磁控濺射技術(shù)無(wú)鉛金屬化技術(shù)在電子行業(yè)的應用
磁控濺射技術(shù)是一種低溫升、高速率的成膜技術(shù)，已經(jīng)廣泛應用于許多領(lǐng)域。隨著(zhù)環(huán)保問(wèn)題的日益突出，無(wú)污染鍍膜技術(shù)變得越來(lái)越迫切。本研究環(huán)繞“綠色制造”這一主題，結合作者多年實(shí)踐，介紹磁控濺射技術(shù)在電子行業(yè)的一些應用。本研究獲得 2008 年國家教育部科技進(jìn)步二等獎和浙江省科技進(jìn)步二等獎。
1、問(wèn)題的提出
歐盟新環(huán)保指令 RoHS《關(guān)于在電子電氣設備中禁止使用某些有害物質(zhì)》2006 年 7 月 1 日起生效，規定未開(kāi)發(fā)和正在開(kāi)發(fā)的電器電子產(chǎn)品不得含有六價(jià)鉻、鉛、汞、鎘等 6 種有害物質(zhì)，焊料中也不得含鉛。 我們國家也出臺了相應的政策， 把無(wú)鉛技術(shù)列為十一五規劃 “重大技術(shù)支撐項目”－－“綠色制造技術(shù)及其裝備” 。
目前，我國的現狀是，電子行業(yè)中仍然普遍采用著(zhù)電鍍、絲網(wǎng)印刷-燒結等落后的工藝技術(shù)，不僅制造工藝會(huì )產(chǎn)生嚴重污染，而且膜層中含有大量違禁元素，所制備的膜層也難以適應無(wú)鉛焊接的要求。
這一現狀亟待改變�？缭骄G色壁壘，實(shí)現綠色制造勢在必行。譬如，江蘇**大公司的 DVD、VCD、GPS 等產(chǎn)品的塑料機殼，過(guò)去一直采用電鍍工藝加工抗 EMI鍍層，電鍍產(chǎn)品一般是不容許進(jìn)入歐盟市場(chǎng)的，其鍍層中的 6 價(jià)鉻含量也嚴重超標，其產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)歐盟 RoHS 認證，進(jìn)不了歐盟市場(chǎng)。浙江嘉康電子公司原先采用真空蒸發(fā)工藝對 PZT 陶瓷器件進(jìn)行金屬化布線(xiàn)，采用無(wú)鉛焊接后，蒸發(fā)的膜層在無(wú)鉛焊接時(shí)幾乎被溶蝕殆盡，產(chǎn)品大量報廢。諸此的案例十分普遍。
2、磁控濺射在綠色制造上的優(yōu)勢
磁控濺射是一種物理氣相沉積技術(shù)，工藝本身是一種環(huán)保技術(shù)，膜材的適應性很廣，在綠色制造中由其明顯的技術(shù)優(yōu)勢。 與電鍍、絲印等傳統工藝比較，磁控濺射的環(huán)保優(yōu)勢是不言而喻的。即使同真空蒸發(fā)工藝比較，其技術(shù)優(yōu)勢也十分明顯。大家知道，真空蒸發(fā)的物理機制是融化-汽化的物理過(guò)程， 這就限制了它的應用。
首先，高熔點(diǎn)材料、陶瓷難以蒸發(fā)，合金蒸發(fā)后配比嚴重失調，所以蒸發(fā)材料的適應性很差；其次，蒸發(fā)粒子的初始動(dòng)能很小，只有0.1-1eV，到達基片時(shí)沒(méi)有足夠的能量來(lái)克服吸附勢壘，蒸發(fā)粒子是以分子團形式沉積在基片上的，所以蒸發(fā)膜與基片的結合力很差，膜層的針空率高，致密性低；因為蒸發(fā)是一種高溫過(guò)程，對器件有較大的熱輻射，對某些熱敏感器件來(lái)說(shuō)無(wú)疑會(huì )造成危害，蒸發(fā)時(shí)也往往會(huì )把蒸發(fā)坩堝材料一并蒸發(fā)出來(lái)， 污染膜層。 蒸發(fā)速率的可控性也很差，難以實(shí)現規�；a(chǎn)。
由于濺射的原理是靶面原子從入射離子那里獲得動(dòng)能而逸出， 它不需要經(jīng)過(guò)融化-汽化的過(guò)程，所以濺射不受材料熔點(diǎn)高低的限制，高熔點(diǎn)材料、陶瓷都可以作為濺射材料；濺射粒子的初始動(dòng)能大（可以達到幾十到幾百電子伏特） ，能夠充分克服勢壘落入吸附位阱，所以膜層結合力強；濺射粒子是以原子狀態(tài)逸出靶面的，其膜層的致密度高。 濺射是一種隨機過(guò)程， 濺射合金時(shí)， 膜層的化學(xué)配比不易失調。此外，濺射速率的可控性遠遠優(yōu)于真空蒸發(fā)，這給產(chǎn)品的重復性、一致性和規�；a(chǎn)都帶來(lái)好處。
濺射的這些優(yōu)勢使得它的應用十分廣泛。
3、膜系結構
對于不同的基片種類(lèi)，其金屬化膜層的結構也不盡相同。單層金屬層是很難成為金屬化層使用的，一般來(lái)說(shuō)，金屬化膜系結構包括：過(guò)渡層、阻擋層、焊接層。
各種物質(zhì)的膨脹系數等機械性能、晶格結構、熱力學(xué)性質(zhì)都不相同，過(guò)渡層的作用是用來(lái)匹配導電層與基底的，例如，對于硅系材料如玻璃、石英，要采用鉻、鈦、鋁等活性金屬作為過(guò)渡層；對于陶瓷材料，可采用鈦、鉻、鎳作為過(guò)渡層。過(guò)渡層的金屬材料還應考慮能與處在其上面的金屬的互溶性能，以免過(guò)渡層與導電層產(chǎn)生應力。阻擋層是用來(lái)阻擋高溫無(wú)鉛焊錫對電極層的溶蝕，防止焊接時(shí)膜層被溶蝕后斷線(xiàn)、露底。
焊接層（面電極層）一般采用電阻率較低、焊接性能較好的金屬如銀。采用上述膜系結構的金屬化層，其抗拉強度都較強，焊接特性良好，成本也比使用單層銀要低得多。
