空間微電子產業用納米二硫化鉬-銅基電接觸薄膜及制備方法
【專利摘要】本發明公開一種空間微電子行業用納米二硫化鉬-銅電接觸薄膜及其制備方法。所述薄膜組分質量比為銅:二硫化鉬=（94～97）:（6～3），薄膜厚度為10~70微米，薄膜孔隙率小于1%；電導率真空熱處理后最高可達62IACS%；在滑動速度為≤0.2米/秒、載荷為1牛頓時，薄膜摩擦系數≤0.1。所述制備方法是：該薄膜以納米二硫化鉬顆粒為固體潤滑劑，通過電刷鍍技術將納米二硫化鉬顆粒均勻分散在銅基質中，銅基質通過電化學原理沉積出來并將納米二硫化鉬顆粒緊密包裹。本發明顯著改善了真空環境銅的摩擦磨損性能，是一種可以從一定程度上代替金-二硫化鉬（Au-MoS2）薄膜作為空間微電子產業用的電接觸薄膜材料。
【專利說明】空間微電子產業用納米二硫化鉬-銅基電接觸薄膜及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜及制備方法，屬于微電子產業中電接觸材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]有色金屬銅由于優異的導熱導電性、韌性、延展性和加工性能而成為微電子產業中電接觸材料的首選，如各種電刷、電樞等電接觸材料。但是銅材由于本身強度低、易變形、磨損大，導致其作為電接觸材料時雖然表現出很好的導電導熱性能，也伴隨有較大的磨損現象，導致接觸電阻增大，發熱，熔融等。在銅基材料中加入某些無機物質，可以在保持銅材良好的導電導熱性能上，顯著提高銅材的抗摩擦磨損性能。因此，開發能夠延長銅基電滑動材料的使用壽命的銅基復合材料的制備方法和技術就具有重大的社會意義和經濟效益。
[0003]二硫化鑰是一種適合真空應用的固體潤滑劑。它是一種層狀化合物。大量的研究表明，在高導電的金屬中引入一定量的二硫化鑰可以顯著改善金屬的性能，如常用的貴金屬金，常被用作微電子產業中的主要電接觸材料。人們通過磁控濺射法、物理氣相沉積法制備了多種二硫化鑰含量的金-二硫化鑰薄膜，極大改善了鍍金薄膜的電接觸性能。但是金材料的昂貴也極大限制了其在微電子行業應用。目前，粉末冶金法制備的銅-二硫化鑰材料已經得到了很多應用，但用于空間微電子產業的納米二硫化鑰-銅薄膜制備的報道幾乎未見到。
[0004]目前制備金屬-二硫化鑰涂層的主要方法是沉積法，沉積法包括濺射沉積法、電沉積法和熱噴涂法等。相比較而言，濺射沉積法一般沉積率較低，設備復雜且價格較高；電沉積法雖然沉積速度較慢，但容易獲得質量較高的薄膜產品。電刷鍍法是一種工藝控制簡單、厚度可控、適合薄膜結構 制備的工藝方法。可以在多種金屬基材表面實施刷鍍。
[0005]鑒于此，本發明期望通過利用電刷鍍技術，制備一種空間微電子產業應用的納米二硫化鑰復合的銅基電接觸薄膜。通過納米二硫化鑰顆粒的引入，改善銅基薄膜的潤滑性能，延長銅基薄膜作為電接觸薄膜的使用壽命，能夠在一定程度上替代金-二硫化鑰薄膜。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于提供一種空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜及其制備方法。該發明所得納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜在保持銅的優良導電性能基礎上，可顯著改善了真空下銅的摩擦磨損性能，是一種能夠替代金-二硫化鑰薄膜的金屬電接觸薄膜。
[0007]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:所述納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜由電刷鍍方法制備，其中，MoS2顆粒為40~80納米。所述薄膜厚度為10-70微米，薄膜組分質量比為銅:二硫化鑰=(94~97): (6~3)，薄膜孔隙率小于1%。未經真空熱處理的導電率為(49~53)%IACS，真空熱處理后，薄膜導電率為(59~65)%IACS。在滑動速度為小于等于0.2米/秒、載荷為I牛頓時，薄膜摩擦系數小于等于0.1。
[0008]本發明制備所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的制備方法包括下述步驟:
(I)堿性銅鍍液的配制
首先配制濃度為(200~220)克/升硫酸銅溶液，濃度為(200~210)毫升/升的乙二胺溶液，濃度為(95~105)克/升檸檬酸銨溶液。混合后，往混合液中加入(40~80)納米的二硫化鑰粉體，加入量按照10克/升計算，然后加入陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨和非離子表面活性劑聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯一吐溫80的復合表面活性劑，對二硫化鑰納米顆粒進行分散改性。加入量為陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨0.5克/升，非離子表面活性劑聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯一吐溫80為0.5克/升，并不斷進行磁力攪拌。配制鍍液的PH值采用pH試紙測定，用氨水滴加的方法調節到pH值范圍在(10~11)間。
[0009](2)金屬基材預處理
電刷鍍所述納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜時，必須對金屬基材進行鍍前表面處理:第一步:對金屬基材進行800號砂紙打磨。由于金屬基材表面上有表面污染、氧化膜、表面粗糙、失圓或有疲勞層、較厚的銹蝕等，如果不進行徹底清理，很難得到結合強度良好的鍍層。
[0010]第二步:經過800號砂紙打磨后，金屬基材要進行電凈化處理。所述納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電凈液由硅酸鈉、碳酸鈉和磷酸鈉組成，濃度分別為硅酸鈉15克/升、碳酸鈉20克/升和磷酸鈉25克/升。凈化時，采用電壓12伏，鍍筆接正極，金屬基材接負極，鍍筆與金屬基材的相`對運動速度為9-15米/分鐘，電凈時間為20秒。電凈化后，金屬基材需要用蒸餾水沖洗。
[0011]第三步:電凈后的金屬基材，需要進一步的活化處理
活化液由濃度25克/升的鹽酸與濃度為140克/升的氯化鈉混合而成。活化的目的是通過電化學作用進一步去除鍍件表面的氧化膜和其它雜質，使表面呈現新鮮的金屬組織，它直接關系到鍍層與基體金屬結合強度的好壞。納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的活化工藝規范為:電壓12V，鍍筆接負極，金屬基材接正極，相對運動速度為9-15米/分鐘，活化時間為20~25秒。活化處理后，金屬基材必須用蒸餾水沖洗多次。
[0012]第四步，為了改善和提高納米二硫化鑰-銅薄膜與金屬基材的結合強度，對金屬基材的刷鍍一層1-2微米后的特殊鎳層。
[0013]所述特殊鎳層由特殊鎳溶液刷鍍而成，所述特殊鎳溶液是一種強酸性溶液，顏色深綠，pH為1，有很強的醋酸味。所述特殊鎳溶液配制的成分為硫酸鎳濃度為396克/升，氯化鎳濃度為15克/升，鹽酸濃度為21克/升和羧酸濃度69克/升。鍍特殊鎳層的工藝參數為:電壓10-12伏，鍍筆接正極，試樣接負極，相對運動速度為10-15米/分鐘，刷鍍時間為10秒。鍍完后進行蒸餾水沖洗，以備刷鍍。
[0014](3)所述納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍工藝參數
采用北京巨龍技術開發實業部生產的DSD-75-S刷鍍機，鍍筆為ZDB-1型鍍筆，配用冷壓石墨陽極制備納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜。刷鍍時電壓為8伏，納米二硫化鑰濃度范圍為10~15克/升，鍍液pH值范圍為10~11，刷鍍速度為8~10米/分鐘，刷鍍時間依據薄膜厚度在5~20分鐘調整，刷鍍環境溫度為20~25°C。
[0015](4)刷鍍薄膜的真空熱處理
刷鍍后薄膜的真空熱處理溫度為400~500°C，保溫時間60分鐘，真空度為10_2~
I(T4Pa。
[0016](5)本發明所述金屬基材為2A12型鋁合金和軸承鋼。
[0017](6)本發明所得薄膜組分是銅和二硫化鑰，薄膜組分質量比為銅:二硫化鑰=(94 ~97): (6 ~3)。
[0018]本發明所述的納米二硫化鑰-銅電接觸薄膜性能測試如下:
(7)薄膜的導電率測定
a.納米二硫化鑰-銅電接觸薄膜的體積電阻率采用四探針法測定。四探針法測試原理如圖1。將刷鍍后獲得的薄膜，剝落，切割成IOmmX Imm形狀，采用ApplentAT510直流電阻測試儀測量鍍層的電阻，然后根據鍍層厚度，由下面公式，計算出鍍層電阻率:
【權利要求】
1.一種空間微電子產業用的納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜，其特征是:所述納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜由電刷鍍方法制備，其中，MoS2顆粒為40~80納米；所述薄膜厚度為10-70微米，薄膜組分質量比為銅:二硫化鑰=(94~97): (6~3)，薄膜孔隙率小于1% ;未經真空熱處理的導電率為(49~53) %IACS，真空熱處理后，薄膜導電率為(59~65) %IACS ;在滑動速度為< 0.2米/秒、載荷為I牛頓時，薄膜摩擦系數< 0.1。
2.一種根據權利要求1所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍制備方法，其特征是，所述方法包括下述步驟: (1)堿性銅鍍液的配制 首先配制濃度為(200~220)克/升硫酸銅溶液，濃度為(200~210)毫升/升的乙二胺溶液，濃度為(95~105)克/升檸檬酸銨溶液；混合后，往混合液中加入(40~80)納米的二硫化鑰粉體，加入量按照10克/升計算，然后加入陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨和非離子表面活性劑聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯一吐溫80的復合表面活性劑，對二硫化鑰納米顆粒進行分散改性；加入量為陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨0.5克/升，非離子表面活性劑聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯一吐溫80為0.5克/升，并不斷進行磁力攪拌；配制鍍液的PH值采用pH試紙測定，用氨水滴加的方法調節到pH值范圍在(10 ~11)間； (2)金屬基材預處理 電刷鍍納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜時，必須對金屬基材進行鍍前表面處理: 第一步:對金屬基材進行800號砂紙打磨； 第二步:經過800號砂紙打磨后，金屬基材要進行電凈化處理` 納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電凈液由硅酸鈉、碳酸鈉和磷酸鈉組成，濃度分別為硅酸鈉15克/升、碳酸鈉20克/升和磷酸鈉25克/升；凈化時，采用電壓12伏，鍍筆接正極，金屬基材接負極，鍍筆與金屬基材的相對運動速度為9-15米/分鐘，電凈時間為20~25秒；電凈化后，金屬基材需要用蒸餾水沖洗； 第三步:電凈后的金屬基材，需要進一步的活化處理 活化液由濃度25克/升的鹽酸與濃度為140克/升的氯化鈉混合而成；納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的活化工藝規范為:電壓12V，鍍筆接負極，金屬基材接正極，相對運動速度為9-15米/分鐘，活化時間為20~25秒；活化處理后，金屬基材必須用蒸餾水沖洗多次； 第四步，為了改善和提高納米二硫化鑰-銅薄膜與金屬基材的結合強度，對金屬基材刷鍍一層1-2微米厚的特殊鎳層； (3)納米二硫化鑰-銅基電接觸涂層的電刷鍍 采用DSD-75-S刷鍍機，鍍筆為ZDB-1型鍍筆，配用冷壓石墨陽極制備納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜；刷鍍時電壓為8伏，納米二硫化鑰濃度范圍為10~15克/升，鍍液PH值范圍為10~11，刷鍍速度為8~10米/分鐘，刷鍍時間依據薄膜厚度在5~20分鐘調整，刷鍍環境溫度為20~25°C ； (4)刷鍍薄膜的真空熱處理 刷鍍后薄膜的真空熱處理溫度范圍為400~500°C，保溫時間60分鐘，真空度范圍為10 2 ~10 4Pa0
3.根據權利要求2所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍制備方法，其特征是:所述特殊鎳溶液是一種強酸性溶液，顏色深綠，PH為1，有很強的醋酸味；配制方法:將濃度范圍是(390~400)克/升的硫酸鎳溶液，濃度為15克/升的氯化鎳溶液，濃度為(20~22)克/升鹽酸溶液和濃度為(65~70)克/升羧酸溶液混合得到。
4.根據權利要求3所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍制備方法，其特征是:所述對金屬基材特殊鍍鎳的工藝參數為:電壓10~12伏，鍍筆接正極，金屬基材接負極，相對運動速度為10~15米/分鐘，刷鍍時間為10~15秒。
5.根據權利要求2所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍制備方法，其特征是:所述金屬基材為2A12型鋁合金和軸承鋼。
6.根據權利要求2所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍制備方法，其特征是:所述薄膜的導電率的測定包括以下兩個步驟: 步驟1: 采用四探針法測定納米二硫化鑰-銅電接觸薄膜的體積電阻率，將刷鍍后獲得的薄膜，剝落，切割成IOmmXlmm形狀，采用ApplentAT510直流電阻測試儀測量鍍層的電阻，然后根據鍍層厚度，由下面公式，計算出鍍層電阻率:
7.根據權利要求2所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍制備方法，其特征是:所述薄膜的摩擦性能測定，采用中國科學院蘭州化學物理研究所研制GTM-3E真空摩擦磨損試驗機對薄膜的摩擦系數進行測量，摩擦形式是球-盤式,磨球為直徑6毫米的52100不銹鋼球，磨球表面粗糙度Ra小于0.08微米；試驗參數為正壓力I牛頓，滑動速度0.2米/秒，滑動距離100米，載荷加載精度為0.1牛頓。
8.根據權利要求2所述的空間微電子產業用納米二硫化鑰-銅基電接觸薄膜的電刷鍍制備方法，其特征是:所述薄膜的結構表征，采用S-4800場發射掃描電子顯微鏡觀測薄膜厚度、截面形貌、磨痕形貌，場發射電鏡的加速電壓為20 kV;采用INCA ENERGY SEM250型能譜分析儀(EDS)對涂層及磨痕表面進行元素分析，薄膜成分采用D-MAX-2500PC型X射線衍射儀測定，測試參數為=Cu-Ka輻射，特征波長為0.15406 nm，衍射角(2 Θ )范圍為20~80°，掃 描速度為4° /min,掃描步長為0.02°，電壓為40kV，電流為100mA。
【文檔編號】B82Y40/00GK103695989SQ201310725956
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】梁波, 溫銀堂, 周新芳, 王文魁 申請人:燕山大學