微波輔助Al2O3陶瓷表面銅金屬化研究

2009-12-05 賈啟輝 天津大學材料學院

  選取95Al2O3陶瓷體作為金屬化基體,采用Cu 粉在微波作用下進行金屬化實驗,研究了微波功率、處理時間、保護措施和金屬化配方對微波金屬化質量的影響。對金屬化成分和表面結構進行了分析。結果表明,在氧化氣氛中,微波3kW/10min處理,炭粉埋燒保護和金屬化配方添加5%SiC和5%(質量比) C粉的條件下,在95Al2O3陶瓷表面可獲得較好的Cu金屬化效果。

  陶瓷金屬化是在陶瓷表面附著一層金屬,便于實現導電、焊接、密封等功能,是電子陶瓷元器件封裝、引線、電路布線的關鍵技術之一,也可用于陶瓷/陶瓷、陶瓷/ 金屬連接等領域。針對陶瓷金屬化已開展了大量的研究。已有的陶瓷金屬化技術可大致分為高溫法(依賴溫度的組分擴散) 、化學法(化學鍍)和物理法(蒸發或濺射) ,最常用的高溫法由于陶瓷與金屬熔融溫度的差異,一般需引入玻璃類低熔組分,不但使陶瓷/金屬界面連接強度受到局限,還會導致一定程度的信號延遲和損耗增大等問題;瘜W法可實現較高的布線密度和精度,然而其附著強度低、氣密性差。物理法能實現金屬附著性和可靠性具佳的金屬化效果,并能獲得復雜電路圖案,但設備成本高,效率低,不適合規;a。多年來,圍繞上述幾類金屬化方法,各國科學家開展了各具特色的研究,滿足了電子行業多方面的發展需求。然而,近年來電子技術的快速發展,尤其是在器件微型化、氣密性和嚴酷工作環境下的高穩定性等方面,對陶瓷金屬化技術的要求越來越苛刻,已有金屬化技術面臨嚴峻的挑戰。

  與傳統加熱相比,微波加熱具有快捷、方便、效、節能、體積性均勻加熱和選擇性加熱等特點,作為初步探索性研究,本文利用微波加熱方式開展陶瓷表面金屬化的研究,為陶瓷表面的金屬化探索新的可選擇途徑。

  實驗基于目前廣泛使用的95Al2O3陶瓷表面Cu金屬化作為研究對象,以便于與現有技術比較。

1、實驗

  基體選用95Al2O3 ,金屬化配方先采用純Cu粉,平均粒度為1.45μm ,最大顆粒不大于3μm ,試驗過程加C 粉和SiC 微粉(加入量都為5%(質量比)) ,最終金屬化配方為Cu90%,C5% ,SiC5% ,其中SiC在較高溫度下SiC會發生氧化反應形成SiO2 。采用磷酸二氫鋁為料漿載體、絲網印刷涂覆方式。微波處理采用直接微波處理和炭粉埋燒兩種處理工藝。微波加熱采用5kW高溫氣氛微波爐,紅外測溫儀測溫,樣品放置于微波爐下端轉動平臺中心,紅外探頭設在爐頂并置于樣品轉動平臺的偏中心處。采用SEM及其EDS能譜觀察界面結構和分析界面組分變化。

2、結果與討論

2.1、純Cu粉金屬化層微波處理的氧化和熔化情況

  先采用純Cu粉覆于氧化鋁陶瓷表面進行了微波直接加熱處理,初步分析Cu粉的氧化和熔化情況,結果如表1 所示。從表1 可以看出,隨微波處理功率和時間的延長,Cu粉的氧化加重,在2kW處理條件下,表面層均含有Cu粉和其氧化物顆粒,3kW 處理時,20 min 時,金屬化層已流到側面,表面金屬化層變薄,只有在3kW/10min 處理條件可獲得氧化相對少、熔化情況良好的金屬化層,但由于此時的Cu粉氧化量32%,金屬化效果不佳。

表1  微波處理條件對Cu氧化與熔化的影響

微波處理條件對Cu氧化與熔化的影響

  3kW/10min微波處理后的金屬與基體的界面結構如圖1所示。從圖1可以看出,Cu氧化伴隨了金屬化層的膨脹(圖1(a)) ,界面上呈現很多顆粒狀的金屬氧化物(圖1 (b)) 。

微波3kW/10min處理后金屬與基體界面

圖1  微波3kW/10min處理后金屬與基體界面(a) 及局部放大(b)

2.2、添加C粉、SiC粉和C粉埋燒對金屬化效果的影響

  在上述3kW/10min微波處理基礎上,采用在金屬化配方中添加SiC粉(5 %) 、C 粉(5 %) 和采取C 粉保護埋燒的措施,進一步試驗。其中添加SiC粉的目的是增加金屬化層的微波吸收能力,因為SiC 具有極佳的低溫微波吸收能力,且在較高溫度下還能被氧化為SiO2 添加C 粉的目的是防止金屬化層中Cu 的氧化,原理是C 與Cu 的氧化物發生反應將氧化物還原為Cu ;增加C 粉保護埋燒也是為了更好的防止金屬化層的氧化。最終結果如表2 所示。由表2 數據可以看出,上述措施都有效防止了Cu 的氧化,最終獲得了金屬層在氧化鋁表面鋪展良好、僅有7 %Cu 氧化的金屬化效果。其界面形貌及其放大SEM 照片如圖2所示。

表2  C,SiC,C粉保護對Cu氧化的影響(3kW/10min 處理)

C,SiC,C粉保護對Cu氧化的影響

Cu/ 5SiC/ 5C/ 金屬化層且增加C 粉保護后微波3 kW/10min 處理后金屬與基體界面

圖2  Cu/ 5SiC/ 5C/ 金屬化層且增加C 粉保護后微波3 kW/10min 處理后金屬與基體界面(a) 及局部放大(b)

2.3、金屬化層/基體界面的元素分析

  利用EDX能譜儀對金屬化層/ 基體界面進行了線掃描,為避免表面污染,選擇其斷裂面上的界面,結果如圖3 所示。由圖3 可以看出,金屬化層主要有Cu 組分,基體內部也檢測出Cu 組分,說明Cu向基體內部發生了擴散。

基體/金屬化層界面的EDS分析

圖3  基體/金屬化層界面的EDS分析

3、結論

  利用微波加熱,可在氧化鋁陶瓷表面實現Cu金屬化。微波處理功率、時間、氧化氣氛環境和金屬化配方設計都會對金屬化質量產生影響。