薄膜物理-CH6溶液镀膜法ppt课件

1、溶液镀膜技术溶液镀膜技术 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。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，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、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。表面途覆和装饰等方面得到广泛应用。 化学反应沉积化学反应沉积 Sol-Gel Sol-Gel技术技术 阳极氧化技术阳极氧化技术 电镀技术电镀技术 LB LB技术技术溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀

2、膜q 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。源电镀。q 化学镀膜与化学沉积镀膜的区别：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，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。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，化学沉积镀膜的还原反应是在整个溶液中均匀发生的，只有一部分金属在基片上形成薄膜，大部分形成粉粒沉

3、积物。只有一部分金属在基片上形成薄膜，大部分形成粉粒沉积物。溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜化学镀膜是在催化条件下的氧化还原过程。化学镀膜是在催化条件下的氧化还原过程。q 自催化自催化 催化剂是指能提供或激活化学反应，而本身又不发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。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。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。属本身的自催化作用完成镀膜过程。 通常所谓的化学镀

4、膜均是指自催化化学镀膜。通常所谓的化学镀膜均是指自催化化学镀膜。溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜q 自催化化学镀膜的优点自催化化学镀膜的优点可以在复杂形状表面形成薄膜；可以在复杂形状表面形成薄膜；薄膜的孔隙率较低；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可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非导体表面制备薄膜；膜；薄膜具有特殊的物理、化学性能；薄膜具有特殊的物理、化学性能；不需要电源，没有导电电极。不需要电源，没有导电电极。 广泛用于制备广泛用于制备Ni、Co、Fe、Cu、Pt、Pd、Ag、Au等等金属或合金薄膜。金属或合金薄膜。溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜 由于化

5、学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本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。面处理工艺。 目前，化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油目前，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。化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。 反应通式反应通式+n0M + ne() M 催化表面来自还原剂溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜q 化学镀镍化学镀镍 化学镀镍，又称无电解镀镍，是利用氧化还原反应，化学镀镍，又称无电解镀镍，是利用氧化

6、还原反应，在工件表面沉积出非晶态在工件表面沉积出非晶态Ni-P、Ni-P-B合金镀层的高新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。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；耐腐蚀性强，耐磨性好，表面硬度高； 耐高温、低电阻、可焊性好；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；形状复杂的内腔； 被镀材料广泛：可在钢、铜、铝、锌、塑料、尼龙、玻璃、被镀材料广泛：可在钢、铜、铝

7、、锌、塑料、尼龙、玻璃、橡胶、木材等材料上镀膜。橡胶、木材等材料上镀膜。溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜_2+2223H PO + H OHPO + H + 2H 表面催化2+Ni + 2HNi + 2H 22HH _222H PO + HH O + OH + P _2+2+2223Ni+ H PO +H OHPO + 3H + Ni 表面催化总反应式：总反应式：溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜化学镀设备Electroless plating equipment 溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜化学镀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

8、镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜q 多层多层PCB技术中的化学镀膜技术中的化学镀膜Layer 1 (Outer)Layer 6 (Outer)Layer 2 (Inner)Layer 3 (Inner)Layer 4 (Inner)Layer 5 (Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNER LAYERINNER LAYERCopperLaminate溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Drilling of Bonded PanelLayer 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5CopperLaminat

9、eDrilled Hole溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Electroless Copper ProcessAddition of Copper to all Exposed SurfacesLayer 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5CopperDrilled Hole溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Layer 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5Laminating and Imaging of External LayersUV sensitive film is laminated over

10、top and bottomsurfaces of PCBIt is then exposed and developed, leaving an exposed image of the PCB patternCopper溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Layer 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5Electro-plating Process 1Additional Copper to all Exposed SurfacesLaminated FilmPlate Additional Copper溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Lay

11、er 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5Electro-plating Process 2Add Tin over Exposed Copper AreasLaminated FilmAdditional CopperTin Plating溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Layer 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5Electro-plating Process 3Remove Laminated FilmLaminated Film RemovedTin Plating溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜

12、Etch Process - Remove Exposed CopperCopper RemovedTin PlatingLayer 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Layer 1Layer 6Layer 2Layer 3Layer 4Layer 5Tin Strip - Remove Tin PlatingTin Plating Removed溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜PCB is now complete except forsurface finishes and panel routingLa

13、yer 6Layer 1Via HoleSMD PadTracksTracks溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Solder Mask Application- Curtain Coated MethodLayer 6Layer 1Apply Liquid Photo-imageable Resist, then Dry溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Solder Mask ApplicationImage, Develop and CureLayer 6Layer 1UV Image, Develop and Cure溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Surface Fi

14、nish ProcessLayer 6Layer 1Apply Solder to Exposed Copper Areas溶液镀膜技术溶液镀膜技术化学镀膜化学镀膜Component NotationR34IC3SCL2 9624溶液镀膜技术溶液镀膜技术Sol-Gel技术技术q Sol-gel工艺原理工艺原理 Sol-Gel工艺广泛用于制备玻璃、陶瓷和超微结构复合工艺广泛用于制备玻璃、陶瓷和超微结构复合材料。材料。 采用金属醇盐或其它盐类作为原料，通常溶解在醇、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醚等有机溶剂中形成均匀溶液solution），该溶液经过水），

15、该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶解和缩聚反应形成溶胶sol），进一步聚合反应实现溶胶），进一步聚合反应实现溶胶-凝胶转变形成凝胶凝胶转变形成凝胶gel），在经过热处理脱除溶剂和水，），在经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。最后形成薄膜。溶液镀膜技术溶液镀膜技术Sol-Gel技术技术q Sol-gel 技术的优点技术的优点高度均匀性；高度均匀性；高纯度；高纯度；可降低烧结温度；可降低烧结温度；可制备非晶态薄膜；可制备非晶态薄膜；可制备特殊材料薄膜、纤维、粉体、多孔材料等）可制备特殊材料薄膜、纤维、粉体、多孔材料等）溶液镀膜技术溶液镀膜技术Sol-Gel技术技术q Sol-gel 技术的缺点技术

16、的缺点 原料价格高；原料价格高； 收缩率高，容易开裂；收缩率高，容易开裂； 存在残余微气孔；存在残余微气孔； 存在残余的羟基、碳等；存在残余的羟基、碳等； 有机溶剂有毒；有机溶剂有毒； 工艺周期较长。工艺周期较长。溶液镀膜技术溶液镀膜技术Sol-Gel技术技术q Sol-gel 技术制备薄膜的主要步骤技术制备薄膜的主要步骤 复合醇盐的制备；复合醇盐的制备； 成膜匀胶、浸渍提拉）；成膜匀胶、浸渍提拉）； 水解和聚合；水解和聚合； 枯燥；枯燥； 焙烧。焙烧。溶液镀膜技术溶液镀膜技术Sol-Gel技术技术q Sol-gel 反应的物理化学过程反应的物理化学过程 水解反应：水解反应：n2n-M(OR)

17、 + H O (RO)MOH + ROHxxx 式中，式中，M是金属原子，是金属原子，R是烷烃基。是烷烃基。 聚合反应：聚合反应：2MOH + HOM MOM + H O （水）MOH + ROM MOM + ROH （醇）溶液镀膜技术溶液镀膜技术Sol-Gel技术技术q Sol-gel 法制备薄膜实例法制备薄膜实例25424425Ti(OC H ) + 4H O H TiO + 4C H OH 4422120H TiO TiO 2H O 加热Sol-Gel技术制备技术制备TiO2薄膜：薄膜：25424425Si(OC H ) + 4H O H SiO + 4C H OH 4422120H S

18、iO SiO 2H O 加热Sol-Gel技术制备技术制备SiO2薄膜：薄膜：溶液镀膜技术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。的方法，称为阳极氧化技术。q 阳极氧化薄膜形成过程阳极氧化薄膜形成过程+2nM + nH O MO + 2nH + 2ne 2n+M M + 2ne +2n+n2MO + 2nH M + nH O 金属氧化：金属氧化：金属溶解：金属溶解：氧化物溶解：氧化

19、物溶解：溶液镀膜技术溶液镀膜技术阳极氧化技术阳极氧化技术 在薄膜形成初期，同时存在金属氧化和金属溶解反应。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。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。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

20、大约是的电场。此电场大约是7106V/cm。溶液镀膜技术溶液镀膜技术阳极氧化技术阳极氧化技术q 阳极氧化薄膜特点阳极氧化薄膜特点 采用阳极氧化法生成的氧化膜的结构、性质、色调随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。电解液的种类、电解条件的不同而变化。溶液镀膜技术溶液镀膜技术阳极氧化技术阳极氧化技术 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。附染料也可吸附气体。 化学性质稳定的

21、超硬薄膜耐磨损性强，用封孔处理法可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。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。利用着色法可以便膜具有装饰效果。q 阳极氧化技术在微电子领域中的应用阳极氧化技术在微电子领域中的应用 在电子学领域，在电子学领域，-族化合物半导体材料受到广泛重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。能器件。使器件表面钝化薄膜、氧化膜、绝缘膜等。溶液镀膜技术溶液

22、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直流电流，电镀是指在含有被镀金属离子的水溶液中通入直流电流，使正离子在阴极表面沉积，得到金属薄膜的工艺过程。使正离子在阴极表面沉积，得到金属薄膜的工艺过程。q 电镀系统的构成电镀系统的构成 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。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。响相关

23、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。常见的电解质均为各种盐或络合物的水溶液。溶液镀膜技术溶液镀膜技术电镀法电镀法q 电镀过程的基本原理电镀过程的基本原理 两个电极浸入电解液中，两个电极浸入电解液中，并连接外部直流电源；并连接外部直流电源； 如果金属如果金属A与电解液的组与电解液的组合适当，金属合适当，金属A将溶解，形将溶解，形成金属离子成金属离子A+； 在直流电流的驱动下，金在直流电流的驱动下，金属离子属离子A+迁移到迁移到B； 在基片在基片B，金属离子得到，金属离子得到电子被还原。电子被还原。AB溶液镀膜技术溶液镀膜技术电镀法电镀法q Faraday 定律镀层厚度

24、与时间和电流的关系）定律镀层厚度与时间和电流的关系） 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*Q m=K*I*T m=(M/nF)*(I(d)*S)*T p*v=m p*S*h=(M/nF)*(I(d)*S)*T p*h=(M

25、/nF)*I(d)*T h=(1/p)*(M/nF)*I(d)*T h=constant*I(d)*T溶液镀膜技术溶液镀膜技术电镀法电镀法q 电镀过程的特点电镀过程的特点 膜层缺陷：孔隙、裂纹、杂质污染、凹坑等；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；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限制电镀应用的最重要因素之一是拐角处镀层的形成；成； 在拐角或边缘电镀层厚度大约是中心厚度的两倍；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。多数被镀件是圆形，可降低上述效应的影响。溶液镀膜技术

26、溶液镀膜技术LB技术技术 Langmuir-Blodgett技术技术LB技术是指把液体表面的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到的有机薄膜称为LB薄膜。薄膜。 基本原理类似与表面活性剂。其分子具有两性基。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（亲水基：羧基（-COOH），醇基（），醇基（-OH等；等； 增水基：烷烃基，烯烃基，芳香烃基等；增水基：烷烃基，烯烃基，芳香烃基等；溶液镀膜技术溶液镀膜技术LB法制膜技术法制膜技术CH3CH2COOH亲水基亲水基亲油基亲油基水水溶液镀

27、膜技术溶液镀膜技术LB法制膜技术法制膜技术q 单分子层的转移单分子层的转移 根据薄膜分子在基片上的相对取向，根据薄膜分子在基片上的相对取向，LB薄膜可分为薄膜可分为X型、型、Y型、型、Z型三种类型。型三种类型。LB薄膜每层分子的亲油基指向基片表面薄膜每层分子的亲油基指向基片表面溶液镀膜技术溶液镀膜技术LB法制膜技术法制膜技术LB薄膜每层分子的亲水基指向基片表面薄膜每层分子的亲水基指向基片表面溶液镀膜技术溶液镀膜技术LB法制膜技术法制膜技术LB薄膜每层分子的亲水基与亲水基相连，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亲油基与亲油基相连溶液镀膜技术溶液镀膜技术LB法制膜技术法制膜技术q 制膜技术和装置制膜技术和装置 水槽水槽 刮膜板刮膜板 表面压传感器表面压传感器 提膜装置提膜装置溶液镀膜技术溶液镀膜技术LB法制膜技术法制膜技术q LB薄膜的特点薄膜的特点优点：优点： LB薄膜中分子有序定向排列，这是一个重薄膜中分子有序定向排列，这是一个重要特点；要特点； 很多材料都可以用很多材料都可以用LB技术成膜，技术