Российские специалисты создали революционный метод металлизации технической керамики, который позволяет наносить на нее сверхпрочные металлические покрытия.
Кроме того, разработчики предложили математическую модель, позволяющую прогнозировать параметры нанесения, что обеспечивает контроль толщины покрытия с точностью 95%. Этот метод будет использован в микро- и радиоэлектронике для создания устройств и датчиков, работающих в условиях экстремальных температур, а также в авиакосмической области.
Техническая керамика для микроэлектроники
Специалисты из Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Гагарина (СГТУ) создали новый способ нанесения сверхпрочних металлических покрытий на техническую керамику. Суть метода заключается в том, что исходные металлы — ниобий и молибден — нагреваются до 2300 градусов, при этом через них проходит ток высокой частоты (аналогично индукционной плите). В результате атомы металла испаряются и оседают на охлажденной керамике, что приводит к образованию покрытия толщиной от единиц до двух десятков микрометров.
Как разъяснили эксперты, керамические материалы, такие как оксид алюминия, находят широкое применение в микроэлектронике, авиакосмической и энергетической отраслях благодаря своей стойкости к высоким температурам и химическим веществам. Например, использование термобарьерных покрытий — многослойных термостойких керамических материалов — на деталях авиационных и ракетных двигателей способствует снижению их веса, так как такие покрытия обладают плотностью, значительно меньшей по сравнению с металлами. Подложки для микросхем на основе технической керамики эффективно отводят тепло, обеспечивая тем самым регулирование температуры. Однако хрупкость керамики и плохое сцепление с металлами ограничивают их использование в качестве конструкционных материалов.
Чтобы устранить эти недостатки, на поверхность керамики наносятся защитные металлические покрытия, например, из тугоплавких металлов ниобия, молибдена или их чередующихся слоев, которые способны выдерживать не только высокие температуры, но и радиационные и механические нагрузки.
Традиционно металлы наносятся на поверхность керамики путем осаждения из газовой фазы при относительно низких температурах. Однако такой метод требует создания высокого вакуума — давления в сотни миллионов или даже миллиард раз ниже атмосферного. Для этого необходимо дорогостоящее оборудование и длительное время для откачки воздуха из области нанесения. Кроме того, сам процесс осаждения занимает много времени, а после него зачастую требуется дополнительный нагрев готовых изделий для улучшения сцепления между металлом и керамикой.
Новый метод осаждения можно реализовать в условиях невысокого вакуума — при давлении в 250–750 раз ниже атмосферного. Это обеспечивает быстрое нанесение покрытия — процесс занимает всего несколько минут. Эксперименты показали, что сцепление между металлом и керамикой оказывается в три-восемь раз выше, чем у покрытий, полученных традиционными методами, даже без последующей высокотемпературной обработки.
— Наш метод имеет преимущества перед традиционными физическими и химическими способами: он не требует высокого вакуума и длительной последующей постобработки. При этом он позволяет контролировать толщину слоя металлизации молибдена с точностью до 0,3 микрометра, — рассказал руководитель проекта, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ Александр Фомин.
Это делает технологию многообещающей для промышленного внедрения. В дальнейшем исследователи планируют получать металлизацию из тугоплавких металлов (ниобия, молибдена и ряда других) как на вакуумплотной керамике оксида бериллия и нитрида алюминия, так и на титановых и других металлических изделиях.
Энергоэффективный метод
Кроме того, специалисты разработали математическую модель, которая обеспечивает 95-процентную точность получения заданной толщины слоя металлизации. Численные модели визуализируют распределение температуры в металле при пропускании через него вихревых токов. Такое моделирование поможет предсказать скорость формирования покрытия определенной толщины в зависимости от исходного металла.
Авторы подчеркивают, что предложенная технология является энергоэффективной: потребляемая в процессе напыления мощность не превышает 10 кВт, что сопоставимо с четырьмя работающими электрическими чайниками. Кроме того, метод требует вакуумных насосов, которые в десятки раз дешевле, чем те, что применяются в традиционных методах осаждения.
Разработанный способ упрощает и удешевляет металлизацию керамики за счет работы в условиях низкого вакуума и отсутствия высокотемпературной постобработки, отметила научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС Вероника Суворова.
— Это открывает новые возможности для массового производства термостойких керамико-металлических компонентов в микроэлектронике (подложки для микросхем, датчики), авиакосмической отрасли (сопла двигателей, лопатки турбин) и энергетике, где требуются материалы с высокой теплопроводностью и устойчивостью к экстремальным нагрузкам, — подчеркнула эксперт.
Тем не менее, при масштабировании технологии на крупногабаритные изделия возникают закономерные вопросы, связанные с конструктивными особенностями установки, отметил кандидат химических наук, научный сотрудник физического факультета ИТМО Лев Логунов. Увеличение размеров кольцевого испарителя потребует значительного роста силы тока и мощности, что негативно скажется на эффективности процесса и может ухудшить равномерность нанесения покрытия.
— В то же время для изделий небольших размеров, таких как компоненты микроэлектроники или сенсорные элементы, данная технология выглядит весьма перспективной, — добавил он.
Метод также должен пройти проверку на обеспечение стабильности качества и экономической целесообразности. Например, кроме сцепления металла с керамической поверхностью, важно гарантировать низкую дефектность покрытия, отметил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ имени Н. Э. Баумана Евгений Александров.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.
Фото: hi-tech.mail.ru