СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ТИТАНЕ И ЕГО СПЛАВАХ Российский патент 1998 года по МПК C23C28/00 C25D11/26 

Изобретение относится к области получения покрытий, в частности анодных пленок на титане и его сплавах и может быть использовано в качестве изоляционного слоя при изготовлении металлоксидных подложек для толстопленочных гибридных интегральных схем.

Известен способ анодирования изделий из титана и его сплавов, заключающийся в непрерывном режиме подачи тока плотностью 2 A/дм² (авт. св. СССР N 197540, кл. C 25 D 11/26, 20.04.66).

Известен способ анодирования металлов, например алюминия, импульсным током, позволяющий при высоких плотностях тока получать ровные покрытия повышенной твердости на алюминии и его сплавах (патент США N 3597339, кл. 204-58, 03.08.71).

Известен способ получения покрытия на титане и его сплавах методом анодирования, включающий обработку поверхности импульсным током в условиях искрового разряда при напряжении 80 - 200 В и плотности тока от 10 до 80 А/дм² (авт. св. СССР N 534525, кл. C 25 D 11/26, Б. N 41, 1976). Данный способ выбран в качестве, прототипа.

Недостатком вышеописанного способа является наличие пористости покрытия, а также недостаточная толщина получаемых покрытий.

Решаемая техническая задача заключается в получении изоляционного покрытия с минимальной пористостью, достаточно высоким удельным поверхностным и объемным сопротивлением, с достаточной теплопроводностью, термостойкостью, высоким значением пробивного напряжения, которое можно использовать в качестве изоляционного слоя при изготовлении металлоксидных подложек для толстопленочных гибридных интегральных схем.

Решаемая техническая задача достигается тем, что в способе получения покрытия на титане и его сплавах, включающем анодирование поверхности титана или его сплавов в условиях плазменно-искрового разряда, предварительно осуществляют электрохимическую полировку обрабатываемой поверхности, а анодирование проводят в расплавленной эвтектической смеси нитратов натрия и калия при 230 - 310^oC, в условиях плазменно-искрового разряда, при напряжении U = 100 - 130 В и плотности тока I = 8 - 10 А/см².

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретательского уровня, т. к. предложенные отличительные признаки позволяют получить новое свойство - получение изоляционного покрытия с минимальной пористостью, достаточно высоким удельным поверхностным и объемным сопротивлением, с достаточной теплопроводностью, термостойкостью, высоким значением пробивного напряжения, которое можно использовать в качестве подложек толстопленочных микросхем.

На фиг. 1 изображена структурная схема установки анодного оксидирования, помощью которой можно осуществить предлагаемый способ получения покрытия на титане и его сплавах; на фиг. 2 - потенциодинамическая поляризационная кривая, с помощью которой можно осуществить выбор режимов анодного оксидирования.

На структурной схеме - 1 - печь с автоматической регулировкой температуры; 2 - подставка; 3 - никелевый стакан; 4 - электролит; 5 - образец анодируемого материала; 6 - электрод сравнения; 7 - зажим; 8 - вольтметр; 9 - зажим анода; 10 - амперметр; 11 - усилитель; 12 - программатор; 13 - подъемное устройство. Установка содержит печь 1 с автоматической регулировкой температуры, в полости которой на подставку 2 установлен никелевый стакан 3, внутри которого находится электролит 4, состоящий из расплавленной эвтектической смеси нитратов натрия и калия. Образец 5 анодируемого материала с помощью зажима 7 помещен в электролит 4, в котором размещен также никелевый электрод сравнения 6. Выводы зажима 7 и электрода сравнения 6 подключены к вольтметру 8. Установка содержит программатор 12, к выходу которого подключен усилитель 11. Выводы усилителя 11 подключены к аноду и вспомогательному электроду (никелевый стакан 3). Заземленный вывод через амперметр 10 подключен к зажиму анода 9. Погружение образца анодируемого материала 5 в электролит 4, а также его извлечение после окончания процесса осуществляется с помощью подъемного устройства 13 которое механически связано с зажимом 7 и зажимом анода 9.

Рассмотрим осуществление способа получения покрытия на сплаве титана BT1-O с использованием вышеописанного устройства. Предварительно образец анодируемого материала 5 подвергают обезжириванию и электрохимической полировке в составе раствора, мас.%: H₂SO₄ - 48 + HNO₃ - 40 + HF - 12, при напряжении U = 45 В, токе I = 10 А/дм² в течение 5 мин при перемешивании электролита. Данный процесс электрохимической полировки (Л. Юнг. Анодные оксидные пленки. Л.: Энергия, 1967, с. 232). После этого образец анодируемого материала 5 закрепляют с помощью зажима 7 и опускают при посредством подъемного устройства 13 в расплав эвтектической смеси нитратов натрия и калия. Анодирование проводят при температуре 230 - 310^oC, например 250^oC, в условиях плазменно-искрового разряда. Напряжение формирования от 100 до 130 В, например U_ф = 115 В и плотность тока от 8 до 10 А/см², например I = 9 А/см² задаются программатором 12, например ПР-8 и контролируются вольтметром 8 и амперметром 10. При этом на образце анодируемого материала 5 наблюдается интенсивный плазменно-искровой разряд. После окончания процесса образец 5 извлекают из расплава.

Выбор температурного режима обусловлен тем, что при температуре меньше чем 230^oC происходит застывание эвтектической смеси расплава KNO₃ - NaNO₃. При температуре выше чем 310^oC происходит разложение расплава с образованием нитритов KNO₂ - NaNO₂. Таким образом область температур, в которой происходит оксидирование титана и его сплавов t = 230 - 310^oC. Выбор режимов анодного оксидирования: напряжения и плотности тока определяется анодной потенциодинамической поляризационной кривой, снятой в расплаве KNO₃ - NaNO₃ при 250^oC (фиг. 2). Предварительно электроды подвергались электрохимической полировке в составе раствора, %: H₂SO₄ - 48 + HNO₃ - 40 + HF - 12, при t = 20 - 45^oC, напряжении U = 45 В, токе I = 10 А/дм² в течение 5 мин при перемешивании электролита. Анализ поляризационной кривой показывает, что процесс анодного оксидирования титана и его сплавов имеет стадийный характер. Рентгенофазовым анализом установлено, что до потенциалов формирования U_ф = 48 В, последовательно образуются фазы TiO₂ - брукит, TiO₂ - рутил; при потенциалах формирования U_ф = 70 - 120 В образуются смеси окислов TiO₂ - рутил, Ti₂O₃, Ti₃O₅. При потенциале формирования U_ф = 70 В возникают искровые разряды на титановых электродах, а при потенциалах формирования 90 - 130 В появляется голубоватое свечение плазменного типа. Именно при этих потенциалах формирования образуются оксидные покрытия, которые обладают хорошими электрофизическими свойствами: напряжение пробоя получаемых пленок U_пр = 670 - 690 В; тангенс угла диэлектрических потерь tgδ=9•10^-2; удельная пористость K_уд = 25 - 30 при среднем диаметре пор D_ср = 2,3 мкм; толщина пленок достигает d = 30 мкм при хорошей адгезии к основе и зависит от времени анодирования. Формируемые анодные оксидные пленки на титане и его сплаве ВТ1-О при потенциале формирования U_ф = 115 В имеют темно-серый цвет. Шероховатость поверхности Ra₂-Ra₁₀.

Таким образом с помощью предлагаемого способа можно получить анодное покрытие на титане и его сплавах, удовлетворяющее нужным характеристикам. Анодные покрытия на титане и его сплавах, обладающие данными характеристиками, можно использовать в качестве основы толстопленочных гибридных интегральных схем, к которым предъявляются вышеперечисленные характеристики.

Способ получения покрытия на титане и его сплавах включает анодирование поверхности титана или его сплавов в условиях плазменно-искрового разряда, при этом предварительно осуществляют электрохимическую полировку обрабатываемой поверхности, а анодирование проводят в расплавленной эвтектической смеси нитратов натрия и калия при 230-310^oC, в условиях плазменно-искрового разряда при напряжении U =100-130 В и плотности тока 1=8-10 А/см². Способ позволяет получать изоляционные покрытия с минимальной пористостью, высоким удельным поверхностным и объемным сопротивлением, теплопроводностью, термостойкостью, высоким значением пробивного напряжения, что дает возможность использовать его при изготовлении металлооксидных подложек толстопленочных гибридных интегральных схем. 2 ил.

Способ получения покрытия на титане и его сплавах, включающий анодирование поверхности титана или его сплавов в условиях плазменно-искрового разряда, отличающийся тем, что предварительно осуществляют электрохимическую полировку обрабатываемой поверхности, а анодирование проводят в расплавленной эвтектической смеси нитратов натрия и калия при 230 - 310^oС в условиях плазменно-искрового разряда при напряжении 100 - 130 В и плотности тока 8 - 10 А/см².