Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate MATERIALE ŞI TEHNOLOGII AVANSATE PENTRU MICRO ŞI NANOSISTEME M. MANGRA Universitatea din Craiova Rezumat Dezvoltarea domeniilor electronicii industriale, tehnologiei informaţiei şi comunicaţiei au impus dezvoltarea de noi materiale având caracter multifuncţional, care să înlocuiască materialele clasice, incapabile să facă faţă cerinţelor producătorilor de microdispozitive MEMS sau de componente electronice. Apariţia unor noi clase de materiale a căror structură a fost manipulată la scară nanometrică a relevat necesitatea dezvoltării, în paralel, de noi tehnologii care să poată opera la nivel micro- şi nanometric. Prezenta lucrare îşi propune o largă trecere în revistă a materialelor avansate nanostructurate dezvoltate în laboratoarele Universităţii din Craiova, împreună cu microtehnologiile cu care se operează fie pentru a se elabora materialele amintite, fie pentru prelucrarea acestora. Sunt prezentate, aşadar, rezultatele unor cercetări vizând dezvoltarea de pulberi pentru oţeluri carbon sinterizate, de precursori pentru oţeluri carbon sinterizate, de pulberi nanostructurate de aliaje dure WC+12%Co, precum şi de magneţi nanostructuraţi prin sinterizare SPS şi cu încălzire cu microunde. În ceea ce priveşte microtehnologiile utilizate sunt prezentate cercetări în domeniul microîmbinărilor pentru conexiuni electrice şi în domeniul dezvoltării de microsenzori cu lichide magnetice. Cuvinte cheie Materiale nanostructurate, nanopulberi, magneţi ceramici permanenţi nanostructuraţi, oţeluri carbon şi slab aliate sinterizate, microîmbinări prin topire cu laser, micro-WIG 1. Introducere În prezent, dezvoltarea dispozitivelor electronice presupune o adevărată cursă între producători acestora în ceea ce priveşte reducerea dimensiunilor componentelor. Publicul larg are, în general, sentimentul că se trăieşte într-o epocă a microelectronicii, o expresie ce derivă de la dimensiunile (1 μm) elementelor active ale dispozitivelor electronice (de exemplu lungimea canalului unui tranzistor cu efect de câmp sau grosimea unui dielectric poartă). Oricum, există semne convingătoare că se intră într-o nouă epocă, numită generic „epoca nanotehnologiilor”. Expresia „nanotehnologie” este, la rândul ei, derivată din dimensiunile geometrice tipice ale unui dispozitiv electronic [1, 2, 3]. Aceste dimensiuni ajung la nivel nanometric, adică o miliardime de metru. Ce înseamnă aceasta? 30000 nm reprezintă aproximativ grosimea unui fir de păr uman. Este o imagine cu totul diferită de ceea ce eram obişnuiţi cu câţiva ani în urmă, când un dispozitiv electric, cum ar fi un motor sau un telefon, aveau o dmensiune medie de aproximativ 10 cm. Din punct de vedere industrial este interesant de cunoscut la ce dimensiuni trebuie să ne aşteptăm pentru următorii ani. Dar această informaţie nu este interesantă numai pentru producătorii de dispozitive electronice. În realitate, aceste dimensiuni afectează aproape toţi parametrii electrici, cum ar fi: amplificare, transconductanţa, limitele de frecvenţă, consumul de energie, pierderile de curent, etc. Toate acestea sunt de o mare importanţă şi pentru utilizatorul de dispozitive electronice. Pornind de la aceste aspecte, la o primă vedere nu se poate face o predicţie cu privire la problema pusă: ce ne aşteaptă în viitor? Oricum, colectând din trecut informaţii în acest sens şi extrapolând în viitor, se obţine o diagramă ca cea din figura 1. Această observaţie a fost făcută pentru prima dată în anul 1965 de către Moore, motiv pentru care este cunoscută sub numele de „legea lui Moore” Un dispozitiv electronic tipic la nivelul anilor 50’ era singurul dispozitiv care ajungea la dimensiunile din jurul a 1 cm, în timp ce era microelectronicii a început în anii 80’. Extrapolând această stare de fapt, se observă în baza figurii 1, că anul 2030 înseamnă cu adevărat începutul erei nanometrice. Această cercetare a fost făcută de Asociaţia Producătorilor de Semiconductoare (SIA). Ca rezultat al ideilor prezentate mai sus au fost elaborate prognoze privind posibilele evoluţii dimensionale ale anumitor dispozitive electronice. Aceste prognoze sunt prezentate în tabelul 1. . ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 1
Transcript
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
MATERIALE ŞI TEHNOLOGII AVANSATE PENTRU MICRO ŞI NANOSISTEME
M. MANGRA
Universitatea din Craiova
Rezumat Dezvoltarea domeniilor electronicii industriale, tehnologiei informaţiei şi comunicaţiei au impus dezvoltarea de noi materiale având caracter multifuncţional, care să înlocuiască materialele clasice, incapabile să facă faţă cerinţelor producătorilor de microdispozitive MEMS sau de componente electronice. Apariţia unor noi clase de materiale a căror structură a fost manipulată la scară nanometrică a relevat necesitatea dezvoltării, în paralel, de noi tehnologii care să poată opera la nivel micro- şi nanometric. Prezenta lucrare îşi propune o largă trecere în revistă a materialelor avansate nanostructurate dezvoltate în laboratoarele Universităţii din Craiova, împreună cu microtehnologiile cu care se operează fie pentru a se elabora materialele amintite, fie pentru prelucrarea acestora. Sunt prezentate, aşadar, rezultatele unor cercetări vizând dezvoltarea de pulberi pentru oţeluri carbon sinterizate, de precursori pentru oţeluri carbon sinterizate, de pulberi nanostructurate de aliaje dure WC+12%Co, precum şi de magneţi nanostructuraţi prin sinterizare SPS şi cu încălzire cu microunde. În ceea ce priveşte microtehnologiile utilizate sunt prezentate cercetări în domeniul microîmbinărilor pentru conexiuni electrice şi în domeniul dezvoltării de microsenzori cu lichide magnetice.
Cuvinte cheie Materiale nanostructurate, nanopulberi, magneţi ceramici permanenţi nanostructuraţi, oţeluri carbon şi slab aliate sinterizate, microîmbinări prin topire cu laser, micro-WIG
1. Introducere În prezent, dezvoltarea dispozitivelor electronice
presupune o adevărată cursă între producători acestora în ceea ce priveşte reducerea dimensiunilor componentelor. Publicul larg are, în general, sentimentul că se trăieşte într-o epocă a microelectronicii, o expresie ce derivă de la dimensiunile (1 μm) elementelor active ale dispozitivelor electronice (de exemplu lungimea canalului unui tranzistor cu efect de câmp sau grosimea unui dielectric poartă). Oricum, există semne convingătoare că se intră într-o nouă epocă, numită generic „epoca nanotehnologiilor”. Expresia „nanotehnologie” este, la rândul ei, derivată din dimensiunile geometrice tipice ale unui dispozitiv electronic [1, 2, 3]. Aceste dimensiuni ajung la nivel nanometric, adică o miliardime de metru. Ce înseamnă aceasta? 30000 nm reprezintă aproximativ grosimea unui fir de păr uman. Este o imagine cu totul diferită de ceea ce eram obişnuiţi cu câţiva ani în urmă, când un dispozitiv electric, cum ar fi un motor sau un telefon, aveau o dmensiune medie de aproximativ 10 cm.
Din punct de vedere industrial este interesant de cunoscut la ce dimensiuni trebuie să ne aşteptăm pentru următorii ani. Dar această informaţie nu este interesantă numai pentru producătorii de dispozitive electronice. În realitate, aceste
dimensiuni afectează aproape toţi parametrii electrici, cum ar fi: amplificare, transconductanţa, limitele de frecvenţă, consumul de energie, pierderile de curent, etc. Toate acestea sunt de o mare importanţă şi pentru utilizatorul de dispozitive electronice. Pornind de la aceste aspecte, la o primă vedere nu se poate face o predicţie cu privire la problema pusă: ce ne aşteaptă în viitor?
Oricum, colectând din trecut informaţii în acest sens şi extrapolând în viitor, se obţine o diagramă ca cea din figura 1. Această observaţie a fost făcută pentru prima dată în anul 1965 de către Moore, motiv pentru care este cunoscută sub numele de „legea lui Moore”
Un dispozitiv electronic tipic la nivelul anilor 50’ era singurul dispozitiv care ajungea la dimensiunile din jurul a 1 cm, în timp ce era microelectronicii a început în anii 80’. Extrapolând această stare de fapt, se observă în baza figurii 1, că anul 2030 înseamnă cu adevărat începutul erei nanometrice. Această cercetare a fost făcută de Asociaţia Producătorilor de Semiconductoare (SIA). Ca rezultat al ideilor prezentate mai sus au fost elaborate prognoze privind posibilele evoluţii dimensionale ale anumitor dispozitive electronice. Aceste prognoze sunt prezentate în tabelul 1.
.
ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 1
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
Fig. 1 Previzionarea, în baza extrapolărilor evenimentelor din trecut, conform legii lui Moore [1]
Tabel 1 Prognoze şi impuneri ale dezvoltării (extras)
An 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012
Izo-linii (nm) 200 140 120 100 70 50 35
Memorie DRAM 267 M 1,07 G 1,7 G 4,29 G 17,2 G 68,7 G 275 G
Număr de tranzistoare pe microprocesor
11 M 21 M 40 M 76 M 200 M 520 M 1,4 G
Frecvenţă (MHz) 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000
Dimensiunea cip-ului DRAM (mm2)
280 400 445 560 790 1120 1580
Dimensiunea câmpului litografiat (mm2)
22.22 25.32 25.34 25.36 25.40 25.44 25.52
Densitatea defectelor de natură electric dintr-un DRAM (1/m2)
2080 1455 1310 1040 735 520 370
2. Cercetarea domeniului nano –
strategie internaţională Această stare de fapt produce reorientări ale
strategiilor guvernelor în ceea ce priveşte domeniile de cercetare finanţate. Mai mult, în ultimii ani a fost finanţată înfiinţarea de reţele tehnologice care să creeze condiţiile propice conlucrării unor institute cu renume în domeniul dezvoltării nanotehnologiilor şi nanomaterialelor. Astfel, la nivel naţional există reţele tehnologice cu finanţare naţională (NANOMATFAB, CENOBITE, 3N, BIONANONET, MINAMAT-NET, NANOTECHNNET) şi cu finanţare europeană (ROMNET-ERA, MINAEAST-NET, MINOS-
EURONET, NENAMAT, NANOMAT). Unităţile C-D cu preocupări în domeniu sunt vizibile pe pagina web a reţelei ROMNET-NANO (http://www.romnet.net/ nano).
Cercetarea merge în două direcţii: dezvoltarea de noi materiale şi dezvoltarea de noi tehnologii. Necesitatea dezvoltării de noi materiale este impusă de proprietăţile şi caracteristicile superioare pe care o structură concepută la nivel nanometric le introduce. În tabelul 2 sunt prezentate principalele influenţe introduse de structura nanometrică a materialelor compozite elaborate prin tehnici specifice metalurgiei pulberilor.
ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 2
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
Tabel 2 Modificarea proprietăţilor şi a caracteristicilor în raport cu fineţea particulelor la conţinut constant de liant [4]
Proprietăţi şi caracteristici crescătoare Modificări nesemnificative Proprietăţi şi caracteristici
descrescătoare Duritate Densitate Mărimea critică a defectului
Rezistenţă la îndoire (fără defecte critice)
Modulul lui Young Rezilienţa
(neschimbată ptr. durităţi egale) Rezistenţă la forfecare Rezistenţa la uzură prin oxidare Rezistenţa la temperaturi ridicate
Rezistenţă la oboseală mecanică Dilataţia termică Rezistenţa la uzură prin difuzie Lungimea fisurilor termice Rezistenţă la şoc termic Numărul fisurilor termice Forţa magnetică coercitivă Moment magnetic (CoM) Conductibilitate termică
Abilitatea de a fi rectificat pentru obţinerea muchiilor ascuţite
Rezistenţa la coroziune (cu referire în special la liant)
-
Adeziune mai bună la acoperire PVD - -
Nanomaterialele dezvoltate până în prezent pot fi
împărite în mai multe clase: nanopulberi simple, nanopulberi compozite, nanotuburi de carbon, straturi subţiri, iar la nivel macro se regăsesc materialele simple nanostructurate şi materialele compozite nanostructurate [4, 5].
În ceea ce priveşte nanotehnologiile, acestea pot fi: nanotehnologii utilizabile la elaborarea de nano-materiale şi nanotehnologii de prelucrare a nano-materialelor. Dintre acestea se amintesc: ablaţia laser pentru elaborarea de nanopulberi şi de nanotuburi de carbon, tehnologiile de elaborare a straturilor subţiri prin depunere de vapori, litografierea, alierea mecanică, sinterizările activate SPS (Spark-Plasma-Sintering) şi cu încălzire cu microunde (Micro-Wave Heating Sintering) MONOMODE/ MULTIMODE, şi multe altele.
3. Cercetări proprii La nivelul Universităţii din Craiova a fost creat un
nucleu care produce cercetare în domeniul elaborării de materiale nanostructurate. Acest nucleu a derulat proiecte de cercetare, cu finanţare guvernamentală (CEEX – 5, CNCSIS - 6) sau europeană (FP6 - 1), privind dezvoltarea de noi materiale cu caracteristici funcţionale avansate multiple, precum şi dezvoltarea de microtehnologii de elaborare şi prelucrare a materialelor:
• Elaborări de nanopulberi şi pulberi nano-structurate prin aliere mecanică
• Elaborări de materiale nanostructurate prin sinterizări activate: SPS şi cu încălzire cu microunde
• Microtehnologii de prelucrare şi de îmbinare • Componente ale MEMS şi unităţi MEMS de
tipul microsenzorilor
Elaborări de pulberi pentru oţeluri carbon sinterizate
Cercetările experimentale, derulate în sensul elaborării de pulberi pentru oţeluri carbon sinterizate, au vizat:
• elaborarea cementitei prin carburarea pulberii de Fe;
• elaborarea unor nanopulberi compozite de Fe+Fe3C prin aliere mecanică
Originalitatea cercetărilor constă în obţinerea de cementită printr-un tratament termic de carburare directă a pulberii de Fe.
Rezultate obţinute au evidenţiat faptul că o carburare relativ scurtă îmbogăţeşte sensibil în carbon materialul supus carburării, iar tranziţia de la dimensiunile micro- la cele nano- se face după un timp relativ îndelungat de măcinare mecanică (Fig. 2). Astfel:
• după 3 ore de carburare concentraţia carburii de Fe devine apropiată de cea a cementitei.
• În ceea ce priveşte morfologia pulberii obţinute, se menţionează faptul că:
• tranziţia de la pulbere micronică la pulbere nanometrică are loc după 30 ore de măcinare
• pentru obţinerea unei granulaţii de 90 nm, caracterizată de o distribuţie uniformă a carbonului în ansamblul granular, sunt necesare aproximativ 50 ore de măcinare.
Elaborări de nanopulberi de precursori pentru oţeluri sinterizate slab aliate
Cercetările experimentale, derulate în sensul elaborării de pulberi de precursori pentru oţeluri carbon sinterizate, au vizat elaborarea de nanopulberi pe bază de Mo (din FeMo) şi Mn (din FeMn).
ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 3
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
Fig. 2 Rezultate ale cercetărilor în domeniul elaborării de nanopulberi pentru oţeluri carbon sinterizate
Sursa de carbon a fost cementita Fe3C şi nu grafitul, deoarece acesta din urmă manifestă o tendinţă puternică de segregare, afectând prin aceasta omogenitatea chimică şi structurală a amestecului. Amestecul realizat a fost compus din:
89,75% FeMo + 3,5% FeMn + 6,75% Fe3C
Noutatea rezultatelor a constat în faptul că au fost elaborate pulberi nanostructurate de precursori, în
timp ce în referinţele bibliografice se regăsesc numai precursori cu dimensiuni cuprinse între (13-350) μm.
Alierea mecanică a fost relativ rapidă, ea necesitând între 10-20 ore de măcinare (Fig. 3).
În ceea ce priveşte atingerea dimensiunilor nanometrice, tranziţia către pulberea nanometrică a avut loc după cca 15-20 de ore de măcinare.
Fig. 3 Rezultate ale cercetărilor în domeniul elaborării de nanopulberi de precursori pentru oţeluri sinterizate slab aliate
ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 4
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
Elaborări de pulberi nanostructurate de aliaje dure WC+12%Co
Cercetările experimentale, derulate în sensul elaborării de pulberi nanostructurate de aliaje dure WC+12%Co, au vizat două aspecte:
• Studierea posibilităţilor de elaborare a nanopulberilor compozite de WC+12%Co prin aliere mecanică în mori planetare cu bile
• Studii comparative privind influenţa granulaţiei asupra parametrilor tratamentului de sinterizare
la care s-a adăugat parafină drept liant. Introdus în moara planetară, s-a realizat iniţial o
preomogenizare a amestecului, preomogenizare care a durat 30 min, după care s-a realizat alierea mecanică efectivă timp de 20 h.
În urma analizelor efectuate s-a dovedit faptul că alierea mecanică este adecvată proceselor de elaborare a nanopulberilor de compozit WC+Co. În ceea ce priveşte morfologia pulberii, s-au constatat următoarele:
• tranziţia de la pulbere micronică la pulbere nanometrică s-a făcut după 10 ore de măcinare;
• după 20 ore de aliere mecanică distribuţia cobaltului în ansamblul granular a devenit uniformă;
• activarea procesului de sinterizare a dus la o reducere cu cca. 250oC a temperaturii de sinterizare,
respectiv la o reducere cu cca. 2 ore a timpului de sinterizare.
În figur 4 sunt prezentate unele rezultate ale experimentărilor.
Elaborare de magneţi nanostructuraţi prin sinterizare SPS şi cu încălzire cu microunde
În cazul materialelor ceramice magnetice a fost vizat compusul W din sistemul ternar BaO-FeO-Fe2O3 (BaFe19O27), situaţie în care au fost studiate:
1. transformările care au loc la reacţiile în fază solidă a componenţilor amestecului omogen de materiale iniţiale la încălzirea acestuia;
2. posibilităţile de reducere a temperaturii de sinteză a FB-W şi de stabilizare a compusului la răcire.
A fost, de asemenea, necesară iniţierea de cercetări în direcţia reducerii temperaturii de sinteză prin mai multe metode:
1. utilizarea de mineralizatori, cum ar fi SiO2 (cuarţ), cunoscut fiind faptul că substanţele care prezintă mai multe modificări alotropice accelerează procesele fizico-chimice în stare solidă (datorită dezordinii atomice iniţiale);
2. încălzirea cu microunde întrucât era de presupus că se pot asigura temperaturi de sinteză mai joase;
3. utilizarea drept mediu de încălzire şi răcire a azotului introdus în cuptor cu scopul reducerii conţinutului de oxigen până la limita la care nu se mai produce oxidarea ionilor Fe2+.
Fig. 4 Rezultate ale experimentărilor de elaborare de pulberi nanostructurate de aliaje dure WC+12%Co
ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 5
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
În ceea ce priveşte sinterizarea SPS a materialelor ceramice magnetice supuse cercetării s-a constatat o reducere a temperaturii de sinterizare cu 10% şi o reducere a timpului de sinterizare cu (10…20)%. Această situaţie a fost depăşită de sinterizarea cu microunde, la care avantajele au fost: reducerea temperaturii de sinterizare cu 12% şi reducerea timpului de sinterizare cu (10…32)%. Corelarea acestor parametri este o funcţie de parametrii magnetici de utilizare urmăriţi: Hc, respectiv Br şi (BH)max.
În figura 5 sunt prezentate imagini ale probelor sinterizate prin procedeul SPS. Microîmbinări pentru microelectronică (în colaborare cu ISIM Timişoara)
Cercetările experimentale experimentale au vizat realizarea de microîmbinări pe sârme din cupru având diametrul de 350 µm, criteriul de optimizare a tehnologiilor fiind obţinerea unei rezistenţe electrice minime. Procedeele de microîmbinare utilizate au fost: sudarea cu laser în impulsuri, sudarea micro-WIG, sudarea cu descărcare între doi electrozi de
grafit cu diametrul de 300 µm şi lipirea clasică cu aliaj Sn-Pb. Îmbinărilor realizate li s-a măsurat rezistenţa electrică; au fost efectuate comparaţii ale valorilor măsurate stabilindu-se astfel procedeul cu cel mai bun rezultat.
Rezultatele obţinute au fost următoarele (Fig. 6): • la sudarea cu laser: rezistenţa electrică a crescut
cu 3...8 mΩ după sudare • la sudarea micro-WIG: rezistenţa electrică a
crescut cu 15...20 mΩ după sudare • la sudarea în descărcare: rezistenţa electrică a
crescut cu 17...25 mΩ după sudare • la lipirea clasică: rezistenţa electrică a crescut
cu 24...27 mΩ după lipire.
Senzori nanostructura şi pentru sisteme de sudare (în colaborare cu ISIM Timişoara)
Cercetările vizează domeniul lichidelor magnetice, fiind proiectaţi senzori de poziţie şi senzori de înclinare cu lichide magnetice având precizii şi viteze crescute şi funcţionând liniar.
Eroare!
Fig. 5 Probe din materiale ceramice magnetice sinterizate prin procedeul SPS
ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 6
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
Fig. 6 Microîmbinări cu rezistenţă electrică redusă
Fig. 7 Senzori nanostructuraţi pentru sisteme de sudare
ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 7
Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate
4. Cercetări viitoare Viitorul produselor industriale este reprezentat de
microdispozitivele MEMS. Din acest motiv şi cercetările vor fi orientate în direcţia dezvoltării acestora, a dezvoltării de noi materiale pentru fabricarea lor şi a dezvoltării de noi microtehnologii care să permită fabricarea MEMS. Pornind de la acest deziderat, cercetările vor viza:
• Microinjecţia nanopulberilor • Sudare cu microplasmă şi cu laser • Tăiere cu arc / jet de plasmă şi cu laser • Prelucrări plasma-mecanice • Microprelucrări prin aşchiere 3D - CAD Vor fi, de asemenea, derulate cercetări în vederea
dezvoltării de: • Micro- şi nanosenzori pentru câmpuri magnetice,
aplicaţii optice, debit şi presiune, acceleraţie şi vibraţii • Micro-piese pentru ansamble şi subansamble
MEMS • Etanşări cu lichide magnetice • Cuplaje electrice cu suspensii magneto-
reologice • Amortizoare cu suspensii magneto-reologice • Microplăcuţe aşchietoare.
Bibliografie [1]. Fahrner, W.R. – Nanotechnology and Nanoelectronics. Materials, Devices, Measurement Techniques, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005 [2]. Baltes, H. et as. – Microengineering of Metals and Ceramics, Vol. III, Part. I: Design, Tooling and Injection Moulding, Wiley-VCH Verlag GmbH &Co.KgaA, 2006 [3]. Brauer, J.R. – Magnetic Actuators and Sensors, John Wiley and Sons, Inc. Publication, 2006 [4]. Noder, M.J. et. as. – Advanced Magnetic Nanostructures, Springer Science + Business Media Inc., 2006 [5]. Baltes, H. et as. – Enabling Technology for MEMS and Nanodevices, Wiley-VCH Verlag GmbH &Co.KgaA, 2005
