紅外探測(cè)器制備中不同鍍金層的對(duì)比分析

劉 森,張 磊,楊 斌,李忠賀

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 概 述

制冷型紅外探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱探測(cè)器)是各類整機(jī)系統(tǒng)尋找目標(biāo)的核心部件,相當(dāng)于整機(jī)系統(tǒng)的“眼睛”,是目前紅外技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向,被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、安防等領(lǐng)域[1-3]。

探測(cè)器組件由探測(cè)器芯片、微杜瓦、制冷機(jī)(器)三個(gè)部件組成,其中探測(cè)器芯片用于完成光電轉(zhuǎn)換,需要工作在低溫環(huán)境下;微杜瓦為探測(cè)器芯片提供光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械接口、真空環(huán)境及溫度保持功能;制冷機(jī)(器)為探測(cè)器芯片提供低溫冷源。

在紅外探測(cè)器制備工藝中,使用高純銦作為釬料,對(duì)鍍金焊盤進(jìn)行焊接是非常常見的工藝,其中主要包含倒裝互聯(lián)工藝、引線連接工藝等。使用高純銦焊料焊接鍍金的焊盤時(shí),金元素與銦元素會(huì)形成多種金屬間化合物,且金屬間化合物且在完成焊接后在常溫環(huán)境下金屬間化合物會(huì)隨著貯存時(shí)間而不斷的生長(zhǎng)。這對(duì)探測(cè)器的工作會(huì)產(chǎn)生一定的影響。我們?cè)诠に囘^程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用不同的鍍金工藝時(shí),金屬間化合物的生長(zhǎng)速度存在較大的差異。

本文選取了三種鍍金工藝,分別為電鍍、真空蒸發(fā)、離子束濺射三種工藝,使用掃描電鏡對(duì)三種鍍金層的表面形態(tài)進(jìn)行了觀察,并分析了其差異產(chǎn)生的原因。對(duì)三種工藝下焊接的樣品進(jìn)行了溫度加速試驗(yàn),分析了不同工藝下Au-In金屬間化合物的生長(zhǎng)速度差異。

2 掃描電鏡觀察

2.1 樣品制備

樣品1:陶瓷表面電鍍金;

樣品2:陶瓷表面真空蒸發(fā)鍍金;

樣品3:陶瓷表面離子束濺射鍍金。

2.2 樣品微觀形貌

使用掃描電鏡對(duì)三個(gè)樣品的表面狀態(tài)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)三種樣品的晶粒度存在非常大的差異,其中樣品1的晶粒直徑在2～3 μm范圍內(nèi)(如圖1所示),樣品2的晶粒直徑在100～600 nm之間(如圖2所示),樣品3的晶粒直徑在30～70 nm之間(如圖3所示)。三種鍍金層的外觀并無明顯差異,但是其經(jīng)歷直徑卻存在較大的差異。

圖1 電鍍金層的掃描電鏡照片

圖2 真空蒸發(fā)鍍金的掃描電鏡照片

圖3 離子束濺射鍍金的掃描電鏡照片

2.3 差異分析

鍍金層的晶粒直徑是與其制備過程直接相關(guān)的,鍍金層的制備過程也是要經(jīng)歷一個(gè)結(jié)晶過程的,在結(jié)晶過程中材料的形核率是一個(gè)關(guān)鍵因素。材料的形核率主要有兩個(gè)因素決定,即為:

N=N1N2

N1為形核功影響因子,N2為原子擴(kuò)散能力影響因子。N2主要決定于原子的擴(kuò)散能力,溫度越高,原子擴(kuò)散能力越大[4]。

N1主要由以下公式?jīng)Q定:

(1)

其中,δ為晶核表面能;Tm為材料熔點(diǎn);ΔT為過冷度(溫度下降速率);ΔG為形核功。

真空蒸發(fā)和離子束濺射均屬于氣相到固相沉積的超極冷過程[5](ΔT很大),從而導(dǎo)致兩種工藝制備的鍍金層的晶粒直徑較小。而電鍍工藝屬于金屬離子在電壓驅(qū)動(dòng)下的沉積過程,不存在超極冷過程,因此電鍍工藝制備的鍍金層與常規(guī)金屬的晶粒直徑相接近。

真空蒸發(fā)鍍金是采用加熱蒸發(fā)使得材料的原子從表面逸出,形成蒸汽流,入射到固體表面,從而凝結(jié)成固體薄膜。而離子束濺射鍍膜是采用等離子體轟擊的方法將金靶上的金元素轟擊到真空腔室中,然后沉積到固體表面。

通過兩種鍍金方法的介紹可知:離子束濺射的原子能量是真空蒸發(fā)原子能量的很多倍[6]。而溫度的本質(zhì)是原子的能量,原子的能量越高,其溫度也就越高,因此離子束濺射的蒸汽溫度比真空蒸發(fā)蒸汽溫度要高很多,因此可以得到明顯結(jié)論,離子束濺射鍍金的晶粒直徑要明顯低于真空蒸發(fā)鍍金的晶粒直徑(注:該結(jié)論適用于本文所述的三種鍍金工藝及本單位所使用的工藝參數(shù),當(dāng)降溫速度達(dá)到1×107s-1量級(jí)時(shí),金屬將不會(huì)凝固,而是形成金屬玻璃)。

當(dāng)焊盤上鍍金層晶粒直徑發(fā)生變化時(shí),鍍金層與銦焊料之間的反應(yīng)速度也會(huì)發(fā)生變化。本文針對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證及分析。

3 銦焊料擴(kuò)散試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣品制備及試驗(yàn)過程

樣品1:陶瓷表面鍍金的焊盤上用電烙鐵鍍涂一層高純銦;

樣品2:陶瓷表面熱蒸發(fā)鍍金的焊盤上用電烙鐵鍍涂一層高純銦

然后將兩個(gè)樣品均放置與130 ℃的烘箱中進(jìn)行貯存120 h,然后在顯微鏡下觀察銦元素在金層表面的擴(kuò)散情況。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

樣品1在烘烤前后銦元素的擴(kuò)散情況見圖4,在烘烤前后銦元素?cái)U(kuò)散并不明顯,擴(kuò)散長(zhǎng)度在30～50 μm。樣品2在烘烤前后銦元素的擴(kuò)散情況見圖5,在烘烤前后銦元素?cái)U(kuò)散非常明顯,擴(kuò)散長(zhǎng)度在300～500 μm。樣品2的銦擴(kuò)散速率是樣品1的10倍左右。

圖4 樣品1烘烤前后對(duì)比

圖5 樣品2烘烤前后對(duì)比

不同加工工藝制備的鍍層與銦之間的擴(kuò)散速度是存在較大差異的。一般情況下,元素之間的擴(kuò)散速度和溶解速度都是按照Nernst一次速度式進(jìn)行計(jì)算[7],在該式中,溶解速度常數(shù)K的計(jì)算公式如下:

(2)

式中K為溶解速度常數(shù);E為溶解活化能;A為指前因子。其中A和E只與材料的物性相關(guān),而與溫度無關(guān)。Ks為界面反應(yīng)常數(shù);D為擴(kuò)散系數(shù);δ為擴(kuò)散層厚度(注:式(2)的前一個(gè)等式為阿倫尼斯模型的表達(dá)形式,后一個(gè)等式為Nernst一次速度式的表達(dá)形式)。而界面反應(yīng)速度常數(shù)Ks與接觸面積成正比,與元素濃度呈反比。由此可以預(yù)見當(dāng)接觸面積增大時(shí),擴(kuò)散速度必然增大。

通過以上分析,可以知道當(dāng)鍍金層晶粒直徑較小時(shí),與銦的接觸面積會(huì)增大,最終導(dǎo)致銦與金的擴(kuò)散速度增大。除此之外,由于由于晶粒直徑過于細(xì)小,導(dǎo)致晶粒之間的晶界面積(比表面積)會(huì)呈指數(shù)增加,而晶界是由大量的位錯(cuò)缺陷構(gòu)成的,此類缺陷將更容易被其它金屬所侵蝕,從而導(dǎo)致反應(yīng)速度更快。

4 結(jié) 論

在紅外探測(cè)器中經(jīng)常使用的三種鍍金工藝中,離子束濺射鍍金層的晶格最為細(xì)小,已經(jīng)到達(dá)了納米量級(jí);電鍍鍍金層的晶格較為粗大,屬于微米量級(jí);真空蒸發(fā)鍍金層的晶格介于以上兩者之間。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,真空蒸發(fā)鍍金層上銦焊料的擴(kuò)散速度是電鍍金層的10倍左右,根據(jù)該規(guī)律預(yù)測(cè),離子束濺射鍍金層上銦焊料的擴(kuò)散速度將會(huì)更快。

在選擇鍍金工藝的類型時(shí)需要根據(jù)各自工藝的特性進(jìn)行分析并選型,否則將會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)器的長(zhǎng)期可靠性。在某些位置,需要金銦擴(kuò)散的速度很慢,那就需要采用電鍍工藝加工。而在另外一些位置,需要金銦擴(kuò)散的速度很快,就需要采用離子束濺射的工藝加工。但是在何種邊界條件下應(yīng)選取哪種鍍金工藝需要設(shè)計(jì)師對(duì)材料的基本屬性和作用規(guī)律具有一定的認(rèn)識(shí)。