Сплавы системы Cr–Ni–Si для получения резистивных элементов интегральных микросхем методом магнетронного распыления

This article presents the results of the study of the effect of annealing on the sheet resistivity and temperature coefficient of resistance (TCR) of resistive films obtained from targets of the Cr–Ni–Si system using magnetron sputtering. A diagram of the composition–sheet resistivity of the Cr–Ni–Si system films with a thickness of 100 nm is proposed. It was established that resistive films of the Cr–Ni–Si system deposited by magnetron sputtering on silicon semiconductor plates with a SiO2 sublayer with a thickness of 100 nm, have sheet resistivity up to 350 Ω/square. It is shown that it is necessary to determine their eutectic compositions for the manufacture of targets by casting. Calculations were carried out and it was established that eutectics of the Cr–Ni–Si system contain 36.4 and 38.5 at.% Ni, which is 4 to 6 times higher than in the PC series alloys of this system. Due to the high content of Ni sheet resistivity films of eutectic compositions with a thickness of 100 nm is in the range from 100 to 200 Ω/square. It was noted that it is necessary to develop new four-five-component alloys based on the Cr–Ni–Si system with the introduction of refractory (Mo, Nb) and rare-earth (La, Y) elements into it, in order to increase the sheet resistivity of films and to decrease the melting temperature of alloys.Представлены результаты исследования влияния режимов термообработки на удельное поверхностное сопротивление (УПС) и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистивных пленок, полученных из мишеней системы Cr–Ni–Si методом магнетронного распыления. На основании обобщения экспериментальных данных предложена диаграмма состав–УПС пленок системы Cr–Ni–Si толщиной 100 нм. Установлено, что резистивные пленки системы Cr–Ni–Si, нанесенные методом магнетронного распыления на кремниевые полупроводниковые пластины с подслоем SiO2, при толщине 100 нм имеют УПС до 350 Ом/кв. Показано, что для изготовления мишеней магнетронных распылительных систем (МРС) методом литья необходимо снизить температуру плавления и хрупкость сплавов, то есть определить их эвтектические составы. Проведены расчеты и установлено, что эвтектики в системе Cr–Ni–Si содержат 36,4 и 38,5 ат.% Ni, что в 4–6 раз выше, чем у сплавов серии РС этой системы. В связи с большим содержанием Ni УПС пленок эвтектических составов толщиной 100 нм находится в диапазоне от 100 до 200 Ом/кв. Отмечено, что для повышения УПС резистивных пленок и снижения температуры плавления сплавов целесообразна разработка новых четырех- и пятикомпонентных сплавов на основе системы Cr–Ni–Si с введением в нее тугоплавких (Mo, Nb) и редкоземельных (La, Y) элементов

Литые катоды и мишени системы Al–Cr–Nb–Si для нанесения упрочняющих нитридных покрытий

The article describes a method for determining eutectic compositions of 3- and 4-component systems for obtaining cathodes and targets by casting. The eutectic compositions of the alloys in the ternary systems Al–Nb–Si, Cr–Nb–Si and the 4-component system Al–Cr–Nb–Si are calculated. The cathode of the eutectic composition (68Al8Cr4Nb20Si) at.%. was obtained by casting in a vacuum-induction furnace. The microstructure of the cathode material is investigated. Phase and elemental analysis are performed. The melting point of the alloy is determined by DSC (differential scanning calorimetry) and is 570 °C. The results of the research of hardening nitride coatings obtained by vacuum arc deposition in a nitrogen atmosphere are presented. The developed alloy of the Al–Cr–Nb–Si system of eutectic composition, namely (68Al8Cr4Nb20Si) at.% is used as a cathode. The dependence of the microhardness of the coatings on the pressure of nitrogen is determined. The microhardness of the coatings obtained at nitrogen pressure of 7 · 10–2 Pa reached 30 GPa. The phase composition of the coatings is investigated. All samples contain AlN, NbN, Si3N4 phases. The coefficient of friction of these coatings is 0.75–0.8. Cast cathode (68Al8Cr4Nb20Si) at.% can be an alternative to replace the currently used powder and composite cathodes.Описан метод определения эвтектических составов трех- и четырехкомпонентных систем для получения катодов и мишеней методом литья. Проведен расчет эвтектических составов сплавов в тройных системах Al–Nb–Si, Cr–Nb–Si и четверной системы Al–Cr–Nb–Si. Методом литья в вакуумной индукционной печи получен катод состава, близкого к эвтектическому, а именно (68Al8Cr4Nb20Si) ат.%. Исследована микроструктура, элементный и фазовый состав материала катода. Температура плавления сплава была определена методом ДСК (дифференциальной сканирующей калориметрии) и составила 570 °С. Представлены результаты исследования упрочняющих нитридных покрытий Al–Cr–Nb–Si–N, полученных методом вакуумного катодно-дугового осаждения в атмосфере азота. В качестве катода использовался разработанный сплав. Установлена зависимость микротвердости покрытий от давления азота. С увеличением давления азота микротвердость покрытий увеличивалась от 15 ГПа при Разота = 1 · 10–2 Па до 30 ГПа при Разота = 7 · 10–2 Па, а затем снижалась до 20 ГПа. Исследован фазовый состав покрытий. Во всех образцах присутствуют фазы AlN, NbN, Si3N4. Коэффициент трения покрытий, полученных при давлении азота (1–50) · 10–2 Па, стабилизировался на уровне 0,75–0,8. Литой катод (68Al8Cr4Nb20Si) ат.% может быть альтернативой для замены используемых в настоящее время порошковых и составных катодов

ЭКРАНИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ НА СТЕКЛЯННЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Coatings In2O3 + SnO2 (ITO) and ZrO2 – Ni – ZrO2 – Cu – Ni – ZrO2 deposited on glass and polymer substrates, are presented. Their shielding properties in the optical and radio frequency wavelength ranges have been studied. Samples with coatings 120(In2О3 +SnО2 ) and 90ZrO2 /8Ni/90ZrO2 /22Cu/5Ni/35ZrO2 have good shielding properties (98 % of electromagnetic emission is reflected in the range of 0.7…17 GHz). ITO-coating has low surface resistance of 8…9 ohms/ square per square in combination with high light transmittance (T ~ 90 %). However, in order to achieve these properties one needs to heat the substrate up to 300…400 °C. The coating 90ZrO2 /8Ni/90ZrO2 /22Cu/5Ni/35ZrO2 has surface resistance of 2…3 ohms/square per square and light transmittance of about 60 %. These values have been obtained without heating of the substrate and, as a consequence, this coating may be deposited on temperature-sensitive materials such as polycarbonate. Moreover, since 90ZrO2 /8Ni/90ZrO2 /22Cu/5Ni/35ZrO2 coating is a multilayer coating containing layers of pure metals that have high electric conductivity and magnetic permeability and ZrO2 layers with high dielectric permeability it has higher shielding effectiveness than ITO alloy coating. It has been demonstrated that ZrO2 – Ni – ZrO2 – Cu – Ni – ZrO2 coatings may be used for protection of display screens since they comply with the requirements of screens of information displays devices. В данной статье представлены покрытия In2O3 +SnO2 (ITO) и ZrO2 – Ni – ZrO2 – Cu – Ni – ZrO2 , нанесенные на стеклянные и полимерные подложки. Изучены их экранирующие свойства в оптическом и радиочастотном диапазонах длин волн. Образцы с покрытиями 120(In2O3 +SnO2 ) и 90ZrO2 /8Ni/90ZrO2 /22Cu/5Ni/35ZrO2 имеют хорошие экранирующие свойства (98 % падающего электромагнитного излучения отражается в радиочастотном диапазоне длин волн 0,7…17 ГГц). ITO-покрытие имеет низкое поверхностное электросопротивление 8…9 Ом/кв в сочетании с высоким светопропусканием (Т~90 %). Однако для достижения таких свойств необходим нагрев ITO-подложки до температур 300…400 °C. Покрытие 90ZrO2 /8Ni/90ZrO2 /22Cu/5Ni/35ZrO2 имеет поверхностное электросопротивление порядка 2…3 Ом/кв и светопропускание около 60 %. Такие значения были достигнуты без нагрева подложки и, как следствие, это покрытие может быть нанесено на нетермостойкий материал, например поликарбонат. Кроме того, так как покрытие 90ZrO2 /8Ni/90ZrO2 /22Cu/5Ni/35ZrO2 многослойное, содержащее слои чистых металлов, с высокими электропроводностью и магнитной проницаемостью и слои ZrO2 с высокой диэлектрической проницаемостью, то его эффективность экранирования выше, чем у покрытия из сплава ITO. Показано, что покрытия системы ZrO2 – Ni – ZrO2 – Cu – Ni – ZrO2 можно использовать для защиты экрана монитора, так как оно соответствует требованиям к экранам устройств отображения информации.

Влияние шероховатости поверхности подложек на экранирующие от электромагнитных излучений свойства формируемых на них покрытий

Research has been carried out and regularities of influence of micro- and macro-roughness of surface of substrate layers on electromagnetic radiation shielding characteristics of coatings deposited on them have been determined. It has been shown that the bigger the value of the ratio of the product of the surface roughness Rz by the length of descent of an electromagnetic wave X (the Rayleigh parameter), the bigger influence the roughness has on surface reflection. In engineering evaluations aimed at designing electromagnetic radiation shields roughness can be disregarded, if the wavelength of electromagnetic radiation exceeds 1 • 10-2 m.Проведены исследования и выявлены закономерности влияния микро- и макронеровностей (шероховатости) поверхности подложек на экранирующие свойства формируемых на них покрытий. Показано, что чем больше величина отношения параметра шероховатости поверхности Rz к длине волны электромагнитного излучения 1 (параметр Релея), тем сильнее влияние неровностей на ее отражении от поверхности. В инженерных расчетах при создании экранов от электромагнитных излучений величина шероховатости может не приниматься во внимание, если длина волны электромагнитного излучения превышает 1 • 10-2 м

ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЭКРАНЫ

The examples of transparent electromagnetic high-efficiency screening shields have been analyzed, the results of measuring the screening efficiency of engineering designs consisting of a glass base and a multilayer metal-ceramic coating have been presented.Рассмотрены примеры прозрачных электромагнитных экранов с высокой эффективностью экранирования, приведены результаты измерений эффективности экранирования конструкций, представляющих собой стеклянное основание с многослойным покрытием в системе металл-керамика

Model of transmission of multilayer coatings based on the cu-zro2 system in the optical wavelength range

Разработана модель пропускания в оптическом диапазоне длин волн многослойными покрытиями, состоящими из чередующихся слоев меди и диоксида циркония, нанесенными на подложки из стекла марки К8. В основу модели положены законы интерференции света. Показано, что пропускание в оптическом диапазоне слоя Cu толщиной 60 нм при поверхностном сопротивлении ρ = 10 Ом/кв составляет 4–5 %, а пропускание покрытия ZrO2/Cu/ZrO2/Cu/К8, полученного разделением слоя меди толщиной 60 нм на два подслоя по 30 нм с нанесением на них просветляющих слоев ZrO2, при ρ = 1,2 Ом/кв достигает 25 %. Рассчитаны толщины и количество слоев системы Cu-ZrO2, обеспечивающих пропускание в диапазоне длин волн 400–700 нм не менее 45 %. Определена допустимая толщина слоев Cu (≥ 20 нм), ниже которой, вследствие их островковой структуры и частичного окисления с образованием Cu2O, резко снижается электропроводность многослойного покрытия (ρ ≥ 100 Ом/кв).The transmission model for optical diapason was developed for multilayer coatings consisting of alternating layers of copper and zirconium dioxide deposited on K8 glass substrates. The model is based on the laws of light interference. It was shown that the transmission in the optical range of a 60 nm thick Cu layer with a surface resistance ρ = 1 Ohm/sq is 4–5 %, and the transmission of the ZrO2/Cu/ZrO2/Cu/К8 coating obtained by dividing a 60 nm thick copper layer into two sublayers at 30 nm with the application of antireflection layers of ZrO2 on them, at ρ = 1.2 Ohm/sq it reaches 25 %. The thicknesses and the number of layers of the Cu-ZrO2 system were calculated, which ensure a transmission in the wavelength range of 400–700 nm of at least 45 %. The permissible thickness of Cu layers (≥ 20 nm) was determined, below which, due to their insular structure and partial oxidation with the formation of Cu2O, the electrical conductivity of the multilayer coating sharply decreases (ρ ≥ 100 Ohm/sq)

Корреляция радиуса катодного пятна вакуумной дуги металлов и размера генерируемых микрокапель

The simple relation to estimate the cathode spot radius of a vacuum arc of pure metals is obtained. On its basis, is established between the cathode spot radius and the size of droplets generated by the cathode spot a correlation. This enables to find ways to reduce droplets in the plasma flow, which forms coatings by the vacuum electric arc method. The paper presents the results of experimental study of the droplet sizes depending on the vacuum arc current iд. The size and amount of the droplets on an area of 1 mm2 of the coating surface are determined using the ImageSP program. As the initial data, the microstructures of the coatings are used with an increase of: ç100, ç200, ç500, ç1000, ç1500. The droplets have been generated by a cathode spot of a vacuum arc for the alloy of the composition, at.%: 68Al–8Cr–4Nb–20Si. It is established that the number of droplets with a diameter of < 2 μm is generated most of all, and the number of droplets with a diameter > 10 μm is generated least of all. The number of generated droplets with a diameter from 2 to 10 μm slightly depends on the arc current iд. It is noted that the diameter of the alloy droplet is smaller than the diameter of the droplets generated by the cathode spot on its components due to the fact that the radius of the cathode spot on the alloy is smaller than the radius of the cathode spot on its pure components.Получено простое соотношение для оценки радиуса катодного пятна вакуумной дуги чистых металлов, и на его основе установлена корреляционная связь между радиусом катодного пятна и размерами микрокапель, генерируемых катодным пятном, что позволяет находить пути их уменьшения в плазменном потоке, который формирует покрытия вакуумным электродуговым методом. Представлены результаты экспериментального исследования размеров микрокапель, генерируемых катодным пятном вакуумной дуги, для сплава состава, в ат.%: 68Al–8Cr–4Nb–20Si, в зависимости от силы тока вакуумной дуги iд. Размер и количество капельной фазы на площади в 1 мм2 поверхности покрытия определены с помощью программы ImageSP. В качестве исходных данных использовали микроструктуры покрытий с увеличением: ç100, ç200, ç500, ç1000, ç1500. Установлено, что больше всего генерируется микрокапель диаметром < 2 мкм, а меньше всего – диаметром > 10 мкм. Количество генерируемых микрокапель диаметром от 2 до 10 мкм незначительно зависит от iд. Отмечено, что диаметр микрокапель сплава меньше, чем диаметр микрокапель, генерируемых катодным пятном на его компонентах, за счет того, что радиус катодного пятна на сплаве меньше, чем радиус катодного пятна на его чистых компонентах

Применение вибродиагностики при создании элементов персонального электротранспорта

The study of vibration loading of the main elements of personal electric vehicles and the search for ways to reduce vibration characteristics was conducted. The issues of measuring vibration arising on a bicycle, which is driven by human muscle power and an electric drive, are considered. Measurements of vibration acceleration and frequency spectra in a certain area of motion were carried out using the “Octave-101VM” spectrum analyzer in three stages. At the first stage, the electric bike was driven by a pedal drive, at the second – by an electric drive, at the third – the pedals and the electric drive worked in parallel. As a result of the tests carried out, it was found that the greatest vibration occurred in the “Motor” mode during the use of an electric bicycle, the least vibration occurred when driving with the electric motor turned off. It was found that the electric drive increases the vibration level (at the same time, the electric bike does not exceed the maximum permissible values of vibration levels on all axes). In order to reduce the vibration arising from the electric motor on a personal electric vehicle, a 3D computer model has been developed and an airless wheel mover has been manufactured using this model on a 3D printer (a wheel for an electric scooter with internal damping has been manufactured). Bench tests have shown that the developed wheel, in comparison with a pneumatic tire, has a smaller (up to 45 %) contact spot. The results obtained can be used in the development of competitive products, in particular personal electric vehicles.Проведено исследование вибронагруженности основных элементов персональных электрических транспортных средств и поиск путей снижения вибрационных характеристик. Рассмотрены вопросы измерения вибрации, возникающей на велосипеде, который приводится в движение мускульной силой человека и электроприводом. Измерения виброускорения и частотных спектров на определенном участке движения осуществлялись с помощью анализатора спектра «Октава-101ВМ» в три этапа. На первом этапе электровелосипед приводился в движение с помощью педального привода, на втором – электроприводом, на третьем – педали и электропривод работали параллельно. В результате проведенных испытаний установлено, что наибольшая вибрация происходила в режиме «Мотор» в процессе использования электровелосипеда, наименьшая вибрация – при езде с выключенным электродвигателем. Обнаружено, что электропривод увеличивает уровень вибрации (при этом у электровелосипеда по всем осям не происходит превышения предельно допустимых значений уровней вибраций). С целью уменьшения возникающей от электродвигателя вибрации на персональном электротранспорте разработана компьютерная 3D-модель и изготовлен по данной модели на 3D-принтере безвоздушный колесный движитель (колесо для электросамоката с внутренним демпфированием). Стендовые испытания показали, что разработанное колесо в сравнении с пневматической шиной имеет меньшее (до 45 %) пятно контакта. Полученные результаты можно использовать при разработке конкурентоспособной продукции, в частности персонального электротранспорта

Токопроводящие материалы для соединительных шин многоэлементных аккумуляторных тяговых батарей

The article deals with the choice of materials for connecting tires of traction batteries (TB). The optimal parameters of their spot welding with batteries are experimentally established (the first pulse with a current of 7 kA duration of 1 ms, the break between the pulses of 1 ms, the second pulse with a current of 7 kA duration of 2 ms). When operating the traction battery on electric vehicles, the resistance of the connecting tires should not lead to heating of the batteries in order to avoid overheating above 60 °C. In most modern TB, consisting of Li-ion elements, a nickel tape is used for the connection. To ensure the weldability of materials (copper–nickel or nickel–nickel), it is important that the operating temperature is reached at a short-term current pulse in the welding zone. One of the solutions to this problem is the application of a metal coating. Experiments were conducted on the weldability of various materials, including those with applied coatings. The best results in weldability were shown by tires made of tinned copper, which was welded to nickel plates (emitting the battery body). Tear tests of the welded samples were carried out. The tensile strength of the original copper tires was 340–450 MPa. When welding copper–nickel and copper(tinned) – nickel plates, the strength limit values reach 70 % of the strength of the original copper plate. On the basis of the obtained experimental data, a pilot batch of battery TB was manufactured, which successfully passed tests for compliance with the technical requirements for the strength and the value of the transition resistances of the welded joints of connecting buses with batteries.Рассмотрены вопросы выбора материалов для соединительных шин тяговых батарей (ТБ). Экспериментально установлены оптимальные параметры их точечной сварки с элементами питания: первый импульс с силой тока 7 кА длительностью 1 мс, перерыв между импульсами 1 мс, второй импульс с силой тока 7 кА длительностью 2 мс. При работе ТБ на электротранспорте сопротивление соединительных шин не должно приводить к нагреву элементов питания во избежание перегрева выше 60 °С. В большинстве современных ТБ, состоящих из литий-ионных элементов, для соединения используется никелевая лента. Для обеспечения свариваемости материалов (медь–никель или никель–никель) важно, чтобы при краткосрочном импульсе тока в зоне сварки была достигнута рабочая температура. Один из вариантов решения данной задачи – это нанесение металлического покрытия. Проведены эксперименты по свариваемости различных материалов, в том числе с нанесенными покрытиями. Наилучшие результаты по свариваемости показала шина из луженой меди, которую приваривали к никелевым пластинам, эмитирующим корпус элемента питания. Проведены испытания на разрыв сваренных образцов. Предел прочности на разрыв исходных шин меди составил 340–450 МПа. При сваривании пластин медь–никель и медь (луженая) – никель показатели предела прочности достигли 70 % от прочности исходной медной пластины. На основании полученных экспериментальных данных изготовлена опытная партия аккумуляторных ТБ, которая успешно прошла испытания на соответствие техническим требованиям по прочности и величине переходных сопротивлений сварных соединений соединительных шин с элементами питания

INSULATING CERAMIC INSERTS FOR CASTING PRODUCTS FROM ALUMINUM ALLOYS

The paper analyses production of reusable ceramic insulating inserts applied in permanent mold casting of aluminum alloys. It presents results of manufacturing of ceramic products from synthesized materials based on wollastonite, secondary grog, aluminum slag, etc. The paper demonstrates prospects of their applying