與傳統(tǒng)塊狀材料相比,納米多層膜因其小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),表現(xiàn)出獨特的光、磁、電、力學(xué)和熱學(xué)性能,可作為光電材料、光吸收材料、電磁波吸收材料、磁記錄材料和低溫連接材料,被廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件、半導(dǎo)體、電磁防護、加工制造、表面防護以及電子封裝等領(lǐng)域。納米多層膜的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理力學(xué)性能具有強烈的尺度效應(yīng)。由于受制備工藝所限,納米多層膜內(nèi)部存在的空位、位錯等缺陷導(dǎo)致其在復(fù)雜服役環(huán)境中難以完全滿足耐熱、耐磨和耐腐蝕等要求,限制了納米多層膜的發(fā)展。而在集成電路和芯片制造領(lǐng)域,納米多層膜器件常處于偏離常溫的苛刻工作環(huán)境中,具有較高表面自由能的亞穩(wěn)態(tài)納米多層膜在受熱情況下會通過兩相互擴散、層內(nèi)脫離和界面結(jié)構(gòu)變化等方式,趨向達到低能量的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),從而破壞了多層膜內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其熔點降低、超硬等特性消失或減弱。因此,研究納米多層膜的微觀結(jié)構(gòu)演化、熱穩(wěn)定性及其失效機理,直接關(guān)系到納米多層膜體系的服役壽命和可靠性。退火工藝作為一種常見的熱處理手段,被廣泛應(yīng)用于消除金屬內(nèi)部的缺陷,從而達到改善材料性能的目的。對于在高溫條件下工作的納米多層膜,退火工藝也是延長其使用壽命的有... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2020,34(03)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

退火溫度對Ni50.5Ti49.5與Ni45.6Ti49.3Al5.1納米薄膜硬度的影響[35]

不互溶型納米多層膜在高溫下可能具有較好的穩(wěn)定性,但也只是在一定條件下存在[46-48],這主要是因為高溫下這類多層膜由于受到界面張力的作用,會通過原子沿界面的擴散在相界與晶界的交接處形成熱致溝槽,在一定條件下溝槽會一直沿晶界擴展直至造成層內(nèi)脫離[49-50]。然而,Misra等[51-52]發(fā)現(xiàn),在Cu/Nb納米多層膜中(Cu與Nb固態(tài)不互溶),熱致溝槽效應(yīng)卻導(dǎo)致了一個穩(wěn)定的三叉點呈“Z”字型分布的微結(jié)構(gòu)的形成,有效地阻止了層內(nèi)脫離的發(fā)生,如圖3所示。這一系列發(fā)現(xiàn)指出了高溫下實現(xiàn)納米多層膜材料微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的新途徑,也為高溫穩(wěn)定的不互溶納米多層膜的設(shè)計指出了一個新的方向。還有一類特殊的不互溶型薄膜,在常溫下它們的組元之間不發(fā)生互溶,但是隨著加熱溫度升高,層狀結(jié)構(gòu)會逐漸消失。但這種層狀結(jié)構(gòu)通常不是以產(chǎn)生熱溝槽的方式消失,而是在薄膜內(nèi)部以內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力的方式釋放,以及在晶界能、界面能和表面能降低的共同作用下,活化能較低的組元沿著晶界或缺陷向另一組元中擴散的方式釋放。瑞士的EMPA研究所在這方面做了大量研究。Moszner等對不互溶型Cu/W納米多層膜進行了熱穩(wěn)定性研究,發(fā)現(xiàn)在700 ℃退火后Cu沿著薄膜內(nèi)的晶界和缺陷向W中擴散,使得納米層狀結(jié)構(gòu)消失[53]。Cancellieri等對Cu/W納米多層膜進行研究也得到了類似結(jié)果,并且發(fā)現(xiàn)納米多層膜結(jié)構(gòu)的演變不受薄膜與基體熱膨脹系數(shù)差異的影響[54]。這類在一定溫度退火后內(nèi)部原子擴散到薄膜表面的不互溶型納米多層膜在低溫連接中具有很好的應(yīng)用前景,其中以AlSi/AlN、Ag/AlN、Cu/W、Cu/AlN和Ag-Cu/AlN等體系為代表的納米多層膜在熱敏感型金屬焊接中的應(yīng)用成為了行業(yè)研究熱點。Chiodi等將Ag/AlN納米多層膜分別在空氣中和真空中退火,發(fā)現(xiàn)富氧氣氛可以促進Ag從納米多層膜內(nèi)部析出(如圖4所示),從而促進金屬與陶瓷母材之間的連接[55]。Benjamin等使用Cu/AlN納米多層膜作為釬料釬焊鈦合金,發(fā)現(xiàn)在450～750 ℃退火時,AlN阻隔層表面存在的大量裂紋為Cu的擴散提供了通道,Cu擴散到薄膜表面,在750 ℃時實現(xiàn)與鈦合金基體的連接[56]。Janczak等在750 ℃下使用Ag-Cu/C納米多層膜釬焊不銹鋼,并未形成釬焊接頭,但是觀察到直徑為微米級的Ag液滴從薄膜中擴散到鋼的表面,他們認(rèn)為壓力和納米多層膜層數(shù)是能否形成釬焊接頭的關(guān)鍵因素[57]。另外,對于不互溶型納米多層膜,層狀結(jié)構(gòu)的消失溫度也被作為焊接溫度選擇的參考依據(jù)。喬巧利用高速攝影研究了納米多層膜釬料的熔化行為,發(fā)現(xiàn)在850 ℃保溫15 s后,Ag-Cu/W納米多層膜開始熔化,且潤濕面積增大[58]。Tillmann等使用Cu/W納米多層膜作為釬料釬焊鈦合金,在800 ℃下真空退火后觀察到納米多層膜層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,因此選用800 ℃作為釬焊溫度[59]。

還有一類特殊的不互溶型薄膜,在常溫下它們的組元之間不發(fā)生互溶,但是隨著加熱溫度升高,層狀結(jié)構(gòu)會逐漸消失。但這種層狀結(jié)構(gòu)通常不是以產(chǎn)生熱溝槽的方式消失,而是在薄膜內(nèi)部以內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力的方式釋放,以及在晶界能、界面能和表面能降低的共同作用下,活化能較低的組元沿著晶界或缺陷向另一組元中擴散的方式釋放。瑞士的EMPA研究所在這方面做了大量研究。Moszner等對不互溶型Cu/W納米多層膜進行了熱穩(wěn)定性研究,發(fā)現(xiàn)在700 ℃退火后Cu沿著薄膜內(nèi)的晶界和缺陷向W中擴散,使得納米層狀結(jié)構(gòu)消失[53]。Cancellieri等對Cu/W納米多層膜進行研究也得到了類似結(jié)果,并且發(fā)現(xiàn)納米多層膜結(jié)構(gòu)的演變不受薄膜與基體熱膨脹系數(shù)差異的影響[54]。這類在一定溫度退火后內(nèi)部原子擴散到薄膜表面的不互溶型納米多層膜在低溫連接中具有很好的應(yīng)用前景,其中以AlSi/AlN、Ag/AlN、Cu/W、Cu/AlN和Ag-Cu/AlN等體系為代表的納米多層膜在熱敏感型金屬焊接中的應(yīng)用成為了行業(yè)研究熱點。Chiodi等將Ag/AlN納米多層膜分別在空氣中和真空中退火,發(fā)現(xiàn)富氧氣氛可以促進Ag從納米多層膜內(nèi)部析出(如圖4所示),從而促進金屬與陶瓷母材之間的連接[55]。Benjamin等使用Cu/AlN納米多層膜作為釬料釬焊鈦合金,發(fā)現(xiàn)在450～750 ℃退火時,AlN阻隔層表面存在的大量裂紋為Cu的擴散提供了通道,Cu擴散到薄膜表面,在750 ℃時實現(xiàn)與鈦合金基體的連接[56]。Janczak等在750 ℃下使用Ag-Cu/C納米多層膜釬焊不銹鋼,并未形成釬焊接頭,但是觀察到直徑為微米級的Ag液滴從薄膜中擴散到鋼的表面,他們認(rèn)為壓力和納米多層膜層數(shù)是能否形成釬焊接頭的關(guān)鍵因素[57]。另外,對于不互溶型納米多層膜,層狀結(jié)構(gòu)的消失溫度也被作為焊接溫度選擇的參考依據(jù)。喬巧利用高速攝影研究了納米多層膜釬料的熔化行為,發(fā)現(xiàn)在850 ℃保溫15 s后,Ag-Cu/W納米多層膜開始熔化,且潤濕面積增大[58]。Tillmann等使用Cu/W納米多層膜作為釬料釬焊鈦合金,在800 ℃下真空退火后觀察到納米多層膜層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,因此選用800 ℃作為釬焊溫度[59]。在不同溫度下退火后納米多層膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要原因是組元之間的相互反應(yīng)、擴散,以及層狀結(jié)構(gòu)的坍塌等。因而退火工藝對納米多層膜的工作溫度的確定起著重要的作用,另外納米多層膜所具有的熔點降低效應(yīng)使其在低溫連接中有著巨大潛力,退火工藝無疑是選擇釬焊溫度和研究釬焊過程納米多層膜微觀結(jié)構(gòu)演變的重要手段。目前受觀測手段所限,尚未觀測到在退火過程中納米多層膜的動態(tài)變化,一般通過觀察退火后納米多層膜的微結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的變化來推斷其演變機制。在未來,基于原位透射電鏡的實時觀察和分子動力學(xué)等數(shù)值模擬方法應(yīng)成為退火過程中納米多層膜微觀結(jié)構(gòu)演變機制的研究重要的手段。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]退火處理對FeCoB-SiO2磁性納米膜電磁性能的影響[D]. 吳志華.華中科技大學(xué) 2007



本文編號：3216193