Разработка высокотемпературных сплавов для соединения систем AIN-металл на основе экспериментального изучения и физико-химического моделирования межфазных границ

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

На основе системы неполяризованных ионных радиусов (СНИР) Э. В. Приходько впервые разработана универсальная модель, позволяющая определить значение краевого угла смачивания различных сплавов на нитриде алюминия, как в случае наличия, так и при отсутствии химической реакции на межфазной границе, приводящей к формированию новой фазы. Было выведено единое уравнение, которое с корреляцией 0.83… Читать ещё >

Содержание

Глава I. Теоретические и экспериментальные исследования межфазной поверхностной энергии на границе раздела жидкость — пар, твердая фаза — пар и твердая фаза — расплав
- 1. 1. Основные теоретические уравнения теории смачивания
  - 1. 1. 1. Основные термодинамические соотношения явления смачивания
    - 1. 1. 1. 1. Поверхностное натяжение
    - 1. 1. 1. 2. Уравнение Юнга
- 1. 2. Явление смачивания в системах при отсутствии химического взаимодействия на межфазной границе
- 1. 3. Явление смачивания в системах, сопровождающееся химическое реакцией на межфазной границе
  - 1. 3. 1. Смачивание, сопровождающееся растворением твердой фазы в жидкой
    - 1. 3. 1. 1. Смачивание, сопровождающееся интенсивным растворением твердой фазы в жидкой
    - 1. 3. 1. 2. Растворение твердой фазы в жидкой, приводящее к изменению поверхностной и межфазной энергии
  - 1. 3. 2. Смачивание, сопровождающееся формированием новой фазы на межфазной границе
  1.3.2.1. Движущая сила реакционного смачивания а) Продукт реакции лучше смачиваем, чем первоначальная подложка б) Формирование менее смачиваемой прослойки на межфазной границе, чем первоначальная подложка
  I.3.2.2. Основные теоретические модели, описывающие процесс реакционного смачивания а) Растекание капель, контролируемое химической реакцией б) Растекание капель, лимитированное диффузией активного элемента в жидкой фазе
  I.5. Выводы к главе I.
  Глава II. Аппаратура и методики измерения основных характеристик явления смачивания при высоких температурах.
  II.1. Методы определения основных поверхностных свойств расплавов. 47 II. 1.1. Метод лежачей капли.
  II. 1.1.1. Метод наносимой капли 53 II. 1.1.2. Метод переносимой капли 54 II. 1.1.3. Влияние шероховатости поверхности на определение краевого угла смачивания.
  II.2. Экспериментальная установка для исследования профиля капли. Оценка погрешности измерения. 57 И.З. Физико-химические свойства нитрида алюминия и основные экспериментальные результаты по его смачиванию различными металлами и сплавами.
  II.3.1. Физико-химические свойства нитрида алюминия и его получение 62 II.3.1. Экспериментальные результаты по смачиванию нитрида алюминия жидкими металлами и сплавами.
  II.4. Требования, предъявляемые к чистоте исследуемых материалов. Методика их подготовки к исследованиям.
  11.4.1. Выбор и приготовление подложек для исследования их на смачиваемость.
  11.4.2. Используемые сплавы. 79 И.5. Методика исследования структуры и строения межфазной границы кристалл — расплав.
  II.6. Выводы к главе II.
  Глава III. Экспериментальные исследования реакционного смачивания в системе AlN-металл.
  III. 1. Исследование смачивания подложки A1N сплавами Ag-Zr.
  111.2. Исследование смачивания подложки A1N сплавами Ag-Ti.
  111.3. Исследование смачивания A1N сплавами Ni-3.1Fe-7.8Cr-15Ti, Ni-3.1Feф 7.8Cr-12Si и Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%).
  111.3.1. Термодинамическое описание системы Ni-Si-Ti.
  111.3.2. Смачивание A1N сплавами Ni-3.1Fe-7.8Cr-15Ti, Ni-3.1Fe-7.8Cr-12Si и Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%).
  111.4. Влияние отжига A1N на его смачивание сплавами Ni-3.1Fe-7.8Cr -12Si
  4.5Ti (ат.%) и Ag-3aT.%Zr.
  111.4.1. Смачивание отожженного нитрида алюминия сплавом Ni-3.1Fe
  7.8Cr -12Si-4.5Ti (ат.%).
  111.4.2. Смачивание отожженного нитрида алюминия сплавом Ag-3aT.%Zr.
  111.5. Смачивание A1N сплавом Ni-3.lFe-7.8Cr-8.8Zr (ат.%).
  111.6. Выводы к главе III.
  Глава IV. Теоретическое моделирование физико-химического взаимодействия исследуемых жидкостей на межфазных границах расплав-пар и расплав-AlN.
  IV. 1. Метод неполяризованных ионных радиусов (СНИР). 144 IV.2. Применение метода СНИР для оценки и уточнения данных о поверхностном натяжении простых веществ.
  IV.3. Оценка поверхностного натяжения изучаемых сплавов.
  IV.3.1. Система Ag-Zr.
  IV.3.2. Система Ag-Ti.
  IV.3.3. Система Ni-Ti.
  IV.3.4. Система Ni-Si.
  IV.3.5. Система Si-Ti.
  IV.3.6. Система Ni-Si-Ti. 187 IV.4. Применение метода СНИР для оценки и прогнозирования смачиваемости' нитрида алюминия металлическими расплавами.
  IV.4.1. Сплавы системы Ag-Zr.
  IV.4.2. Сплавы системы Ag-Ti.
  IV.4.3. Сплавы системы NiFeCrSi-Ti.
  IV.5. Выводы к главе IV.

Разработка высокотемпературных сплавов для соединения систем AIN-металл на основе экспериментального изучения и физико-химического моделирования межфазных границ (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность работы.

Работа посвящена изучению процесса смачивания нитрида алюминия жидкими металлами и сплавами. Эта задача достаточно актуальна для многих областей науки и техники.

Соединение металла и полупроводниковой подложки является ключевой задачей в технологии производства электронных схем. В настоящее время технический прогресс требует увеличения емкости тоководов в микросхемах для увеличения скорости переноса заряда и при этом уменьшения их размеров, что неизбежно приводит к увеличению количества теплоты, высвобождаемого при прохождении электрического тока. Это высвобождаемое количество теплоты порядка 300 Вт/см2. Для охлаждения модулей интегральных схем применяются различные технологические решения, базирующиеся, в основном, на охлаждении при помощи циркуляции жидкости, однако, эти решения обычно являются дорогостоящими, и, как правило, имеют большие габаритные размеры. В течение последних лет электронная промышленность использует термоэлектрические материалы для охлаждения интегральных схем и компьютеров. Таким перспективным материалом является нитрид алюминия, теплопроводность которого составляет 170−200 Вт/м-К при комнатной температуре. Использование нитрида алюминия вместо его оксида для изготовления подложек интегральных схем позволяет увеличить степень отвода тепла, поскольку теплопроводность оксида алюминия является недостаточной и составляет порядка 25 Вт/м-К. Технология надежного соединения нитрида алюминия с металлами, обладающими высокой электропроводностью, отсутствует.

В авиационной промышленности нитрид алюминия используется для создания композиционных материалов, обладающих высокими механическими свойствами при повышенных температурах, а в атомной промышленности — в качестве антикоррозионного материала. На данный момент, особо актуален вопрос о соединениях нитрида алюминия с металлическими материалами, которые способны выдерживать высокие температуры и работать в коррозионных средах, поскольку, обладая вышеприведенными свойствами, нитрид алюминия способен не только выдерживать высокие температурные нагрузки, но и является, благодаря своим химическим свойствам, антикоррозионным барьером, защищающим соединенные с ним металлические и керамические материалы.

Возможность соединения систем AlN-металл определяется, как поверхностными явлениями на границе раздела, так и свойствами самой границы, а также, естественно, и рабочей температурой системы, однако, до настоящего времени эти вопросы изучены недостаточно полно.

Цель работы.

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное изучение процесса смачивания нитрида алюминия высокотемпературными металлическими расплавами для получения прочных межфазных границ, выдерживающих высокие термомеханические напряжения, возникающие при охлаждении.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :

• Модернизация экспериментальной установки по измерению краевого угла смачивания. Создание системы автоматического прецизионного измерения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания по компьютерному изображению профиля капли, позволяющей регистрировать кинетику процесса.

• Анализ процесса смачивания подложек нитрида алюминия различными металлическими расплавами.

• Изучение влияния активных добавок Ti и Zr на смачивание подложки нитрида алюминия расплавами серебра и никеля.

• Изучение влияния концентрации Ti и Zr в расплавах Ag и Ni на реакционную способность расплавов с подложкой нитрида алюминия.

• Разработка модели для прогнозирования величин поверхностного натяжения различных сплавов, а также величин краевого угла смачивания нитрида алюминия различными металлическими расплавами.

Научная новизна работы заключается в следующем :

• Создана экспериментальная установка, позволяющая в высоком вакууме проводить автоматические измерения поверхностного натяжения (с точностью ±2%) и краевого угла смачивания (с точностью ±2°) по компьютерному изображению профиля капли в процессе ее растекания по подложке.

• Впервые проведены экспериментальные исследования процесса смачивания нитрида алюминия расплавами серебра и никеля с добавлением таких активных элементов, как Ti и Zr. Показана возможность существенного улучшения смачивания A1N при помощи ввода в не смачивающие его расплавы Ag или Ni менее 5 ат.% Ti или Zr, приводящих к снижению краевого угла смачивания с величины 0>9О° до 0=25−50°.

Впервые, для каждой системы дана физико-химическая интерпретация процесса растекания капли по подложке нитрида алюминия, который проходит в несколько этапов. Первый этап обычно связан с адгезией активного элемента на межфазной границе с подложкой A1N и ее очисткой от всегда присутствующего слоя оксинитрида алюминия толщиной в несколько десятков нанометров. На последующих этапах смачивания происходит химическая реакция на межфазной границе с подложкой A1N, приводящая к образованию новой фазы, и изменение стехиометрии последней.

Показано, что химический состав образующегося продукта реакции на межфазной границе определяется диаграммой состояния и кинетикой процесса смачивания. Показано, что в системах Ag-Zr/A1N и Ag-Ti/A1N поверхностный слой оксинитрида алюминия не оказывает влияния на процесс смачивания, а в системе Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) / A1N кинетика реакционного смачивания контролируется кинетикой растворения поверхностного слоя оксинитрида алюминия в расплаве. Небольшое количество кислорода (< 0.17 вес.%), содержащееся в спеченных A1N подложках, имеет огромное влияние на смачивание и реакционную способность сплава Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) на A1N.

На основе системы неполяризованных ионных радиусов Э. В. Приходько (СНИР) разработана модель, позволяющая определить значение краевого угла смачивания различных сплавов на нитриде алюминия, как в случае наличия, так и при отсутствии химической реакции на межфазной границе, приводящей к формированию новой фазы. Такое моделирование позволяет предсказывать поведение того или иного сплава на той или иной подложке и сразу определять системы с хорошими характеристиками смачивания (0<6О°), которые используются для получения соединений с прочными межфазными характеристиками при помощи пайки. Разработанная методика расчета была использована для оценки достоверности имеющихся экспериментальных данных по поверхностному натяжению простых веществ и для расчета поверхностного натяжения изучаемых в данной работе сплавов. Рассчитанные по данной модели значения поверхностного натяжения и краевых углов смачивания адекватны имеющимся литературным данным и коррелируют с ними (для краевого угла смачивания степень корреляции с литературными данными 0.83, а с нашими экспериментальными данными — 0.93).

Практическая значимость работы заключается в следующем :

• Использованный метод моделирования характеристик смачивания подложек различными расплавами позволяет по параметрам электронной структуры реагирующих компонентов и продуктов реакции определить поведение любого сплава на выбранной подложке или фазовой прослойке. Такой подход позволяет расчетным путем подобрать составы с требуемыми характеристиками смачивания (9<60°).

• Изучение процесса смачивания в системах AlN-металл позволило разработать высокотемпературные припои систем Ag-Zr и NiFeCrSi-Ti: (Ag-0.5aT.%Zr, Ag-laT.%Zr, Ni-3.1Fe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%)). Получены соединения сплавов Ag-Zr и Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) с подложкой A1N, обладающие хорошими физико-химическими свойствами: тонкий и стабильный во времени промежуточный слой новой фазы, и механическими свойствами: межфазная граница выдерживает термомеханические напряжения более 1.5 ГПа, возникающие при охлаждении.

Научные положения, выносимые на защиту :

1. Экспериментальная установка, позволяющая в высоком вакууме проводить автоматические измерения поверхностного натяжения (с точностью ±2%) и краевого угла смачивания (с точностью ±2°) по компьютерному изображению профиля капли в процессе ее растекания по подложке.

2. Результаты экспериментальных исследований процесса смачивания сплавов Ag-Zr (0.5- 1- 3 aT.%Zr), Ag-Ti (0.5- 3 aT.%Ti), Ni-3.1Fe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%), Ni-3.1Fe-7.8Cr-8.8Zr (ат.%) на подложке нитрида алюминия.

3. Закономерности растекания сплавов вышеперечисленных систем на нитриде алюминияих связь с типом и структурой продукта реакции на межфазной границе.

4. Влияние температурной обработки A1N на процесс смачивания в системе Ni-3.1Fe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) /A1N.

5. Физико-химическое моделирование поверхностного натяжения и краевого угла смачивания.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на:

1. Десятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика 2003», Москва, МИЭТ, 23,24 апреля 2003 г.

2. Одиннадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика 2004», Москва, МИЭТ, 21−23 апреля, 2004 г.

3. Научный семинар «Химическая связь и физика конденсированных сред», руководитель семинара академик НАНБ Сирота Н. Н., Москва, ИОНХ РАН, 27 января 2004 г.

4. 58 научная конференция студентов, Москва, МИСиС, апрель 2003 г.

5. 59 научная конференция студентов, Москва, МИСиС, апрель 2004 г.

6. 4th International Conference «High Temperature Capillarity HTC 2004», Sanremo (IM), Italy, 31 March — 3 April 2004.

7. International Workshop High-Temperature Superconductors and Novel Inorganic Materials Engineering, MSU-HTSC VII, Moscow, MSU, 20−25 June 2004.

8. Discussion meeting on thermodynamics of alloys TOFA 2004, Vienna, Austria, 12−17 September 2004.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи (1 в журнале «Scripta Materialia», 1 в журнале «Неорганические материалы», 1 в журнале «Mendeleev Communications»), 2 статьи находятся в печати в журналах «Monatshefte fur Chemie / Chemical Monthly» и «Известия вузов, материалы электронной техники».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела «Общие выводы» и списка использованной литературы, включающего 225 наименований. Работа изложена на 218 страницах машинописного текста, включая 31 таблицу и 107 рисунков.

V. Общие выводы по диссертации.

1. Разработаны высокотемпературные сплавы для соединения систем AlN-металл на основе экспериментального изучения и физико-химического моделирования межфазных границ.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая в высоком вакууме проводить автоматические измерения поверхностного натяжения (с точностью ±2%) и краевого угла смачивания (с точностью ±2°) по компьютерному изображению профиля капли в процессе ее растекания по подложке.

3. Экспериментально получены закономерности реакционного смачивания в системах Ag-Zr/A1N, Ag-Ti/A1N, NiFeCrSi-Ti/AIN и NiFeCr-Zr/AlN.

4. Установлено, что сплавы серебра и никеля с активными добавками Ti и Zr в большинстве случаев хорошо смачивают нитрид алюминия вследствие химической реакции на межфазной границе, приводящей к формированию новой фазы нитрида Ti или Zr, имеющего существенно большую долю металлических связей и лучше смачиваемого, чем изначальная подложка A1N.

Введение

в не смачивающие A1N расплавы Ag или Ni менее 5 ат.% Ti или Zr, приводит к снижению краевого угла смачивания с величины 9>90° до 9=25−50°.

5. Показано, что растекание капли по подложке нитрида алюминия происходит в несколько этапов. Первый этап обычно связан с адгезией активного элемента на межфазной границе с подложкой A1N и ее очисткой от всегда присутствующего слоя оксинитрида алюминия толщиной в несколько десятков нанометров. На втором этапе смачивания происходит химическая реакция на межфазной границе с подложкой A1N, приводящая к образованию новой фазы, а далее — изменение стехиометрического состава последней.

6. Установлено, что химический состав образующегося продукта реакции на межфазной границе определяется диаграммой состояния и кинетикой процесса смачивания.

7. Реакционная способность вышеприведенных сплавов с A1N определяется термодинамической активностью Ti и Zr в расплаве и морфологией образования продукта реакции на межфазной границе.

8. Показано, что в системах Ag-Zr/A1N и Ag-Ti/A1N поверхностный слой оксинитрида алюминия не оказывает влияния на процесс смачивания, а в системе Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) / A1N процесс реакционного смачивания контролируется растворением поверхностного слоя оксинитрида алюминия в расплаве. Небольшое количество кислорода (< 0.17 вес.%), содержащееся в спеченных A1N подложках, имеет огромное влияние на процесс смачивания и реакционную способность сплава Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) на A1N.

9. Отжиг нитрида алюминия в вакууме сильно улучшает его смачиваемость сплавом Ni-3Fe-7Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) за счет удаления кислорода подложки, что приводит к увеличению скорости растекания сплава, которая лимитируется скоростью химической реакции образования нитрида титана на границе раздела Т-Ж-П.

10. На основе периодического закона Д. И. Менделеева по методу СНИР была оценена достоверность опытных данных по поверхностному натяжению простых веществ, предсказаны значения поверхностного натяжения элементов периодической системы, для которых они неизвестны. Впервые построена полная периодическая зависимость коэффициента поверхностного натяжения от порядкового номера элемента. Достоверность прогнозируемых значений была оценена с точки зрения выполнения фундаментальных теоретических соотношений для поверхностных явлений.

11. Проведен теоретический расчет коэффициента поверхностного натяжения исследуемых сплавов двойных систем Ag-Zr и Ag-Ti и тройной системы Ni-Si-Ti.

12. На основе системы неполяризованных ионных радиусов (СНИР) Э. В. Приходько впервые разработана универсальная модель, позволяющая определить значение краевого угла смачивания различных сплавов на нитриде алюминия, как в случае наличия, так и при отсутствии химической реакции на межфазной границе, приводящей к формированию новой фазы. Было выведено единое уравнение, которое с корреляцией 0.83 позволяет описать известные экспериментальные результаты по смачиванию A1N, полученные в условиях высокой чистоты. При расчете учитывался химический состав образующегося промежуточного слоя, а также степень отклонения его от стехиометрии. Результаты расчета хорошо коррелируют с нашими экспериментальными данными (коэффициент корреляции не ниже 0.93) и показывают, что в системе Ni-3.lFe-7.8Cr-12Si-4.5Ti (ат.%) / A1N изменение стехиометрии нитрида титана не сильно влияет на краевой угол смачивания.

Показать весь текст

Список литературы

Гуггенгейм Э. Современная термодинамика, изложенная по методу У.Гиббса // М.: Госхимиздат, 1941.-188 С.
Мелвин-Хьюз Э.А., Физическая химия, пер. с англ. // М.: Изд-во Иностранная лит-ра, 1962.-Т.1, Т.2.-1148 С.
Schrodinger Е., Capillary pressure in gas bubbles // Ann. Phys., 1914.-V.46.-P.413−418.
Ван-дер-Ваальс И.Д., Констамм Ф., Курс термостатики // М.: ОНТИ, 1936.-536 С.
Eucken A., Lehrbuch der chemischen physik // 1956.-bd.2.-Teil. 1 .-P.470.
Cahn J.W., Interfacial free energy and interfacial stress. The case of an internal interface in a solid // Acta met., 1989.-V.37.-P.773−776.
Nolfi F.V., Johnson C.A., Surface stress in copper // Acta met., 1972.-V.20.-P.769−778.
Shuttelworth R., The surface tension of solids // Proc. Phys. Soc., 1950.-V.A63.-P.444−457.
Eustathopoulos N., Nicholas M., Drevet В., Wettability at high temperatures // Pergamon Materials Series, V.3, Oxford.: Pergamon, 1999.-420 P.
Naidich, Yu. V.- Eremenko, V. N. The large-drop method for determining surface tension and density of molten metals at high temperature // Fizika Metallov i Metallovedenie, 1961 .-V. 11 .-P.883−888.
Семенченко B.K., Поверхностные явления в металлах и сплавах // М.: Металлугиздат, 1963.-450С.
Ибрагимов Х.И., Поверхностные явления в расплавах на основе ртути и металлов III-V групп //Дисс. д-ра хим. наук, Грозный, 1979.-388 С.
Bikerman J.J., Solid surfaces, Electrical phenomena and solid, liquid interface // London: Butterworths scientific publ., 1957.-V.3.-P. 125−130
Bikerman J.J., Physical surfaces // New York London: Academ. Press, 1970.-478 P.
Johnson R.E., Conflicts beturen Gibbsian thermodynamics and recent treatments // J. Phys. Chem., 1959.-V.63.-№ 10.-P. 1655−1658.
Pethica B.A., Pethica T. Y., The contact angle equilibrium, Electrical phenomena and solid, liquid interface // London: Butterworths scientific publ., 1957.-V.3.-P.131−135.
Швиндлерман Л.С., Применение вариационного метода к некоторым задачам теории поверхностных явлений. Поверхностные явления в расплавах и процессах порошковой металлургии // Киев, Изд-во АН УССР, 1963.-С.30−37.19.

Заполнить форму текущей работой