Металлизация диэлектриков

Ильин В. А.

Машиностроение, 1977 г.

2. СПОСОБЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

В промышленности получили применение три способа металлизации: напыление жидкого металла; вакуумное напыление металлов; химико-электролитическая металлизация.

Первый способ, заключающийся в нанесении расплавленного металла действием сжатого воздуха, получил весьма ограниченное применение из-за большой неравномерности покрытий, весьма грубой поверхности металлического слоя, слабого сцепления напыленного металла с поверхностью.

Способ вакуумнойметаллизации заключается в конденсации паров металла на покрываемой поверхности в вакуумных установках. Этот способ весьма эффективен при получении тонких (0,1—1,0 мкм) слоев металла на

мелких деталях, обрабатываемых в барабане насыпью. Тонкие слои покрытия обладают плохой износоустойчивостью и поэтому пригодны лишь для деталей, не подвергающихся трению или воздействию рук рабочих при сборке или рук потребителей при эксплуатации. Вакуумныйспособметаллизации по сравнению с химико-электролитическим в большинстве случаев не имеет преимуществ. Следует отметить также, что при вакуумном напылении значительно больший расходматериалов и электроэнергии.

Химико-электролитическая металлизация производится путем обработки пластмассовых деталей в растворах, в которых металлические покрытия получаются в результате восстановления ионов металла, присутствующих в растворе, под действием восстановителей. Полученный тонкий слой восстановленного металла затем усиливается гальваническим (электролитическим) способом до необходимой толщины. Химико-электролитический способметаллизации характеризуется возможностью получения большого ассортимента покрытий по видам и толщинам, не требует для его осуществления сложного оборудования, обеспечивает получение равномерных по толщине покрытий и хорошее сцепление покрытий с основой.

Химическое восстановлениеметаллов на поверхности пластмассы является основной операцией при получении токопроводящего слоя. В промышленности используются для этой цели такие металлы, как медь, серебро, никель, кобальт. Соответственно операции называются химическим меднением, химическим никелированием и т. д.

Процессы химического осажденияметаллов на диэлектрики существенно отличаются от аналогичных процессовосажденияпокрытий на металлические детали. Это отличие заключается главным образом в способах подготовки поверхности: химическому осаждениюметаллов на пластмассы предшествуют операции обезжиривания, травления и активирования. Значение последней операции особенно велико; в результате ее выполнения на поверхности пластмассы образуются микроскопические зародыши обычно из палладия или серебра диаметром в несколько десятков ангстремов (50—100 А), которые служат катализаторами последующей реакции химического восстановления металлов. В результате химического восстановленияметаллов (меди, серебра) создается первичный слой металла, на который методами электрохимического осаждения обычно наносится слой меди, а затем любой другой металл, выполняющий функции основного металлического покрытия.

Таким образом, технологический процесс химико-электролитической металлизации пластмассовых изделий состоит из следующих основных операций:

подготовка поверхности;

активация поверхности;

химическое меднение или никелирование;

гальваническое меднение;

гальваническое нанесение покрытия.

Прочность сцепления (адгезия) металлических покрытий с поверхностью пластмассы зависит от способов подготовки поверхности и природы пластмассы и колеблется в очень широких пределах от 140 до 500 кгс/см2. Иногда прочность сцепления металлических покрытий с диэлектрическими материалами выражают величиной усилия отрыва полоски металлического покрытияшириной 1 мм. В этом случае величина адгезии металлических покрытий составляет 700—3000 гс/мм. Указанные величины прочности сцепления металлических покрытий с пластмассой значительно уступают величине прочности сцепления гальванических покрытий с металлическим основанием. Однако, как свидетельствует многолетний опыт эксплуатации металлизированных пластмассовых изделий, указанная выше прочность сцепления покрытий является вполне достаточной при эксплуатации изделий" даже в самых жестких условиях, когда детали подвергаются вибрации, трению и температурным перепадам.

Толщина металлических покрытий на пластмассовых деталях не имеет такой дифференциации как аналогичные покрытия на металлических деталях, так как нет необходимости защищать пластмассу от коррозии, поэтому варианты покрытий по толщине не многочисленны и по существу не зависят от условий эксплуатации изделий. В табл. 1 представлены наиболее употребительные в технике варианты металлических покрытий, их условные обозначения на чертежах и рекомендованные толщины покрытий.

При нанесении декоративных покрытийподслой меди и никеля получают в электролитах с блескообразующими добавками, на что указывает, индекс б в данных табл. 1.

4. НАЗНАЧЕНИЕ И СПОСОБЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

К неорганическим диэлектрическим материалам относится большая группа материалов, в которую входят керамические изделия, фарфор, стекло, кварц, слюда, ситаллы, ферриты.

Металлизация неорганических диэлектриков применяется с целью придания поверхности деталей из этих материаловсвойств металла: электропроводности, теплопроводности, способности к пайке. металлизация стекла широко применяется для получения зеркал.

В зависимости от назначения изделия и способаметаллизации толщина металлического покрытия может изменяться в больших пределах от нескольких долей микрона до 50 мкм. Для обеспечения пайки керамических и ферритовых деталей толщина покрытия составляет 12—50 мкм. Для создания электропроводности толщина покрытия колеблется в пределах 6—18 мкм. Весьма тонкие покрытия (0,1—1,0 мкм) получают при серебрении или алюминировании стекла в производстве зеркал или полупрозрачных покрытий деталей оптических систем.

Способы металлизации диэлектрических материалов наиболее распространены в области точного приборостроения и радиоэлектроники. Металлизацию в виде сплошного покрытия применяют для керамических корпусов микросхемных устройств, но чаще всего производят частичную Металлизациюповерхности для получения проводниковых элементов электрических схем, нанесенных на диэлектрические материалы

Соответствующим подбором видов покрытий и их толщины на подложках из керамических материалов, а также таких материалов, как ситаллы, и некоторых других получают очень сложные электрические схемы, в состав которых входят сопротивления, индуктивности, емкости, проводники и тому подобные электрические элементы в виде тонких пленок. Сочетанием металлических покрытий с вытравливанием рельефа производят шкалы и различные рисунки на стекле, фарфоре и на некоторых видах керамики. прочность сцепления металлических покрытий в зависимости от способаметаллизации и состоянияповерхности покрываемого материала составляет 25—200 кгс/см2.

Промышленное применение в настоящее время получили следующие способы металлизации:

вжигание металлов в поверхность диэлектрического материала;

металлизация вакуумным напылением металла;

металлизация распылением расплавленного металла;

химико-электролитическая металлизация.

Способ вжигания металлосодержащих паст является способом, специфичным для неорганических диэлектриков, обладающих высокой термостойкостью.

Получение металлического слоя данным способом осуществляется путем нанесения на поверхность специальных составов — паст, содержащих соли металла, флюсующие компоненты и связующие вещества. После подсушки паст на воздухе или в термостатах следует термическая обработка при высоких температурах (до 800° С), в процессе которой образуются металлические расплавы, диффундирующие в поверхностный слой диэлектрика. Типичными примерами получения металлического слоя вжиганием является использование серебросодержащих паст, состав которых значительно меняется в зависимости от материала диэлектрика и назначения покрытия. (Металлизация вакуумным напылением металла осуществляется с помощью специальных установок. Описание их и режимы нанесения покрытий описаны в специальных руководствах. Для этого метода характерно получение тонких покрытий толщиной менее 1 мкм.

Металлизация] распылением расплавленного металла (шоопирование) применяется сравнительно редко вследствие того, что слой металла получается неравномерным, пористым и плохо сцепленным с основой.

Химико-электролитическая металлизация неорганических диэлектриков, как и пластмасс, осуществляется в две стадии:

1)      осаждение химическим способом слоя меди, никеля
или серебра;

2)      электролитическое осаждениеметалла покрытия.

Первая стадия осуществляется по технологии, аналогичной технологииметаллизации пластмасс, т. е. последовательное выполнение операцийактивации и химического восстановления металлов.

Вторая стадия также выполняется по стандартным технологическим процессам, принятым в технологиипокрытия деталей или в технологииметаллизации пластмасс. Существенным отличием технологииметаллизации неорганических диэлектриков от технологииметаллизации пластмасс является способ подготовки поверхности, учитывающий специфику обрабатываемых материалов