專利名稱：薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于腐蝕檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的檢測(cè)薄膜性能的方法，具體是一種薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
薄膜材料以及利用其制備的各種元器件廣泛應(yīng)用于微電子設(shè)備、集成電路、電子封裝材料以及一些特殊的使用場(chǎng)合。這些材料及器件根據(jù)實(shí)際工作條件使用在不同的環(huán)境介質(zhì)中，比如濕熱環(huán)境、不同氣候環(huán)境(海洋、工業(yè)、近海工業(yè))、酸堿化學(xué)環(huán)境以及其它一些苛刻的使用環(huán)境，因此需要檢測(cè)薄膜材料及器件在腐蝕環(huán)境介質(zhì)中的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性。迄今為止，檢測(cè)薄膜材料及器件腐蝕性能的方法主要有(1)圖像觀察法將試樣暴露在特定的腐蝕介質(zhì)中，通過顯微鏡或其它技術(shù)觀察缺陷或腐蝕產(chǎn)物的發(fā)展。該方法的缺點(diǎn)是定量評(píng)價(jià)需要一些特殊的技術(shù)和設(shè)備，而且受人為因素影響較大；(2)重量法對(duì)于腐蝕過程中重量變化較為明顯的材料，該方法能夠較好的反映材料耐腐蝕性能。但是對(duì)于薄膜材料，由于其薄膜層重量非常小以及腐蝕過程不均勻，因而獲得定量數(shù)據(jù)比較困難，而且對(duì)稱重儀器要求較高；(3)電化學(xué)方法能夠非常迅速反映材料的耐腐蝕性能和機(jī)理，缺點(diǎn)是不能對(duì)材料的長(zhǎng)期使用可靠性做出預(yù)測(cè)；(4)測(cè)量厚度變化法通過測(cè)量薄膜或涂層在腐蝕過程中厚度的變化來(lái)評(píng)定材料腐蝕速率的方法。但是由于薄膜或涂層材料表面本身厚度的不均勻性以及腐蝕過程不均勻，因而受設(shè)備和人為因素影響較大。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，M.Tenhover等在《Materials Science andEngineering》(材料科學(xué)與工程，1988，Vol.99，483～487)上發(fā)表的“Corrosionresistance and passive layer formation in amorphous binary Cr alloys”(二元非晶鉻合金的耐腐蝕性能和鈍化層形成)論文中，使用表面輪廓儀測(cè)量在不同腐蝕溶液中薄膜厚度隨時(shí)間的變化，比較研究了磁控濺射法制備的Cr-Si、Cr-B、(Cr，Ni)-Si薄膜耐腐蝕性能。考慮到濺射法制備的薄膜表面厚度不均勻性、薄膜基底表面粗糙度的影響以及腐蝕過程中薄膜表面腐蝕不均勻，因此采用這種方法時(shí)，受測(cè)量?jī)x器和人為因素影響較大。特別是對(duì)于Cr-Si薄膜等耐腐蝕性能良好的材料，獲得數(shù)據(jù)需要的周期也比較長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和局限性，提供一種薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法，使其通過測(cè)量薄膜材料及器件在不同苛刻環(huán)境介質(zhì)中電阻隨時(shí)間的變化率(ΔR/R)，根據(jù)ΔR/R就可以反映材料耐腐蝕性能及長(zhǎng)期使用可靠性預(yù)測(cè)的要求，具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，將薄膜試樣的測(cè)試表面浸泡在所配制模擬海洋性氣候環(huán)境的腐蝕介質(zhì)溶液中，因?yàn)楸∧げ牧霞捌骷诟g過程中，與腐蝕介質(zhì)接觸表面的微觀組織狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化或發(fā)生腐蝕剝離，造成該尺寸區(qū)域材料有效導(dǎo)電層厚度改變，從而引起其電阻的變化；測(cè)量從浸泡起始后試樣電阻隨時(shí)間的變化率，根據(jù)電阻變化率就可以反映薄膜材料及器件的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性。
以下對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步的說明，具體步驟如下(1)試樣準(zhǔn)備選用電阻值分別為400±5Ω和520±5Ω的薄膜試樣，對(duì)比試樣薄膜層具有相同的厚度和表面積，試樣兩端引線部位使用JW-1型環(huán)氧樹脂密封保護(hù)；(2)腐蝕介質(zhì)溶液配制采用質(zhì)量百分比濃度為3.5％的NaCl模擬海洋性氣候環(huán)境。在其它環(huán)境的腐蝕介質(zhì)，則采用3.5％的Na2SO4溶液、0.1M的NaOH、HCl溶液分模擬工業(yè)性氣候環(huán)境、堿性和酸性使用環(huán)境。溶液配置好以后，將其盛放入密閉的容器中；(3)工作溫度選用工作溫度分別為25℃和45℃。調(diào)整腐蝕介質(zhì)溶液溫度到設(shè)定工作溫度后保持恒溫，然后將試樣浸泡入所配制腐蝕介質(zhì)溶液中；(4)電阻變化率測(cè)量通過數(shù)字直流電橋測(cè)量試樣從浸泡起始后試樣電阻隨著時(shí)間的變化率(ΔR/R)。在相同時(shí)間條件下，不同薄膜成分、不同腐蝕溶液(種類、濃度、溫度)對(duì)比時(shí)，ΔR/R小的試樣具有更好的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于克服了現(xiàn)有薄膜材料及器件腐蝕行為評(píng)價(jià)技術(shù)的局限性。試驗(yàn)方法易行，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，不僅可以用于不同材料、不同腐蝕介質(zhì)(種類、濃度、溫度)的對(duì)比研究，而且可以滿足對(duì)材料的長(zhǎng)期使用可靠性做出預(yù)測(cè)的要求。同時(shí)也可以與其它現(xiàn)有模擬環(huán)境腐蝕試驗(yàn)裝置結(jié)合起來(lái)使用。對(duì)于薄膜材料及器件生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說，采用本發(fā)明方法，不僅可以克服現(xiàn)有技術(shù)所帶來(lái)的測(cè)試儀器要求高、設(shè)備成本高、人員技術(shù)要求高、數(shù)據(jù)可靠性不足等缺點(diǎn)，而且可以利用現(xiàn)有的一些相關(guān)測(cè)量裝置，稍加改造，可以非常直觀方便的測(cè)試薄膜材料及器件的耐環(huán)境介質(zhì)腐蝕能力。本發(fā)明還可推廣到其它腐蝕或氧化速率較低、具有導(dǎo)電能力的各種材料領(lǐng)域。


圖1本發(fā)明實(shí)施例所用裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2Cr-Si-Ni電阻薄膜試樣在模擬的海洋和工業(yè)環(huán)境中電阻變化率與時(shí)間的關(guān)系；圖3Cr-Si-Ni電阻薄膜試樣在酸性和堿性腐蝕介質(zhì)中電阻變化率與時(shí)間的關(guān)系；圖4Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al電阻薄膜試樣在堿性腐蝕介質(zhì)中電阻變化率與時(shí)間的關(guān)系；圖5溶液濃度對(duì)Cr-Si-Ni-Al電阻薄膜試樣電阻變化率的影響；圖6溫度對(duì)Cr-Si-Ni-Al電阻薄膜試樣電阻變化率的影響。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
應(yīng)用本發(fā)明考核了電子工業(yè)中廣泛使用的Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al薄膜電阻器在不同環(huán)境介質(zhì)中的腐蝕行為及長(zhǎng)期可靠性。本實(shí)施例主要考察了在制成薄膜電阻器前，薄膜本身的耐腐蝕性能，目的是為了檢驗(yàn)在模擬的海洋、工業(yè)、酸性、堿性環(huán)境介質(zhì)中，薄膜成分、環(huán)境介質(zhì)溶液種類、濃度以及溫度對(duì)耐腐蝕性能的影響，同時(shí)對(duì)其長(zhǎng)期使用可靠性做出預(yù)測(cè)。
Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al薄膜使用自制的鑄造合金靶材(靶材成分分別為Cr38Si55Ni7和Cr36Si52Ni6.5Al5.5)，采用磁控濺射方法制備。使用相同的制備工藝參數(shù)，從而保證薄膜的厚度基本一致。薄膜沉積在φ3.5×10mm Al2O3陶瓷基底上，以排除基底對(duì)腐蝕的影響。制備出的試樣在箱式電阻爐500℃熱處理180分鐘。取樣測(cè)量表明，此時(shí)試樣的電阻溫度系數(shù)(TCR)在±50ppm/℃，已經(jīng)滿足了電子工業(yè)用薄膜電阻器對(duì)TCR的基本要求。為了便于進(jìn)一步比較試樣的耐腐蝕性能，將熱處理后的試樣兩端壓帽、焊接引線，選用的薄膜電阻分別為400±5Ω(Cr-Si-Ni薄膜)和520±5Ω(Cr-Si-Ni-Al薄膜)。將挑選出的試樣引線部位用JW-1型環(huán)氧樹脂密封保護(hù)，注意要保證每個(gè)試樣的測(cè)試表面的面積相同，本發(fā)明中采用薄膜的厚度為100nm，表面積0.6cm2。本實(shí)施例中，參考《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程》(GB2423.17-81)，采用重量百分比濃度為3.5％的NaCl、Na2SO4溶液分別模擬實(shí)際使用環(huán)境中的海洋和工業(yè)環(huán)境，采用0.1M的NaOH、HCl溶液分別代表酸性和堿性使用環(huán)境。通過圖1所示的試驗(yàn)裝置，其中試樣1、引線2、密閉容器3、腐蝕溶液4、恒溫水浴箱5、數(shù)字直流電橋6，參考《電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)分類及其嚴(yán)酷程度分級(jí)》(GB4796-84)，分別調(diào)整腐蝕溶液溫度到25℃和45℃后，將試樣浸泡入配制好的腐蝕介質(zhì)溶液中，浸泡時(shí)間為120h。使用QJ-84型數(shù)字直流電橋測(cè)量試樣從浸泡起始后的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電阻值，在達(dá)到設(shè)定的浸泡時(shí)間后，將所得數(shù)據(jù)換算成電阻變化率隨時(shí)間的變化(ΔR/R)，就可以表征出Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al電阻薄膜在不同的模擬腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕性能及長(zhǎng)期使用可靠性(圖2、圖3、圖4、圖5、圖6)。
根據(jù)圖2可以看出，120h時(shí)Cr-Si-Ni薄膜在海洋性氣候環(huán)境條件下的ΔR/R小于工業(yè)性氣候環(huán)境條件下ΔR/R，說明Cr-Si-Ni薄膜在海洋性氣候中具有更好的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性；同樣根據(jù)圖3，在酸性介質(zhì)條件下，120h時(shí)Cr-Si-Ni薄膜的ΔR/R遠(yuǎn)小于在堿性介質(zhì)條件下薄膜的ΔR/R，因此薄膜在酸性介質(zhì)中具有更好的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性。根據(jù)圖4，在堿性腐蝕介質(zhì)條件下，120h時(shí)Cr-Si-Ni薄膜ΔR/R是Cr-Si-Ni-Al薄膜ΔR/R的2倍，說明在Cr-Si-Ni薄膜中加入Al元素以后，薄膜的耐腐蝕性能得到了很大的提高。根據(jù)圖5和圖6可以看出，隨著溶液濃度和溫度的增加，Cr-Si-Ni-Al薄膜的腐蝕速率加快?？梢姡芤簼舛群褪褂脺囟葘?duì)薄膜的耐腐蝕性能有很大的影響。
權(quán)利要求
1.一種薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法，其特征在于，將薄膜試樣的測(cè)試表面浸泡在所配制模擬海洋性氣候環(huán)境的腐蝕介質(zhì)溶液中，薄膜材料及器件在腐蝕過程中，與腐蝕介質(zhì)接觸表面的微觀組織狀態(tài)發(fā)生變化或發(fā)生腐蝕剝離，造成該尺寸區(qū)域材料有效導(dǎo)電層厚度改變，從而引起其電阻的變化，測(cè)量從浸泡起始后試樣電阻隨時(shí)間的變化率，根據(jù)電阻變化率就能反映薄膜材料及器件的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法，其特征是，以下通過步驟對(duì)其進(jìn)一步限定(1)試樣準(zhǔn)備選用薄膜試樣，對(duì)比試樣薄膜層具有相同的厚度和表面積，試樣兩端引線部位使用環(huán)氧樹脂密封保護(hù)；(2)腐蝕介質(zhì)溶液配制采用質(zhì)量百分比濃度為3.5％的NaCl模擬海洋性氣候環(huán)境，溶液配置好以后，將其盛放入密閉的容器中；(3)工作溫度選用工作溫度分別為25℃和45℃，調(diào)整腐蝕介質(zhì)溶液溫度到設(shè)定工作溫度后保持恒溫，然后將試樣浸泡入所配制腐蝕介質(zhì)溶液中；(4)電阻變化率測(cè)量通過數(shù)字直流電橋測(cè)量試樣從浸泡起始后試樣電阻隨著時(shí)間的變化率ΔR/R，在相同時(shí)間條件下，電阻隨著時(shí)間的變化率ΔR/R小的試樣具有更好的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法，其特征是，選用電阻值分別為400±5Ω和520±5Ω的薄膜試樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法，其特征是，所述的對(duì)于腐蝕介質(zhì)，在其它環(huán)境的腐蝕介質(zhì)，則采用3.5％的Na2SO4溶液、0.1M的NaOH、HCl溶液分模擬工業(yè)性氣候環(huán)境、堿性和酸性使用環(huán)境。
全文摘要
一種薄膜材料及器件耐腐蝕性能的電阻變化率檢測(cè)方法，將薄膜試樣的測(cè)試表面浸泡在所配制模擬海洋性氣候環(huán)境的腐蝕介質(zhì)溶液中，試樣在腐蝕過程中，與腐蝕介質(zhì)接觸表面的微觀組織狀態(tài)發(fā)生變化或發(fā)生腐蝕剝離，造成該尺寸區(qū)域材料有效導(dǎo)電層厚度改變，從而引起其電阻的變化，測(cè)量從浸泡起始后試樣電阻隨時(shí)間的變化率，根據(jù)變化率就可以反映薄膜材料及器件的耐腐蝕性能和長(zhǎng)期使用可靠性。本發(fā)明能夠方便可靠的檢測(cè)薄膜材料的耐腐蝕性能，而無(wú)需復(fù)雜的儀器設(shè)備，不僅可以進(jìn)行不同材料、不同腐蝕介質(zhì)(種類、濃度、溫度)的比較研究，而且可以對(duì)材料的長(zhǎng)期使用可靠性做出預(yù)測(cè)。同時(shí)也可以與其它現(xiàn)有模擬環(huán)境腐蝕試驗(yàn)裝置結(jié)合起來(lái)使用。
文檔編號(hào)G01N17/00GK1605853SQ20041008429
公開日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者張玉勤, 董顯平, 吳建生 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)