Bariera dyfuzyjna
Bariera dyfuzyjna to cienka warstwa (zwykle o grubości mikrometrów) metalu , zwykle umieszczana między dwoma innymi metalami. Robi się to, aby działać jako bariera chroniąca jeden z metali przed uszkodzeniem drugiego.
Adhezja platerowanej warstwy metalowej do jej podłoża , aby zadziałała, wymaga fizycznego zazębienia, wzajemnej dyfuzji osadu lub wiązania chemicznego między płytą a podłożem. Rolą bariery dyfuzyjnej jest zapobieganie lub opóźnianie wzajemnej dyfuzji dwóch nałożonych metali. Dlatego, aby była skuteczna, dobra bariera dyfuzyjna wymaga obojętności w stosunku do sąsiednich materiałów. Aby uzyskać jednocześnie dobrą przyczepność i barierę dyfuzyjną, wiązanie między warstwami musi pochodzić z reakcji chemicznej o ograniczonym zakresie na obu granicach. Materiały zapewniające dobrą przyczepność niekoniecznie są dobrymi barierami dyfuzyjnymi i odwrotnie. W związku z tym istnieją przypadki, w których należy zastosować dwie lub więcej oddzielnych warstw, aby zapewnić odpowiednią powierzchnię przylegania między podłożami.
Wybór
Chociaż wybór bariery dyfuzyjnej zależy od ostatecznej funkcji, przewidywanej temperatury roboczej i żywotności, są to krytyczne parametry przy wyborze materiałów bariery dyfuzyjnej. Oceniono wiele połączeń cienkowarstwowych metali pod kątem ich właściwości adhezyjnych i barierowych dla dyfuzji.
Aluminium zapewnia dobrą przewodność elektryczną i cieplną , przyczepność i niezawodność dzięki reaktywności tlenu i właściwościom samopasywacji jego tlenku.
Miedź również łatwo reaguje z tlenem, ale jej tlenki mają słabe właściwości adhezyjne. Jeśli chodzi o złoto, jego zaleta polega na jego bezwładności i łatwości zastosowania; jego problemem jest jego koszt.
Chrom ma doskonałą przyczepność do wielu materiałów ze względu na swoją reaktywność. Jego powinowactwo do tlenu tworzy cienką, stabilną warstwę tlenku na zewnętrznej powierzchni, tworząc warstwę pasywacyjną , która zapobiega dalszemu utlenianiu chromu i leżącego pod nim metalu (jeśli występuje), nawet w środowiskach korozyjnych. Chromowanie stali do zastosowań motoryzacyjnych obejmuje trzy warstwy bariery dyfuzyjnej — miedź, nikiel, a następnie chrom — w celu zapewnienia długoterminowej trwałości w przypadku wielu dużych zmian temperatury. Jeśli chrom jest nakładany bezpośrednio na stal, wówczas ich różne współczynniki rozszerzalności cieplnej spowodują odklejanie się chromu od stali.
Nikiel , nichrom , tantal , hafn , niob , cyrkon , wanad i wolfram to tylko niektóre kombinacje metali używanych do tworzenia barier dyfuzyjnych do określonych zastosowań. Można również stosować ceramikę przewodzącą , taką jak azotek tantalu , tlenek indu , krzemek miedzi , azotek wolframu i azotek tytanu .
Obwody scalone
Metal barierowy to materiał stosowany w układach scalonych do chemicznego izolowania półprzewodników od połączeń z miękkiego metalu, przy jednoczesnym zachowaniu połączenia elektrycznego między nimi. Na przykład warstwa metalu barierowego musi otaczać każdy miedziany interkonekt w nowoczesnych układach scalonych, aby zapobiec dyfuzji miedzi do otaczających materiałów.
Jak sama nazwa wskazuje, metal barierowy musi mieć wysoką przewodność elektryczną , aby utrzymać dobry kontakt elektroniczny, przy jednoczesnym zachowaniu wystarczająco niskiej dyfuzyjności miedzi, aby wystarczająco chemicznie odizolować te miedziane folie przewodzące od leżącego pod spodem krzemu urządzenia. Grubość folii barierowych jest również dość ważna; przy zbyt cienkiej warstwie bariery wewnętrzna miedź może stykać się i zatruwać te same urządzenia, które dostarczają energii i informacji; przy zbyt grubych warstwach barierowych te owinięte stosy dwóch barierowych folii metalowych i wewnętrznego przewodnika miedzianego mogą mieć większą całkowitą rezystancję niż tradycyjne połączenia aluminiowe, eliminując wszelkie korzyści wynikające z nowej technologii metalizacji.
Niektóre materiały, które zostały użyte jako metale barierowe, obejmują kobalt , ruten , tantal , azotek tantalu , tlenek indu , azotek wolframu i azotek tytanu (ostatnie cztery to ceramika przewodząca , ale w tym kontekście „metale”).