پوشش ها و لایه های ضخیم ( Coatings and thick films) (1)

مقدمه

واژه ی لایه ی ضخیم( thick film) نه تنها به ضخامت لایه اشاره دارد، بلکه همچنین به لایه ها و پوشش هایی اشاره دارد که بوسیله ی تکنیک های معین ایجاد می شوند. بیشتر روش هایی که ما در این مقاله توصیف می کنیم، از ذرات سرامیکی استفاده می کنند که در یک حلال آلی یا آبی( به صورت سوسپانسیون) قرار دارند. برای تولید یک لایه ی سرامیکی چسبنده ضروری است که مواد فرار از پوشش زدوده شود. بسیاری از فرایندهایی که در اینجا توصیف می شوند، به نسبت ارزان قیمت و ساده هستند.
ریخته گری نواری( tape casting) برای تولید صفحات پهن از مواد سرامیکی مختلف استفاده می شده است و محصولات تولیدی با این روش در کاربردهایی مانند زیرلایه ها( substrates)، دی الکتریک های خازنی( capacitor dielectrics) و الکترولیت های سلول سوخت( fuel cell electrolytes) استفاده می شده اند. برخی از تکنیک های توصیف شده در این مقاله( برای مثال پوشش دهی چرخشی ( spin coating)) تنها برای تولیدلایه بر روی زیرلایه های پهن، مفید می باشد. به هر حال پوشش دهی غوطه وری( dip coating) و رسوب دهی الکتروفورتیک می تواند برای پوشش دهی اشکال پیچیده استفاده شود. ما این مبحث را با توصیف نحوه ی اتصال لایه ی ضخیم کار خود را به پایان می رسانیم. در این کاربرد، سرامیک ها به عنوان زیرلایه مورد استفاده قرار می گیرند و لایه بر روی آنها رسوب می کنند و از این رو ترکیب خمیرهایی که برای این کار مورد استفاده قرار می گیرند، مهم است. قانون این تکنولوژی متفاوت نیست اما کنترل کردن آن ممکن است متفاوت باشد.
تعریف لایه ی ضخیم( thick film)
یک لایه ی ضخیم به طور نمونه وار یک ضخامتی در حدود 10 تا 25 میکرون است؛ لایه های نازک( thin film) معمولا ضخامتی کمتر از 500 نانومتر دارند. به هر حال چیزی که به وطور حقیقی لایه ی نازک را از لایه ی ضخیم متمایز می کند، روشی است که تولید شده است، نه ضخامت آن. در اغلب موارد لایه های نازک بوسیله ی تکنیک های خلأ مانند پاشش( spattering) و اپی تاکسی باریکه ی مولکولی( molecular beam epitaxy) رسوب دهی می شوند. لایه های ضخیم از محلول ها یا خمیرها رسوب دهی می شوند. این رسوبات باید خشک شوند و در اغلب مواد پس از خشک شدن، باید پوشش را زینتر نمود تا پوشش نهایی پدید آید.
چندین مزیت برای فرایندهای تولید پوشش های ضخیم وجود دارد:
 سادگی
 مکنیزه شدن آسان
 سرعت بالا
 قیمت پایین
 تطبیق پذیری( versatile)
 پوشش دهی زیر لایه های پیچیده
علاوه بر توصیف برخی از روش های مورد استفاده برای ایجاد لایه های سرامیکی ضخیم، ما همچنین فرایند ریخته گری نواری( tape casting process) را نیز توصیف می کنیم. لایه های تولید شده بوسیله ی ریخته گری نواری، یه عنوان یک پوشش مورد استفاده قرار نمی گیرند اما از آنها به عنوان صفحات سرامیکی خود حمایت شونده( self-supporting) استفاده می شود. این صفحات سرامیکی به طور گسترده در تولید مدارات لایه ضخیم( thick-film circuits) استفاده می شوند.
ریخته گری نواری( tape casting)
ریخته گری نواری برای تولید صفحات سرامیکی پهن که دارای ضخامت های بیش از 1 میلی متر هستند، استفاده می شود. این فرایند در طی دهه ی 1940 برای دی الکتریک های خازنی، توسعه یافت. تولید خازن های سرامیکی هنوز هم یکی از کاربردهای مهم ریخته گری نواری است.
در ریخته گری نواری، یک دوغاب( که لغزنده( slip) نامیده می شود) دارای سرامیک پودر شده، حلال و بایندر بر روی یک صفحه ی پلیمر( مانند ) در حال حرکت پخش می شود (مانند شکل 1). در شکل ابتدایی از ریخته گری نواری، دوغاب بر روی یک صفحه ی گچی پخش می شد. استفاده از صفحه ی پلیمری در سال 1961 اختراع شد و از آن زمان به بعد، این فرایند به طور زیادی تغییر نکرده است. اصل مورد استفاده در این فرایند همانند کشیدن گچ بر روی دیوار، کشیدن خامه بر روی کیک و یا نقاشی کردن است.
ضخامت لایه ی رسوب کرده بوسیله ی تیغه ی بالای صفحه ی پلیمری تعیین می گردد. لایه های چندتایی نیز با استفاده از روشی که در شکل 2 نشان داده شده، قابل تولید است. ویژگی خاص تیغه ی موجود در بالای صفحه ی پلیمری این است که باعث می گردد تا ضخامت یکسانی تشکیل شود. یک نمونه از این تیغه ها در شکل 3 آورده شده است. نوار ریخته گری شده خشک شده و از صفحه ی پلیمری جدا می شود و برای انجام فرایندهای دیگر فرستاده می شود. در این مرحله از فرایند، نوار انعطاف پذیر است زیرا این نوار هنوز دارای مقادیر زیادی مواد آلی( بایندر) است و در اسطلاح خام است.
تهیه ی دوغاب بسیار مهم است. فرمولاسیون دوغاب مورد استفاده برای تولید صفحات آلومینایی در جدول 1 آورده شده است.
 حلال میزان ویسکوزیته ی دوغاب را کنترل می کند و به گونه ای این ویسکوزیته تعیین می شود که دوغاب بر روی صفحه ی پلیمری پخش گردد.
 بایندر ذرات سرامیک را در کنار هم نگه می دارد تا اینکه نوار زینتر شود. بایندر باید در طی فرایند زینترینگ از بدنه خارج گردد.
 پلاستیسایزر( plasticizer) انعطاف پذیری نوار خام را افزایش می دهد.
 دیسپرس کننده ها( deflocculants) از ته نشست ذرات سرامیکی موجود در دوغاب جلوگیری می کنند.
دیسپرس کننده ها(Dispersants) به وسیله ی یک فرایند کار می کنند که به آن ممانعت فضایی می گویند. مولکول های آلی با زنجیره های طویل مانند ملکول های موجود در روغن ماهی، خودشان را به ذرات سرامیکی متصل می کنند و زنجیره ی مولکولی آنها به سمت بیرون جهت گیری می کنند. این جهت گیری از نزدیک شدن بیش از حد ذرات جلوگیری کرده و بدینوسیله ذرات آگلومره نشده و ته نشین نمی شوند. روغن ماهی Menhaden یک ماده ی طبیعی است که به طور فراوان در صنایع سرامیک مصرف می شود زیرا ارزان قیمت است.
شرینکیج شدیدی که در طی خشک کردن و پخت این نوارها رخ می دهد به دلیل وجود درصد بالایی از مواد آلی در دوغاب اولیه است. برای مثال وقتی دوغاب آلومینا که در شکل 1 نشان داده شده است، در ضخامت 1.50 میلی متر ریخته گری می شود، در طی خشک کردن ضخامت آن به 0.75 میلی متر می رسد( حدود 50% کاهش ضخامت). این نوار وقتی زینتر می شود، نیز شرینکیج پیدا می کند . به ضخامت 0.60 میلی متر می رسد.
شکل 4 یک ماشین ریخته گری نواری تجاری را نشان می دهد که برای تولید پیوسته ی نوارهای سرامیکی ساخته شده است. این ماشین ها دارای گستره ی طولی، از 2 متر تا بیش از 35 متر هستند و عرض آنها در گستره ی 100 میلی متر تا بیش از 1.25 متر است. این اندازه نرخ تولید نوار را تعیین می کند. به طور نمونه سرعت ریخته گری در حدود 0.15 متر بر دقیقه است. برای ترکیب هایی که به سرعت خشک می شوند، سرعت ریخته گری به 2 متر بر دقیقه نیز می رسد. در تولید صنعتی، این اغلبا مهم است که اندازه ی ضخامت نوار را به طور مداوم داشته باشیم. این اندازه ها می تواند بوسیله ی ایجاد یک سوراخ در نوار( بعد از تیغه) محاسبه گردد. چندین روش مختلف برای اندازه گیری این ضخامت( به طور تجاری) استفاده می شود:
1) استفاده از اشعه ی x به صورت بازگشتی از زیر
2) عبور اشعه ی x که در این حالت سری های در بالا و پایین قرار دارند.( یک تکنیک به صورت تجاری در صنعت آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرد و بواسطه ی آن می توان ضخامت صفحات آلومینیومی را اندازه گیری نمود).
3) انعکاس نور مرئی با زاویه ی معین در بالای سطح نوار ریخته گری شده
عبور اشعه ی x عموما ترجیح داده می شود زیرا این روش دقت بالاتری نسبت به سایرین دارد.
شکل 5 تولید یک بسته ی مدار مجتمع( IC ) را نشان می دهد که از صفحات آلومینایی ریخته گری شده، تولید شده اند.
نوار خام می تواند به آسانی سوراخ شود و در آن حفره ایجاد گردد. این کار یکی از کارهای مهم در فرایند تولید بسته های IC است. علاوه بر این جوهر یا خمیری متشکل از پودر فلزی( تنگستن یا مولیبدن)، بایندرهای آلی و حلال ها به صورت پنجره مانند بر روی نوار خام چاپ می گردد؛ سپس نوار در یک اتمسفر هیدروژن مرطوب پخته شده و بدینوسیله یک لایه ی فلزی چسبنده بر روی آلومینای زینترشده پدید می آید. ما در ادامه جزئیات این روش را می گوییم.

پوشش دهی با روش غوطه وری( Dip coating)

با استفاده از پوشش دهی با روش غوطه وری، یک لایه ی سرامیکی می تواند به سادگی بر روی یک زیرلایه تشکیل گردد( شکل 6). پیش ماده معمولا دارای آلکوکسید فلزی است اما محلول نمک های فلزی مانند نیتریدها، ممکن است به جای این ماده استفاده شوند. زیرلایه یا جسمی که ی خواهیم آن را پوشش دهیم، وارد محلول می شود و در داخل آن با سرعت بین 10 تا 30 سانتیمتر بر دقیقه حرکت می کند. این ضروری است که محلول تر شود و بر روی سطح زیر لایه، پخش گردد و بنابراین زاویه ی تماس محلول با زیر لایه( زاویه ی ترشوندگی باید کوچک باشد). لایه ی نهایی بعد از پخت شیئ پوشش داده شده، بوجود می آید. پوشش دهی با روش غوطه وری دارای مزایای زیر است:
 ساده است
 گران نیست
 با آن می توان اشکال پیچیده را پوشش دهی کرد
 هر دو طرف زیرلایه های تخت را می توان با این روش پوشش دهی کرد.
ضخامت پوشش( t) یک لایه ی مایع به ویسکوزیته محلول ( ) و سرعتی ( ) که جسم در داخل محلول حرکت می کند، بستگی دارد. فرمول این ضخامت به صورت زیر است:
که انرژی سطح مشترک مایع-بخار، دانسیته ی محلول و شتاب گرانش است. البته ضخامت ی نهایی لایه از این مقدار کمتر است زیرا در طی فرایند خشک کردن و پخت، شرینکیج رخ می دهد. در جدول 2 تعدادی از کاربرد های لایه های سرامیکی پوشش داده شده با روش غوطه وری نشان داده شده است.