使正离子在阴极表面沉积，得到金属薄膜的工艺过程。,电镀系统的构成,电解池的正极，即阳极，一般情况下由钛构成的，钛的上面有一层铂，以达到更好的导电效果。准备电镀的部件（基片）为负极。这里，关键的因素是电解质及电解液，它的组成会影响相关的化学反应和电镀效果。常见的电解质均为各种盐或络合物的水溶液。,溶液镀膜技术电镀法,电镀过程的基本原理,两个电极浸入电解液中，并连接外部直流电源；如果金属A与电解液的组合适当，金属A将溶解，形成金属离子A+；在直流电流的驱动下，金属离子A+迁移到B；在基片B，金属离子得到电子被还原。,溶液镀膜技术电镀法,Faraday 定律（镀层厚度与时间和电流的关系）,

15、Definitions m:coating metal weight p:metal density;T:plating time;M:metal atomic weight n:valence of metal ions;F:Faraday Constant;I(d):current density;S:coating area;h:coating thickness;,m=K*Qm=K*I*Tm=(M/nF)*(I(d)*S)*Tp*v=mp*S*h=(M/nF)*(I(d)*S)*Tp*h=(M/nF)*I(d)*Th=(1/p)*(M/nF)*I(d)*Th=constant*I(d)

16、*T,溶液镀膜技术电镀法,电镀过程的特点,膜层缺陷：孔隙、裂纹、杂质污染、凹坑等；上述缺陷可以由电镀工艺条件控制；限制电镀应用的最重要因素之一是拐角处镀层的形成；在拐角或边缘电镀层厚度大约是中心厚度的两倍；多数被镀件是圆形，可降低上述效应的影响。,溶液镀膜技术LB技术,Langmuir-Blodgett技术,Langmuir-Blodgett技术（LB技术）是指把液体表面的有机单分子膜转移到固体衬底表面上的一种成膜技术。得到的有机薄膜称为LB薄膜。,基本原理类似与表面活性剂。其分子具有两性基。亲水基：羧基（-COOH），醇基（-OH）等；增水基：烷烃基，烯烃基，芳香烃基等；,溶液镀膜技术LB法

17、制膜技术,溶液镀膜技术LB法制膜技术,单分子层的转移,根据薄膜分子在基片上的相对取向，LB薄膜可分为X型、Y型、Z型三种类型。,LB薄膜每层分子的亲油基指向基片表面,溶液镀膜技术LB法制膜技术,LB薄膜每层分子的亲水基指向基片表面,溶液镀膜技术LB法制膜技术,LB薄膜每层分子的亲水基与亲水基相连，亲油基与亲油基相连,溶液镀膜技术LB法制膜技术,制膜技术和装置,水槽 刮膜板 表面压传感器 提膜装置,溶液镀膜技术LB法制膜技术,LB薄膜的特点,优点：,LB薄膜中分子有序定向排列，这是一个重要特点；很多材料都可以用LB技术成膜，LB膜有单分子层组成，它的厚度取决于分子大小和分子的层数；通过严格控制条

18、件，可以得到均匀、致密和缺陷密度很低的LB薄膜；设备简单，操作方便。,溶液镀膜技术LB法制膜技术,缺点：,成膜效率低，LB薄膜均为有机薄膜，包含了有机材料的弱点；LB薄膜厚度很薄，在薄膜表征手段方面难度较大。,溶液镀膜技术LB法制膜技术,LB薄膜的应用,LB技术可以把一些具有特定功能的有机分子或生物分子有序定向排列，使之形成某一特殊功能的超薄膜，如有机绝缘薄膜、非线性光学薄膜、光电薄膜、有机导电薄膜等。它们有可能在微电子学、集成光学、分子电子学、微刻蚀技术以及生物技术中得到广泛应用。,LB薄膜电子束敏感抗蚀层有可能成为超高分辨率微细加工技术的一个发展方向。有机非线性光学材料具有非线性极化效率高，不易被激光损伤，制备方便等特点，LB技术为有机非线性材料应用提供了重要途径。,溶液镀膜技术习题和思考题,什么是化学镀？它与化学沉积镀膜的区别？自催化镀膜的特点？Sol-Gel镀膜技术的特点和主要 过程？阳极氧化镀膜和电镀的原理和特点？什么是LB技术？LB薄膜的种类？LB薄膜的特点？,