AlN陶瓷表面激光活化技术研究

摘要

AlN陶瓷材料具有非常优异的物理特性，其禁带宽度达到6.2eV，是一种优异的绝缘材料；热导率则高达210W/m·K,具有良好的散热特性；与此同时，其热膨胀系数较低，这使得AlN成为封装测试领域的主流材料之一。为了实现AlN陶瓷基板的表面金属布线，需要在 AlN表面制备金属引线，传统金属图形化方法主要包括：光刻刻蚀方法，金属压印而后图形化方法。随着基板表面金属线宽的减小以及布线密度的提升，以上方法面临着工艺复杂、成本高等问题。使用激光直接照射 AlN表面可以将AlN中的铝析出并在AlN表面形成导电铝层，配合化学镀工艺可以实现铜布线。该方法具有工艺简单、成本低、易于大规模生产等突出优点，成为 AlN陶瓷表面金属图形化领域的研究热点之一。然而，已报道的激光活化 AlN陶瓷表面方法存在以下问题：一、仅使用高斯光束进行处理。高斯光束本身的不均匀性造成所形成的铝引线均匀性欠佳；二、圆形高斯光束在形成连续金属图形时需要保证光斑间足够的重叠，从而降低了生产效率。
　　本文将基于固体激光器，采用衍射光学整形技术，将圆形高斯光束整形为特定形状的平顶光束，而后在不同激光参数下、不同处理气氛下对 AlN陶瓷进行激光活化处理，以期解决高斯光束处理带来的不均匀性问题，同时系统研究 AlN陶瓷表面激光活化的机理，掌握相关关键技术，最终实现满足基板布线要求的铝引线。
　　本文通过设计实验对比了不同参数条件下的激光金属化的电学特性及表面特性，其中重叠率变化范围为20%~99.9%，能量密度为4J/cm2~70J/cm2，气体氛围空气、氮气和氩气。实验结果表明，激光的脉冲能量密度和光斑重叠率对激光金属化效果起关键作用，其中当能量0.5J/cm2时就会能发生金属化。在相同能量密度下，随着光斑重叠率上升金属化效果越好，另一方面，在相同光斑重叠率下，随着能量密度的增加，金属化效果也越好。但是，过高的能量密度容易造成 AlN陶瓷超过热分解的能量阈值使得分解形成铝蒸汽挥发，不能在 AlN陶瓷表面形铝成金属层。此外，在光斑重叠率为99.9%时，当能量密度超过15J/cm2 AlN陶瓷表面将被烧蚀。通过对金属化生成的金属层进行组成成分分析可知在相同参数条件下，稀有气体氩气环境中的金属化效果最佳。因此，良好的金属化效果必须在稀有气体氛围、合适的激光脉冲能量密度和光斑重叠率的条件下完成。

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