了解氮化鋁陶瓷基板的金屬化是否通過(guò)化學(xué)鍍銅方式

本文主要講解氮化鋁陶瓷基板的金屬化如何通過(guò)化學(xué)鍍銅方式。近些年來(lái)，氮化鋁(AIN)一直是電子行業(yè)備受關(guān)注的產(chǎn)品，因?yàn)樗母邔?dǎo)熱性、良好的機(jī)械強(qiáng)度、良好的電氣性能和接近硅的熱膨脹系數(shù)，使其成為高壓、大功率器件中陶瓷基板材料的絕佳候選者。

研究了通過(guò)化學(xué)鍍銅對(duì)氮化鋁陶瓷基板，進(jìn)行金屬化的未拋光和機(jī)械拋光基板。電鍍前使用4%的NaOH水溶液作為化學(xué)蝕刻劑，以形成機(jī)械聯(lián)鎖的位置。對(duì)于未拋光的基材平均表面粗糙度為0.2μm的樣品的附著力，從1.3kg/mm增加到平均表面粗糙度為0.82pm樣品的2.3kg/mm。機(jī)械聯(lián)鎖被認(rèn)為是銅未拋光AIN系統(tǒng)粘附的主要原因，Cu相對(duì)于機(jī)械拋光的氮化鋁陶瓷基板的粘合強(qiáng)度增加到大于7.6kg/mm的值。這使得化學(xué)鍍銅成為AIN金屬化的良好候選者。然而，導(dǎo)致機(jī)械拋光表殼粘附強(qiáng)度增加的機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

表面金屬化對(duì)于將電子電路應(yīng)用于陶瓷基板是必要的。一種這樣的應(yīng)用是具有多個(gè)金屬層的薄膜金屬化，例如Tipd-Au。另一種是印刷厚膜難于熔金屬鉬錳(Mo-Mn)或鎢(W)。兼容厚膜材料系統(tǒng)的有限，可用性已將基于AIN混合電路的生產(chǎn)限制在小批量應(yīng)用中。 幾種厚膜配方已成功涂覆在氮化鋁上，具有合理的附著力，例如Ag/Pd漿料、銅漿料b和用于多層氮化鋁陶瓷基板基板的鎢漿料。在金屬化材料系統(tǒng)中，銅具有其優(yōu)異的導(dǎo)電性、高抗焊料浸出性和顯著的成本節(jié)約潛力，作為導(dǎo)體材料獲得了廣泛的認(rèn)可。

通過(guò)化學(xué)鍍銅對(duì)氮化鋁表面進(jìn)行金屬化，這種方法已被廣泛用于塑料的金屬化。通過(guò)化學(xué)鍍對(duì)陶瓷基板表面進(jìn)行金屬化，具有足夠的附著力，由于難以蝕刻陶瓷表面，因此比塑料更難?；瘜W(xué)方法具有優(yōu)點(diǎn)，比如產(chǎn)能力和成本效益，在氮化鋁陶瓷基板上進(jìn)行化學(xué)鍍銅的應(yīng)用將使它們更加使用和可行。

如圖1所示蝕刻時(shí)間對(duì)氮化鋁陶瓷基板表面粗糙度的典型影響，在4%的 NaOH溶液中蝕刻80分鐘后，平均表面粗糙度Ra從原始基板的0.2μm增加到0.8μm。蝕刻不同時(shí)間的襯底的SEM表面形貌如圖2所示，如圖2a所示，在原樣襯底的表面上存在明顯的空腔，并且還觀察到各種尺寸的AIN顆粒。隨著蝕刻的進(jìn)行，小的AIN顆粒被選擇性地蝕刻掉，并且對(duì)于蝕刻時(shí)間較長(zhǎng)的樣品，空腔變得更深更寬。對(duì)于蝕刻超過(guò)60分鐘的樣品，可以獲得AIN的長(zhǎng)柱狀結(jié)構(gòu)。似乎在柱的頂部存在一個(gè)球形顆粒，如圖1和2所示2 C和d。

如圖3所示給出了作為蝕刻時(shí)間函數(shù)的Cu膜對(duì)氮化鋁的附著力，有兩種可能的附著力機(jī)制。一是化學(xué)鍵的形成，二是薄膜與底層基材之間的機(jī)械聯(lián)鎖。化學(xué)鍍銅液溫度約為25℃，對(duì)于化學(xué)鍵合來(lái)說(shuō)太低了。因此，普遍認(rèn)為機(jī)械聯(lián)鎖是影響化學(xué)鍍膜相對(duì)于氮化鋁的粘合強(qiáng)度的主要因素。如圖4所示粘附強(qiáng)度和平均表面粗糙度之間的密切相關(guān)性，基材表面越粗糙，可用的機(jī)械聯(lián)鎖位置就越多。因此，正如預(yù)期的那樣，附著力隨著表面粗糙度Ra的增加而增加。如圖5所示附著力測(cè)試后化學(xué)鍍Cu-AIN試樣的斷裂表面。斷裂發(fā)生在Cu-AIN界面的AIN側(cè)，表面殘留有一些細(xì)長(zhǎng)的Cu膜，圖5還顯示了電鍍前AIN柱頂部的球形顆粒。需要進(jìn)一步調(diào)查以確定這些顆粒的化學(xué)性質(zhì)。

一般情況下，貼裝電路器件的粘合強(qiáng)度應(yīng)大于2kg/mm，當(dāng)基材表面粗糙度大于0.65pm時(shí)，可獲得足夠的粘合強(qiáng)度如圖4所示。

即使在室溫下，氮化鋁也會(huì)與氧化環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。單晶氮化鋁在室溫下暴露在空氣中一天會(huì)形成0.5到1厚的AI2O3氧化層。AI2O3陶瓷通常很難蝕刻，為了消除AI2O3在基板表面形成的可能影響，一些AIN基板在蝕刻前用0.05μm AI2O3粉末拋光。平均表面粗糙度為-0.10μm的拋光基板比收到的基板光滑得多，如圖1和圖2所示。分別如圖6和2a所示。圖7顯示了拋光氮化鋁陶瓷基板的平均表面粗糙度與蝕刻時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，在比較圖。從圖1和圖7可以看出，經(jīng)過(guò)不同蝕刻時(shí)間后，經(jīng)過(guò)拋光的氮化鋁表面比收到樣品的表面要光滑得多。

化學(xué)鍍銅在拋光的氮化鋁陶瓷基板上獲得了非常高的粘附強(qiáng)度，附著力大于附著力測(cè)試中使用的環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度(即7.6kg/mm)。對(duì)于拋光的基板，斷裂發(fā)生在環(huán)氧樹脂而不是Cu-AIN界面，因此無(wú)法獲得真實(shí)附著力和表面粗糙度之間的相關(guān)性。蝕刻拋光可能會(huì)去除AI2O3層，并為后續(xù)蝕刻和電鍍提供新的、均勻的表面。然而，該機(jī)制有待進(jìn)一步調(diào)查，盡管如此，在這一點(diǎn)上可以得出結(jié)論，蝕刻前的拋光將Cu相對(duì)于氮化鋁的粘合強(qiáng)度提高到大于7.6kg/mm的值，這使得無(wú)電沉積銅成為氮化鋁陶瓷基板金屬化的良好候選者。

審核編輯：湯梓紅