专利名称：薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于腐蚀检测技术领域的检测薄膜性能的方法，具体是一种薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法。
背景技术：
薄膜材料以及利用其制备的各种元器件广泛应用于微电子设备、集成电路、电子封装材料以及一些特殊的使用场合。这些材料及器件根据实际工作条件使用在不同的环境介质中，比如湿热环境、不同气候环境(海洋、工业、近海工业)、酸碱化学环境以及其它一些苛刻的使用环境，因此需要检测薄膜材料及器件在腐蚀环境介质中的耐腐蚀性能和长期使用可靠性。迄今为止，检测薄膜材料及器件腐蚀性能的方法主要有(1)图像观察法将试样暴露在特定的腐蚀介质中，通过显微镜或其它技术观察缺陷或腐蚀产物的发展。该方法的缺点是定量评价需要一些特殊的技术和设备，而且受人为因素影响较大；(2)重量法对于腐蚀过程中重量变化较为明显的材料，该方法能够较好的反映材料耐腐蚀性能。但是对于薄膜材料，由于其薄膜层重量非常小以及腐蚀过程不均匀，因而获得定量数据比较困难，而且对称重仪器要求较高；(3)电化学方法能够非常迅速反映材料的耐腐蚀性能和机理，缺点是不能对材料的长期使用可靠性做出预测；(4)测量厚度变化法通过测量薄膜或涂层在腐蚀过程中厚度的变化来评定材料腐蚀速率的方法。但是由于薄膜或涂层材料表面本身厚度的不均匀性以及腐蚀过程不均匀，因而受设备和人为因素影响较大。
经对现有技术文献的检索发现，M.Tenhover等在《Materials Science andEngineering》(材料科学与工程，1988，Vol.99，483～487)上发表的“Corrosionresistance and passive layer formation in amorphous binary Cr alloys”(二元非晶铬合金的耐腐蚀性能和钝化层形成)论文中，使用表面轮廓仪测量在不同腐蚀溶液中薄膜厚度随时间的变化，比较研究了磁控溅射法制备的Cr-Si、Cr-B、(Cr，Ni)-Si薄膜耐腐蚀性能。考虑到溅射法制备的薄膜表面厚度不均匀性、薄膜基底表面粗糙度的影响以及腐蚀过程中薄膜表面腐蚀不均匀，因此采用这种方法时，受测量仪器和人为因素影响较大。特别是对于Cr-Si薄膜等耐腐蚀性能良好的材料，获得数据需要的周期也比较长。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足和局限性，提供一种薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法，使其通过测量薄膜材料及器件在不同苛刻环境介质中电阻随时间的变化率(ΔR/R)，根据ΔR/R就可以反映材料耐腐蚀性能及长期使用可靠性预测的要求，具有简单易行的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，将薄膜试样的测试表面浸泡在所配制模拟海洋性气候环境的腐蚀介质溶液中，因为薄膜材料及器件在腐蚀过程中，与腐蚀介质接触表面的微观组织状态会发生变化或发生腐蚀剥离，造成该尺寸区域材料有效导电层厚度改变，从而引起其电阻的变化；测量从浸泡起始后试样电阻随时间的变化率，根据电阻变化率就可以反映薄膜材料及器件的耐腐蚀性能和长期使用可靠性。
以下对本发明方法作进一步的说明，具体步骤如下(1)试样准备选用电阻值分别为400±5Ω和520±5Ω的薄膜试样，对比试样薄膜层具有相同的厚度和表面积，试样两端引线部位使用JW-1型环氧树脂密封保护；(2)腐蚀介质溶液配制采用质量百分比浓度为3.5％的NaCl模拟海洋性气候环境。在其它环境的腐蚀介质，则采用3.5％的Na2SO4溶液、0.1M的NaOH、HCl溶液分模拟工业性气候环境、碱性和酸性使用环境。溶液配置好以后，将其盛放入密闭的容器中；(3)工作温度选用工作温度分别为25℃和45℃。调整腐蚀介质溶液温度到设定工作温度后保持恒温，然后将试样浸泡入所配制腐蚀介质溶液中；(4)电阻变化率测量通过数字直流电桥测量试样从浸泡起始后试样电阻随着时间的变化率(ΔR/R)。在相同时间条件下，不同薄膜成分、不同腐蚀溶液(种类、浓度、温度)对比时，ΔR/R小的试样具有更好的耐腐蚀性能和长期使用可靠性。
本发明的优点在于克服了现有薄膜材料及器件腐蚀行为评价技术的局限性。试验方法易行，试验装置简单，不仅可以用于不同材料、不同腐蚀介质(种类、浓度、温度)的对比研究，而且可以满足对材料的长期使用可靠性做出预测的要求。同时也可以与其它现有模拟环境腐蚀试验装置结合起来使用。对于薄膜材料及器件生产企业来说，采用本发明方法，不仅可以克服现有技术所带来的测试仪器要求高、设备成本高、人员技术要求高、数据可靠性不足等缺点，而且可以利用现有的一些相关测量装置，稍加改造，可以非常直观方便的测试薄膜材料及器件的耐环境介质腐蚀能力。本发明还可推广到其它腐蚀或氧化速率较低、具有导电能力的各种材料领域。
图1本发明实施例所用装置结构示意图；图2Cr-Si-Ni电阻薄膜试样在模拟的海洋和工业环境中电阻变化率与时间的关系；图3Cr-Si-Ni电阻薄膜试样在酸性和碱性腐蚀介质中电阻变化率与时间的关系；图4Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al电阻薄膜试样在碱性腐蚀介质中电阻变化率与时间的关系；图5溶液浓度对Cr-Si-Ni-Al电阻薄膜试样电阻变化率的影响；图6温度对Cr-Si-Ni-Al电阻薄膜试样电阻变化率的影响。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
应用本发明考核了电子工业中广泛使用的Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al薄膜电阻器在不同环境介质中的腐蚀行为及长期可靠性。本实施例主要考察了在制成薄膜电阻器前，薄膜本身的耐腐蚀性能，目的是为了检验在模拟的海洋、工业、酸性、碱性环境介质中，薄膜成分、环境介质溶液种类、浓度以及温度对耐腐蚀性能的影响，同时对其长期使用可靠性做出预测。
Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al薄膜使用自制的铸造合金靶材(靶材成分分别为Cr38Si55Ni7和Cr36Si52Ni6.5Al5.5)，采用磁控溅射方法制备。使用相同的制备工艺参数，从而保证薄膜的厚度基本一致。薄膜沉积在φ3.5×10mm Al2O3陶瓷基底上，以排除基底对腐蚀的影响。制备出的试样在箱式电阻炉500℃热处理180分钟。取样测量表明，此时试样的电阻温度系数(TCR)在±50ppm/℃，已经满足了电子工业用薄膜电阻器对TCR的基本要求。为了便于进一步比较试样的耐腐蚀性能，将热处理后的试样两端压帽、焊接引线，选用的薄膜电阻分别为400±5Ω(Cr-Si-Ni薄膜)和520±5Ω(Cr-Si-Ni-Al薄膜)。将挑选出的试样引线部位用JW-1型环氧树脂密封保护，注意要保证每个试样的测试表面的面积相同，本发明中采用薄膜的厚度为100nm，表面积0.6cm2。本实施例中，参考《电工电子产品基本环境试验规程》(GB2423.17-81)，采用重量百分比浓度为3.5％的NaCl、Na2SO4溶液分别模拟实际使用环境中的海洋和工业环境，采用0.1M的NaOH、HCl溶液分别代表酸性和碱性使用环境。通过图1所示的试验装置，其中试样1、引线2、密闭容器3、腐蚀溶液4、恒温水浴箱5、数字直流电桥6，参考《电工电子产品环境参数分类及其严酷程度分级》(GB4796-84)，分别调整腐蚀溶液温度到25℃和45℃后，将试样浸泡入配制好的腐蚀介质溶液中，浸泡时间为120h。使用QJ-84型数字直流电桥测量试样从浸泡起始后的各个时间点的电阻值，在达到设定的浸泡时间后，将所得数据换算成电阻变化率随时间的变化(ΔR/R)，就可以表征出Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al电阻薄膜在不同的模拟腐蚀环境中的耐腐蚀性能及长期使用可靠性(图2、图3、图4、图5、图6)。
根据图2可以看出，120h时Cr-Si-Ni薄膜在海洋性气候环境条件下的ΔR/R小于工业性气候环境条件下ΔR/R，说明Cr-Si-Ni薄膜在海洋性气候中具有更好的耐腐蚀性能和长期使用可靠性；同样根据图3，在酸性介质条件下，120h时Cr-Si-Ni薄膜的ΔR/R远小于在碱性介质条件下薄膜的ΔR/R，因此薄膜在酸性介质中具有更好的耐腐蚀性能和长期使用可靠性。根据图4，在碱性腐蚀介质条件下，120h时Cr-Si-Ni薄膜ΔR/R是Cr-Si-Ni-Al薄膜ΔR/R的2倍，说明在Cr-Si-Ni薄膜中加入Al元素以后，薄膜的耐腐蚀性能得到了很大的提高。根据图5和图6可以看出，随着溶液浓度和温度的增加，Cr-Si-Ni-Al薄膜的腐蚀速率加快。可见，溶液浓度和使用温度对薄膜的耐腐蚀性能有很大的影响。
权利要求
1.一种薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法，其特征在于，将薄膜试样的测试表面浸泡在所配制模拟海洋性气候环境的腐蚀介质溶液中，薄膜材料及器件在腐蚀过程中，与腐蚀介质接触表面的微观组织状态发生变化或发生腐蚀剥离，造成该尺寸区域材料有效导电层厚度改变，从而引起其电阻的变化，测量从浸泡起始后试样电阻随时间的变化率，根据电阻变化率就能反映薄膜材料及器件的耐腐蚀性能和长期使用可靠性。
2.根据权利要求1所述的薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法，其特征是，以下通过步骤对其进一步限定(1)试样准备选用薄膜试样，对比试样薄膜层具有相同的厚度和表面积，试样两端引线部位使用环氧树脂密封保护；(2)腐蚀介质溶液配制采用质量百分比浓度为3.5％的NaCl模拟海洋性气候环境，溶液配置好以后，将其盛放入密闭的容器中；(3)工作温度选用工作温度分别为25℃和45℃，调整腐蚀介质溶液温度到设定工作温度后保持恒温，然后将试样浸泡入所配制腐蚀介质溶液中；(4)电阻变化率测量通过数字直流电桥测量试样从浸泡起始后试样电阻随着时间的变化率ΔR/R，在相同时间条件下，电阻随着时间的变化率ΔR/R小的试样具有更好的耐腐蚀性能和长期使用可靠性。
3.根据权利要求1或者2所述的薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法，其特征是，选用电阻值分别为400±5Ω和520±5Ω的薄膜试样。
4.根据权利要求2所述的薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法，其特征是，所述的对于腐蚀介质，在其它环境的腐蚀介质，则采用3.5％的Na2SO4溶液、0.1M的NaOH、HCl溶液分模拟工业性气候环境、碱性和酸性使用环境。
全文摘要
一种薄膜材料及器件耐腐蚀性能的电阻变化率检测方法，将薄膜试样的测试表面浸泡在所配制模拟海洋性气候环境的腐蚀介质溶液中，试样在腐蚀过程中，与腐蚀介质接触表面的微观组织状态发生变化或发生腐蚀剥离，造成该尺寸区域材料有效导电层厚度改变，从而引起其电阻的变化，测量从浸泡起始后试样电阻随时间的变化率，根据变化率就可以反映薄膜材料及器件的耐腐蚀性能和长期使用可靠性。本发明能够方便可靠的检测薄膜材料的耐腐蚀性能，而无需复杂的仪器设备，不仅可以进行不同材料、不同腐蚀介质(种类、浓度、温度)的比较研究，而且可以对材料的长期使用可靠性做出预测。同时也可以与其它现有模拟环境腐蚀试验装置结合起来使用。
文档编号G01N17/00GK1605853SQ20041008429
公开日2005年4月13日 申请日期2004年11月18日 优先权日2004年11月18日
发明者张玉勤, 董显平, 吴建生 申请人:上海交通大学