<<
>>

Представления об адгезионной способности

Адгезия — это возникновение связи между поверхностными слоями разнородных (твердых или жидких) тел (фаз), приведенных в соприкосновение. Такое физическое явление есть результат межмолекулярного взаимодействия, наличия ионной, металлической и других связей.

В частности, адгезией обусловлено сцепление пленки с подложкой либо нескольких пленок между собой. Значение адгезионной прочности зависит не только от вида связи между телами, вступившими в контакт, но и от метода ее измерения, а также от способа отрыва. Например, произведя отрыв пленки от подложки с различной скоростью, можно получить разное значение адгезионной прочности. На результаты измерения адгезионной прочности может повлиять и напряженное состояние границы раздела между пленкой и подложкой вследствие термических или усадочных явлений в материалах. Адгезионная прочность определяется как

P = F—Fr ± AjF,              (I)

где P — измеряемое на практике значение адгезионной прочности Н; F — усилие сцепления на границе раздела, Н; Ff — вклад механических напряжений, уменьшающих измеряемое значение адгезионной прочности, Н; ДF — поправка, учитывающая искажение, вносимое методом измерения адгезионной прочности, Н.

Заметная поправка AF появляется, если механические напряжения в области приложения внешней силы сильно отличаются от напряжений в области отрьгва пленки от подложки. Например, при отслаивании пленочного покрытия в трещине расслоения возникают высокие механические напряжения, в результате чего отслаивание происходит даже при малой прикладываемой внешней силе.

Значение адгезионной прочности определяется, как правило, в процессе разрушения адгезионного контакта (хотя об адгезионной прочности можно судить по другим признакам, на этом основаны неразрушающие методы измерения адгезии[1]). Наиболее часто разрушение производится путем приложения силы к одному из тел, вступивших в адгезионный контакт.

Удельное значение силы, измеренной в процессе разрушения, и является мерой адгезионной прочности Р:

P = P'/S,              (2)

где Pf — сила, измеренная в процессе разрушения, Н; S — площадь разрушенного контакта, м2.

Естественно, что разрушение можно произвести, прикладывая силу для отрыва по-разному. Например, можно произвести отрыв по нормали к поверхности, скручивание и т. д. Если метод разрушения не оговорен особо, будем иметь в виду, что сила отрыва прикладывается нормально к границе раздела.

О              прочности соединения можно судить не только по силе отрыва, но и по работе, затрачиваемой на разрушение. На этом принципе основаны некоторые методы измерения адгезионной прочности, например метод отслаивания. Работа отрыва зависит от изменения силы с расстоянием, вследствие чего в некоторых случаях (например, при сцеплении, обусловленном электрическим притяжением разноименно заряженных поверхностей) большой работе разрушения соответствует малая сила отрыва. Кроме того, при измерении работы разрушения, как правило, значительная ее часть тратится на деформацию тел, а не на разрыв ,поверхностных связей. Поверхность раздела между двумя телами

Имеет смысл говорить об адгезионной прочности в том случае, если разрушение происходит строго по границе раздела, двух тел. Это означает, что прочность поверхностного сцепления (адгезия) должна быть меньше прочности сцепления молекул каждого тела (когезии). Кроме того, для* чисто адгезионного разрушения необходимо, чтобы поверхность раздела была дискретной, т. е. между контактирующими телами должна быть зона с резкими изменениями свойств. В некоторых случаях дискретная граница отсутствует, например при развитых процессах диффузии между контактирующими телами или значительной шероховатости границы. В этих случаях можно говорить только о) приграничной области. Некоторые исследователи считают, что чисто адгезионный разрыв вообще невозможен, так как трещина, развивающаяся под нагрузкой, проходит попеременно по обоим телам.

Это утверждение справедливо только для частных случаев сильно размытых межфазных границ, например, диффузионного типа. При измерении адгезионной прочности пленочных/ покрытий в большинстве случаев удается получить адгезионное разрушение и только при высоком значении адгезионной прочности возникает смешанный (адгезионно-когезионный) тип отрыва.

На практике часто приходится сталкиваться со сложными системами нескольких пленок, вступающих в адгезионный контакт. Это могут быть двух-, трехслойная пленочная разводка ГИС, тонкопленочные конденсаторы и т. д. Считается, что адгезионная прочность системы тел определяется слабейшей границей. Важно»

что слабейшими могут быть различные границы в зависимости от условий отрыва. В частности, авторами отмечено, что при измерении адгезионной прочности тонкопленочной структуры хром — медь, напыленной на ситалл, разрушение при большей скорости отрыва проходит по границе хром — медь, а при меньшей скорости по границе подложка — хром. Вследствие тесной зависимости адгезионной прочности от вида границы рассмотрим область поверхности раздела более подробно.

Общепринято называть поверхностью раздела между двумя телами, находящимися в адгезионном контакте, область значительного изменения химического состава, обеспечивающую связь, необходимую для передачи нагрузки. Введем классификацию возможных видов поверхности раздела, возникающих в адгезионных соединениях.

Монослойная граница — простейший вид поверхности раздела, который характеризуется полным отсутствием переходной зоны. В чистом виде монослойная граница возникает при эпитаксии. В этом случае различные кристаллические решетки состыковываются посредством дислокации несоответствия. Геометрическая форма монослойной границы предполагается достаточно гладкой, т. е. исключается шероховатость. Монослойная граница образуется при отсутствии эффектов взаимного растворения материалов контактирующих тел друг в друге, кроме того, в области контакта не должны возникать новые фазы из-за химических реакций. Вблизи монослойной границы при адгезионном контакте возможна высокая концентрация механических напряжений, которая может вызвать снижение адгезионной прочности. Геометрически неплоская граница — вид поверхности раздела, близкий к монослойному. Граница характеризуется неправильной формой и предполагает наличие шероховатости. Данная модель межфазной области может подразумевать также присутствие зацеплений выступов контактирующих тел (рис. I) [2]. При адгезионном отрыве двух тел, имеющих данный вид границы, разрушение может происходить не только на границе, но и частично в самих телах, т. е. наблюдается адгезионно-когезионный тип отрыва. Измеряемое значение адгезионной прочности при неплоской границе несколько выше, чем при монослойной, за счет увеличения эффективной площади контакта. Кроме того, адгезионная прочность может увеличиваться вследствие «зацеплений».

При данном виде границы наличие шероховатости в области контакта способствует процессам диффузии и образования новых фаз вследствие химических реакций. На практике такая граница иногда используется в технологии получения тонких пленок. Например, подложки из полиимидной пенки специально обрабаты

вают в химических реактивах для получения развитой поверхности [3]. Диффузионная модель границы характеризуется постепенным изменением химического состава в области границы. Данный вид границы возникает при заметном проникании одного или обоих материалов контактирующих тел.

Зачастую толщина диффузионной зоны изменяется с течением времени, вследствие чего данный тип границы характеризуется эффектами «старения» (изменение свойств контактирующих материалов с течением времени). Диффузионная граница обладает повышенной адгезионной прочностью вследствие уменьшения концентрации механических напряжений, которые возникают из-за резкого скачка механических констант материалов. Напряжения как бы «размазываются» по всей толщине переходной зоны. При значительной толщине диффузионной зоны могут возникнуть трудности* на некоторых стадиях тонкопленочного производства, например при фотолитографии. Кроме того, развитая диффузия может изменить электрические, магнитные, отражающие и другие свойства материалов пленок. Сильные диффузионные процессы, сопровождающие процесс напыления покрытия, авторы данной книги обнаружили на подложках из стекол и ситаллов. В модели многофазной границы предполагается образование новых фаз в приграничной области за счет химических реакций. Критерием возможности протекания химической реакции является отрцательная величина изменения изобарно-изотермического потенциала AG. Эффект образования новой фазы часто встречается в пленочном производстве и с успехом используется для получения прочной адгезии. Например, присутствие оксида металла на границе пленки и подложки является причиной повышения прочности сцепления. Иногда появление новой фазы ведет к противоположному эффекту: появление оксидов хрома на границе хром — медь ослабляет их сцепление друг с другом. В некоторых случаях взаимодействие контактирующих тел отличается большой сложностью. Так, выдержка пленочной структуры золото— алюминий в течение 2 ч при 450°С ведет к образованию на границе пяти новых фаз: AuAl2; AuAl; Au2Al; Au и Al; Au5Al2 (?)„ Зарождение новых фаз может сопровождаться диффузионными процессами проникновения образованных фаз в одно или оба контактирующих тела. Часто образование новых веществ в приграничной области является причиной изменения адгезионной прочности с течением времени.

<< | >>
Источник: Углов А. А. и др.. Адгезионная способность пленок.—М.: Радио и связь,. — 104 с.. 1987

Еще по теме Представления об адгезионной способности:

  1. Углов А. А. и др.. Адгезионная способность пленок.—М.: Радио и связь,. — 104 с., 1987
  2. Глава третья. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА НА АДГЕЗИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ ПЛЕНОК
  3. Неразрушающие методы измерения адгезионной прочности
  4. Влияние эффектов старения на адгезионную прочность
  5. Влияние температурного режима подложки на адгезионную прочность
  6. Другие разрушающие методы измерения адгезионной прочности
  7. IV. О способности суждения как a priori законодательствующей способности
  8. Влияние давления остаточных газов и скорости напыления на адгезионную прочность
  9. Связь способностей в Критике Способности Суждения
  10. Применение ионно-лучевой обработки подложек для повышения адгезионной прочности
  11. Пезешкиан Н. Урологические заболевания Способность выводить проблемы через почки и давать понять о «недержащихся состояниях»; способность «плакать нижней частью тела». Определение
  12. Влияние совместного действия обработки подложек: в тлеющем разрядеи предварительного нагрева перед напылением на адгезионную прочность
  13. § 23. Переход от способности суждения о прекрасном к способности суждения о возвышенном
  14. Артур Шопенгауэр. О четверояком корне закона достаточного основания. Мир как воля и представление Том 1. Критика кантовской философии. Мир как воля и представление, 1993