تکنولوژی آبکاری بیش از 2000 سال است که وجود دارد و در طول دو هزاره گذشته به طور پیوسته مورد استفاده قرار گرفته است. تکنولوژی آبکاری مدرن بسیار پیشرفته است و به منظور در برگرفتن محدوده وسیعی از کاربردها گسترش داده شده است؛ یعنی علاوه بر کاربرد صنعتی از آن برای تمام‌کاری سطحی، تکنولوژی آبکاری هم اکنون می تواند برای فرایندهای جدید به منظور ساخت فیلم هایی با کارآیی زیاد یا بدنه هایی با ریزساختار ریز در صنایع میکرو الکترونیک مورد استفاده واقع شود. این پیشرفت سریع نشان دهنده پتانسیل روش آبکاری برای تبدیل شدن به یکی از تکنیک های پیشرو امروزی است.
با این وجود، سرعت توسعه تکنولوژی آبکاری به دلیل فقدان اصول نظری عمیق کند است و عموماً بر پایه روش سعی و خطا برای حصول فیلم هایی با خصوصیات مورد نظر استوار است. علی رغم تلاش های فراوان، هنوز یک تئوری واحد برقرار نشده است که این کنترل را به یک روش مناسب فراهم کند. این کتاب مجموعه‌ای از نتایج آزمایشگاهی متعددی است که در طول 34 سال گذشته به دست آمده اند. در اینجا مفهوم ” نظریه کنترل ریزساختار “ برای فیلم‌های آبکاری شده معرفی خواهد شد که متفاوت از تئوری‌های پیشین است. سپس نتایج آزمایشگاهی متعددی که تأیید کننده صحت این تئوری هستند توصیف خواهند شد. در نهایت، مجموعه عظیمی ازداده های تجربی در مورد سیستم های فلزی/آلیاژی آبکاری شده با تأکید بر ریزساختار آنها آورده شده اند.
واضح است که در سال های اخیر تحقیقات بسیاری در مورد کنترل ریزساختار فیلم‌های آبکاری شده انجام شده است. پس از ده ها سال تحقیق در مورد تکنولوژی آبکاری، نویسندگان احساس کردند که نیاز ضروری به یک کتاب در مورد نظریه کنترل ریزساختار در صنعت آبکاری وجود دارد. بنابراین کتاب حاضر تألیف شد، اگرچه مباحث مطرح شده در آن هنوز کامل نیستند. برای توصیف یک روش مؤثر برای تحقیق در مورد فرایند آبکاری، روش های تحقیقاتی و تجربی آبکاری توضیح داده شده اند. ریزساختار 53 نوع از فلزات خالص و آلیاژهای آبکاری شده گردآوری شده اند، که یک مجموعه داده مفید را برای فیلم های آبکاری شده فراهم می کند. ویژگی منحصر به فرد این مجموعه داده ها این است که حمام‌های آبکاری انتخاب شده ساده بوده و اغلب بدون افزودنی هستند. علاوه بر این، مواد آمورف به عنوان زیرلایه انتخاب شدند تا اینکه از تأثیر ساختار زیرلایه جلوگیری بعمل آید. همچنین، زیرلایه های تک بلوری به منظور مطالعه پدیده رشد اپیتاکسی مورد استفاده قرار گرفتند.
مجموعه داده‌ها برای ریزساختار فیلم‌های آبکاری شده :
همانطور که در شکل 1- 2 فصل اول توضیح داده شد، ریزساختار فیلم های آبکاری شده را میتوان به هفت نوع دسته بندی کرد. در این فصل موارد ذیل مورد بررسی قرار خواهند گرفت:ساختار بلوری (ساختار فازی)، اندازه دانه (اندازه بلور)، مورفولوژی سطحی و بافت (جهت گیری ترجیحی) انواع فلزات خالص و آلیاژهای رسوب نشانی شده. همانطور که قبلاً توضیح داده شد، ایده ی اصلی تشریح ریزساختار فیلم های آبکاری شده بدین ترتیب است که: اساساً ریزساختار و اندازه بلوری فیلم‌های آبکاری شده به ترکیب فیلم بستگی دارد و نه به شرایط آبکاری. اگر چه دمای محلول آبکاری و پتانسیل اضافی نیز بر ریزساختار و اندازه دانه تأثیر گذار هستند ولی اهمیت آنها در درجه ی دوم قرار دارد.
به عبارتی دیگر، اگر ترکیب یکسان باشد، ریزساختار و اندازه دانه فیلم های آبکاری شده نیز صرف نظر از شرایط آبکاری بایستی یکسان باشد. با این وجود، مورفولوژی سطحی و بافت به طور محسوسی با شرایط آبکاری تغییر می کنند. برای رسوب نشانی‌های فلزات خالص، چگونگی تغییر اندازه دانه، مورفولوژی سطحی و بافت در اثر تغییر شرایط آبکاری مورد بحث قرار خواهد گرفت. برای رسوب های آلیاژی (فقط آلیاژهای دوتایی)، چگونگی تغییر ریزساختار و اندازه دانه با تغییر ترکیب از طریق مراجعه به نمودار فازی تعادلی آنها مورد بحث قرار خواهد گرفت. همچنینمورفولوژی سطحی و بافت آنها نیز با استفاده از تصاویر و نمودارهای تجربی تشریح خواهند شد.
روش های آبکاری :
در ابتدا روش های تجربی مورد استفاده در به دست آوردن داده های موجود تشریح شده اند. به منظور امکان مقایسه ی نتایج تجربی بین رسوب نشانی های فلز/ آلیاژی مختلف، روش‌های آبکاری استاندارد سازی شده اند مگر اینکه به گونه ی دیگری اشاره شده باشد.
شرایط آبکاری :
مقدار محلول آبکاری مورد استفاده برابر 51 / 0 بود و محلول از طریق یک فیلتر ذغالی فعال شده و یک تبادل گر یونی، تصفیه شده بود. آب مقطر برای تهیه ی محلول مورد استفاده قرار گرفت و نمک های فلزی با خلوص بالا به آن افزوده شدند. pH محلول از طریق یک بافر شامل آنیون های مشابه با نمک های فلزی، تنظیم شد. آبکاری در صورت امکان بدون حضور افزودنی‌ها انجام شد. برای مثال حتی در مواردی که سطح زبر، دندریت ها یا ترک در سطح فیلم ایجاد شوند نیز براق کننده یا کاهنده ی تنش مورد استفاده قرار نگرفتند. دلیل اصلی اینکه از محلولهای عاری از افزودنی استفاده میشود این است که عناصر اتمی اضافی افزودنی های موجود در محلول ممکن است به داخل رسوب نفوذ کنند و ریزساختار نهایی را تحت تأثیر قرار دهند. اگر افزودنی استفاده شود باید اطمینان حاصل کرد که هیچ عنصر اضافی به داخل رسوب نفوذ نکرده است.
آبکاری تحت چگالی جریان ثابت انجام شد در حالیکه زمان آبکاری توسط یک شمارشگر کولنی 1 محاسبه شد. آبکاری در ولتاژ ثابت با استفاده از یک الکترود گرماسنج اشباع شده انجام گرفت. ظرف آبکاری از شیشه پیرکس ساخته شده بود.
- آند: ورق پلاتینی (20×20 میلی متر مربع). برای آبکاری نقره، ورق نقره به عنوان آند مورد استفاده قرار گرفت.
- فاصله ی بین الکترودی: در حدود 50 میلیمتر.
- تلاطم: بدون تلاطم (حمام ساکن) یا تلاطم با همزن مغناطیسی.دمای آبکاری: با دقت 1± درجه سانتی گراد توسط دماسنج کنترل شد.
مواد زیرلایه :
یک سطح صاف 20×20 میلی متر مربعی از یک سمت ورق در معرض آبکاری قرار گرفت و بقیه ی سطح پوشانده شد. با انجام این عمل، چگالی جریان سطح در تماس همیشه ثابت می ماند.
ورق های مسی چند بلوری :
به منظور رفع تنش داخلی و کاهش هر گونه عیوب شبکه ای باقیمانده در زیرلایه، عملیات آنیل به مدت یک ساعت در دمای 600 درجه سانتی گراد انجام شد. علاوه بر این، زیرلایه در یک محلول شامل دو قسمت آب و یک قسمت اسید فسفریک به مدت 15 ثانیه پولیش الکتروشیمیایی شد. عملیات پولیش اولاً به منظور حذف ناحیه ی تغییر شکل یافته ی ناشی از فرایند نورد و دوماً برای حصول یک سطح آیینه ای انجام شد.
مس تک بلوری (صفحات {100}، {110} و{111}):
یک میله از جنس مس تک بلوری با قطر 23 میلی متر و طول 300 میلی متر در کوره ی رشد بلور بریجمن 1، رشد داده شد. پس از اینکه جهت‌گیری از طریق تصویر لاوه 2 تعیین شد، یک برش نازک از مسی که به طور مختلف جهت دار شده (100 ، 110 و 111) با استفاده از ابزار برش الماسی بریده شد. به منظور حذف ناحیه ی تغییر شکل یافته ی باقی مانده در سطح پس از برش، سطوح برش خورده دوباره پولیش شدند تا اینکه سطح آیینه ای نهایی به دست آید.
ورق های فولاد زنگ نزن (304-SUS):
سطح فولاد زنگ نزن عموماً توسط یک فیلم آمورف پسیو(غیر فعال) پوشیده شده است. بر روی این زیرلایه، امکان آبکاری فیلم هایی که متأثر از ساختار بلوری زیرلایه نیستند وجود دارد. مزیت دیگر زیرلایه فولادی این است که فیلم های آبکاری شده به خوبی به این زیرلایه‌ها نمی چسبند و بنابراین به آسانی می توانند کنده شوند. برای عملیات سطحی پیش از آبکاری، سطح زیرلایه ابتدا در استون چربی گیری شده، سپس با آب مقطر شسته شده و به دنبال آن در محلول اسید سولفوریک رقیق (10 %) غوطه ور شده و در نهایت با آب مقطر شسته می شود. آبکاری بلافاصله پس از شستشوی نهایی انجام می شود، در حالیکه زیرلایه هنوز خیس است.
فیلم های آلیاژی نیکل - 25 % اتمی فسفر الکترولیتی :
فیلم‌های آلیاژی نیکل-25 % اتمی فسفر الکترولیتی، آمورف هستند. همانند زیرلایه‌های فولاد زنگ نزن، فیلم‌هایی که بر روی این زیرلایه‌ها آبکاری شده اند ساختاری طبیعی دارند که تحت تأثیر ساختار بلوری زیرلایه قرار نگرفته اند. بنابراین، مناسب است تا از زیرلایه های آمورف در مطالعه ی انداره بلور یا بافت فیلم های بلوری حاصل از شرایط مختلف آبکاری استقاده کرد. عملیات سطحی مشابه با آنچه در مورد ورق های فولاد زنگ نزن استفاده شد برای آماده سازی سطح این زیرلایه نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
ورق های آلیاژی آمورف کوئنچ شده (آلیاژهای آهن- سیلیسیوم- بور یا آهن- کبالت- سیلیسیوم- بور) :
هدف استفاده از این زیرلایه نیز مشابه ورقه‌ای فولاد زنگ نزن یا فیلم های آلیاژی نیکل- 25 % اتمی فسفر الکترولیتی است. عملیات سطحی مشابه با آنچه در مورد فولاد زنگ نزن و فیلم‌های آلیاژی نیکل- 25 % اتمی فسفر انجام شد در این مورد نیز مورد استفاده قرار گرفت.
مشاهدات ریزساختاری و روش های محاسباتی برای فیلم های آبکاری شده :
مشاهدات ریزساختاری و روش های محاسباتی برای فیل مهای آبکاری شده از روشی که در فصل ششم توضیح داده شد پیروی می کنند. نشان داده شد که جهت (<hkl>) یا صفحه ({hkl}) هر دو می توانند برای توصیف بافت (جهت ترجیحی) فیلم مورد استفاده قرار گیرند. با این وجود برای راحتی بیشتر، اندیس های میلر بدون پرانتز، یعنی hkl ، برای نشان دادن بافت فیلم مورد استفاده قرار گرفته اند.
مجموعه داده ها برای ریزساختار فیلم های آبکاری شده:
- فلزات خالص
- نقره الکترولیتی
- فلز نقره
فلز نقره 1 fcc است و ثابت شبکه آن (a) برابر 4086/ 0 نانومتر است. نقطه ی ذوب آن 80 /درجه سانتی گراد و مقاومت ویژه آن 6- 1/59×10 اهم بر سانتی متر است.
روش آبکاری :
حمام یدید نقره (AgI) برای آبکاری فیلم‌های نقره مورد استفاده قرار گرفت. حمام از طریق افزودن یدید پتاسیم (KI) تهیه شد، KI می تواند یک کمپلکس نقره تشکیل دهد زیرا یدید نقره به آسانی در آب حل نمی شود. ترکیب حمام 05 / 0 مول بر لیتر یدید نقره و 2 مول بر لیتر یدید پتاسیم بود. ورق نقره ای به عنوان آند و فیلم های نیکل- فسفر آمورف آبکاری شده به عنوان زیرلایه مورد استفاده قرار گرفتند. حمام با استفاده از یک همزن مغناطیسی در حین فرایند آبکاری همزده شد. ضخامت فیلم از طریق وزن و چگالی فیلم تعیین شد. راندمان جریان تحت تمامی شرایط آبکاری استفاده شده تقریباً 100 % بود. در این تحقیق اثر چگالی جریان، دمای حمام، ضخامت فیلم و pH بر روی ریزساختار فیلم مورد بررسی قرار گرفتند.
ریزساختار فیلم :
اندازه بلور و مورفولوژی سطحی :
شکل 7- 4- 1- 1- A) 1) تغییر مورفولوژی سطح با افزایش ضخامت فیلم را در فیلم‌های نقره الکترولیتی رشد داده شده در چگالی جریان 150 آمپر بر متر مربع و حمام 60 درجه سانتی گراد pH (برابر 2 که با استفاده از اسید سولفوریک تنظیم شده است) نشان میدهد. وقتی فیلم نازک بود (در حدود 25 / 0 میکرون)، بلورهای نقره ای دانه ای شکل (با قطری در حدود 5/ 0 میکرون) به طور تصادفی بر روی زیرلایه ی آمورف تشکیل شده و با گذشت زمان (یا با افزایش ضخامت) بزرگ تر شدند. چگالی این ذرات نقره بلوری ریز در ابتدا 120 ذره در هر 100 میکرومتر مربع بود، ولی وقتی فیلم به ضخامت 15 میکرون رسید چگالی ذرات به 2 ذره در هر 100 میکرومتر مربع کاهش یافت. این مورفولوژی رشد به طور کلی در شکل 7- 4- 1- 1- B) 1) نشان داده شده است.
![]()
تغییر مورفولوژی سطح با چگالی جریان برای فیلم های ضخیم 10 میکرونی مقایسه شده است.
![]()
شکل 7- 4- 1- 1- 3 تغییر مورفولوژی سطح را با افزایش دمای حمام در فیلم های نقره الکترولیتی با ضخامت 10 میکرون که در حمام نقره و در چگالی جریان 150 آمپر بر متر مربع و pH برابر 2 رشد داده شده اند را نشان می دهد. واضح است که وقتی دمای حمام کم است اندازه دانه کوچک است ولی با افزایش دمای حمام اندازه دانه نیز بزرگ می شود. همانطور که در بالا اشاره شد، صافی سطح اساساً به توزیع مکان های ترجیحی تخلیه ی یون فلزی (همچون برآمدگی ها) بستگی دارد. با این وجود در مورد حاضر، افزایش اندازه دانه به دلیل افزایش ضریب نفوذ یون های فلزی در حمام یا به دلیل افزایش ضریب نفوذ سطحی اتم‌های جذب سطحی شده ی رسوب نشانی شده است.
![]()
شکل 7- 4- 1- 1- a) 4 )چگونگی تغییرات مورفولوژی سطح را با تغییر pH حمام برای فیلم‌های نقره ی الکترولیتی با ضخامت 10 میکرون (در چگالی جریان 150 آمپر بر متر مربع و دمای حمام 60 درجه سانتی گراد) نشان می دهد. pH حمام کمتر از 6 با H2SO4 تنظیم شد، درحالیکه pH بزر گتر از 9 با استفاده از KOH تغییر داده شد. به نظر نمی رسد که مورفولوژی سطح تحت تأثیر تغییر pH حمام قرار گرفته باشد.
![]()