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    鍍液對氧化鋁陶瓷基板的銅鍍層微結構和導電性的影響

    發布日期:2017年7月3日

    摘 要:目的 化學鍍銅是氧化鋁陶瓷基板金屬化的一種重要手段,為了進一步優化氧化鋁陶瓷基板化學鍍 銅工藝,研究了化學鍍銅液配比(尤其是鍍液中銅離子和甲醛含量)對氧化鋁陶瓷覆銅板微結構和導電性的影響。方法 在對氧化鋁陶瓷基板經過前期處理后,采用化學鍍銅法在基板上鍍銅。采用X射線衍射儀、 光學顯微鏡對氧化鋁基板上的化學鍍銅層物相和形貌進行觀察。采用覆層測厚儀、四探針測試儀對化學銅鍍層的膜厚和方阻進行測量。結果XRD結果表明,不同配比鍍液得到的化學鍍銅層均具有較好的晶化程度,鍍液中甲醛和銅含量較低的鍍液可制備出晶粒更為細小的化學鍍銅層。甲醛和銅離子含量均較高時,沉積速度過快,使鍍銅層的均勻性和致密性不佳。但當甲醛含量較高、銅離子含量較低時,沉積速度適中,從 而獲得了均勻性和致密性較好的鍍銅層,同時這種鍍層具有良好的導電性。結論采用表面活性化學鍍銅工 藝,當鍍液中甲醛濃度為0.25 mol/L和硫酸銅質量濃度為1.2 g/L時,無需高溫熱處理,即獲得了均勻性和致密性俱佳的銅鍍層,可滿足覆銅板的使用要求。

    隨著微電子技術的迅猛發展,電子器件趨于集成化和多功能化,印刷電路板(也稱電子基板)已成為一種不可或缺的電子部件。陶瓷基板以其優良的導熱性和氣密性,廣泛應用于功率電子、電子封裝、混合微電子和多芯片模塊等領域。目前最常用的陶瓷基板材料是氧化鋁,其具有與半導體硅相匹配的熱膨脹系數、高熱穩定性、化學穩定性和低介電常數,且價格 便宜。為了利用氧化鋁陶瓷基板,首先應對其進行金屬化,即在氧化鋁陶瓷基板表面形成一層金屬導電層。目前陶瓷金屬化的方法主要有高溫燒結被銀法、 真空蒸發鍍膜法、磁控濺射法、化學氣相沉積法、電鍍法等。其中化學鍍由于具有設備簡單、價格便宜、便于批量生產等優點,成為了工業生產中常用的一種方法,國內外學者對氧化鋁陶瓷基板上化學 鍍銅工藝已進行了一系列的研究。粗化可使陶瓷 基板表面的部分化學鍵受到破壞,改善基板表面的親水性,同時可增加基板表面的粗糙度,從而在后續敏化處理時能讓足夠的敏化劑吸附在基板表面,提高鍍層的結合力。如寧洪龍等研究了陶瓷基板表面粗化 和改性對銅鍍層結合力的影響,經過優化,基板與鍍層間的結合力能夠達到27 MPa。此外,由于陶瓷基板表面自身不具有活化,往往都是通過敏化劑中的二 價錫離子將貴金屬離子還原成貴金屬原子來對基板表面進行修飾。早期主要是利用金屬鈀離子進行催化活化處理,其價格相對較高且工藝復雜。硝酸銀價格 相對比較便宜,工藝簡單,且活化的效果也較好,在實驗室及工業上逐漸取代金屬鈀成為化學鍍銅的新型活化劑。國內外學者對化學鍍液及鍍層熱處理作了 相關研究,如宋秀峰等在氧化鋁陶瓷基板上采用化 學鍍銅輔助高溫熱處理的方法獲得了附著力和導電 性較好的鍍銅層,袁李俊等采用非貴金屬活化法輔 助二次化學鍍在氧化鋁陶瓷基板成功制備了表面完 整、分布均勻的銅鍍層,陳智棟等將分子自組裝技術(硅烷化處理)與化學鍍結合,成功地在氧化鋁上 制得剝離強度良好的化學鍍銅層,由勁博等研制了一種針對氧化鋁陶瓷化學鍍前處理用的活化膠,實現了敏化活化的一步化,簡化了陶瓷表面化學鍍的工藝 流程。以上采用的各種氧化鋁陶瓷上化學鍍銅的工藝雖獲得了良好的效果,但關于化學鍍銅鍍液配比對銅鍍層微結構和導電性的影響研究不夠系統。為此,筆者對氧化鋁陶瓷基板采用化學鍍銅的方法實現其金屬化,并對含有甲醛、酒石酸鉀鈉的硫酸銅堿性鍍液體系配比進行了對比實驗,研究了不同配比的鍍液對 氧化鋁陶瓷基板的銅鍍層微結構和導電性的影響。

    1 實驗

    氧化鋁陶瓷基板上化學鍍銅過程主要有以下步驟。 基板打磨:采用96%的氧化鋁陶瓷基板,經500# 和800#金相砂紙打磨以除去油污及雜質,并使表面獲 得一定的粗糙度,而后分別用水、丙酮、乙醇超聲波 清洗。

    清洗:將基板放入濃度為1.25 mol/L 的氫氧化鈉 溶液中經50 ℃水浴加熱10 min,后用蒸餾水清洗。 粗化:將基板放入100 mL/L 濃H2SO4與1.8 mol/L CrO3 的溶液中經50 ℃水浴加熱90 min,后用蒸餾水 超聲清洗。

    敏化:將基板放入由0.1 mol/L SnCl2、100 mL/L HCl 和金屬錫粒配成的溶液中,常溫下敏化10 min, 后用蒸餾水超聲清洗。

    活化:配制0.06 mol/L 的AgNO3 溶液,采用氨 水滴定至澄清,將敏化后的基板放入常溫下活化3~5 min,后用蒸餾水超聲清洗。 采用四種不同配比(分別以a、b、c、d 表示) 的鍍液對氧化鋁陶瓷基板進行化學鍍銅,化學鍍銅液 配比見表1。

    表1 化學鍍銅液配比
    配方 a b x s
    甲醛/(mol·L−1) 0.25 0.25 0.20 0.20
    硫酸銅/(g·L−1) 1.2 1.5 1.5 1.2
    氫氧化鈉/(g·L−1) 2 2 2 2
    酒石酸鈉鉀 /(g·L−1) 4 4 4 4
    EDTA2Na/(g·L−1) 5.3 5.3 5.3 5.3
    亞鐵氰化鉀 /(g·L−1) 0.007 0.007 0.007 0.007

     

    在50 ℃恒溫水浴條件下,pH值為12.7,將氧 化鋁陶瓷基板放入化學鍍銅液中,利用攪拌器鼓入空氣施鍍1 h。

    采用X 射線衍射儀(丹東方圓,DX2700,Cu 靶, 工作電壓35 kV,工作電流20 mA,掃描速度0.03 (°)/min)對鍍銅后的氧化鋁陶瓷基板物相進行分析。采用光學顯微鏡(奧林巴斯,GX71)對氧化鋁陶瓷基板 上的銅鍍層表面進行觀察。采用涂層測厚儀(北京時代集團,TT260)對銅鍍層膜厚進行測量。采用四探針 測試儀(廣州四探針科技,RTS-8)對氧化鋁陶瓷基板 表面化學鍍銅層的方阻進行測定。

    2 結果與分析

    2.1 化學鍍銅層的微結構

    圖1 為不同配比鍍液化學鍍銅層的XRD圖譜。

    從圖中可以看出,四種配比的鍍液得到的化學鍍銅層主晶相均為Cu,這說明四種配比鍍液均可制得單一 相的鍍銅層。除Cu 的衍射峰外,還存在少量氧化鋁 的衍射峰,這可能是因為化學鍍銅過程中部分細微部位出現孔洞,露出氧化鋁陶瓷基板所致。Cu 衍射峰 比較尖銳,說明在氧化鋁陶瓷基板表面形成的化學鍍 銅層雖未經高溫熱處理,但晶化程度較好。此外,根據謝樂(Scherrer)公式(1)利用衍射峰的半高寬 (FWHM:full width at half maximum)可以計算鍍銅 層的晶粒尺寸:

    式中:D是晶粒尺寸(nm),K是形狀因子(0.89), λ 是X 射線的波長(Cu 靶為0.15406 nm),β 是衍射 峰的半高寬。由公式(1)計算可得,a、b、c、d 四 種配比鍍液所得鍍銅層的晶粒尺寸分別為437、404、 427、315 nm,由此可知,鍍液中甲醛和硫酸銅含量 相對較低的d 配比鍍液可制備出晶粒更為細小的化 學鍍銅層。經過對衍射峰進行歸一化處理并進行簡單 定量分析發現:采用a、d 配比鍍液得到的含銅鍍層 的氧化鋁基板樣品中銅的含量高于b、c 配比鍍液, 這間接反映出在同樣施鍍時間下,a、d 配比鍍液得 到的鍍銅層相對較厚。為了證實這一現象,采用涂層 測厚儀測量了a、b、c、d 配比鍍液制得鍍銅層的膜 厚,其厚度分別為49.6、41.2、36.1、43.2 μm,這與 XRD 的分析結果是一致的。此外,得到的鍍銅層為 面心立方結構,經計算得到采用a、b、c、d 配比鍍 液制得的鍍層銅的晶格常數分別為0.3613、0.36077、0.36075、0.3615 nm,與ICSD 數據庫中的銅(PDF no. 89-2838)的晶格常數0.3615 nm 相比,a、d 鍍液配 比得到的銅鍍層與其更為相近,而b、c 鍍液得到的 銅鍍層的晶格常數略有所減小。

    圖2 為不同配比鍍液的化學鍍銅層的宏觀表面 圖。從圖中可以看出,不同配比鍍液的化學鍍銅層均 勻覆蓋于氧化鋁基板,表面并無明顯差異,b配比(鍍 液中甲醛和硫酸銅含量相對較高)鍍液得到的化學鍍 銅層顏色較深。

    圖3 為不同配比鍍液所得鍍銅層的光學顯微圖。從圖中可以看出,b、c配比鍍液的鍍銅層表面不夠致密,局部存在空洞(如圖3b和3c所示),而a、d配比鍍液的鍍銅層表面致密,表面沉積的銅層以顆粒狀排列,顆粒表面均勻光滑(如圖3a和3d所示)。 根據混合電位理論,利用HCHO作為還原劑需要處于堿性環境,pH數值>11。化學鍍銅過程涉及 HCHO 的氧化和二價銅離子的還原。

    甲醛的氧化反應:

    銅離子的還原反應:

    其中,L 是配體,x 是配位數,p 是L 所帶電荷數。 總反應:

    在施鍍過程中,配比b 和c 的鍍液中銅離子含量較高,在陰極反應劇烈,使得表面沉積鍍銅層的速度較快,這造成銅粒子沒能完全在氧化鋁陶瓷基板表面分散均 勻,就被其他沉積下來的顆粒覆蓋;同時,在陽極發生的氧化反應中,由于產生的氫氣速率過快,來不及從基體表面逸出;這兩方面原因共同導致鍍銅層有孔隙、氣泡,致密度降低。而采用銅離子含量較低的a、d鍍液時,因其沉積速度相對較慢,使銅粒子在基板表面充分分散沉積,氫氣有充足的時間從基板表面逸出,從而形成了均勻、致密的鍍銅層,這和XRD 分析結果一致。這與宋秀峰等[6]在氧化鋁陶瓷基板上化學鍍銅,再經 900℃熱處理后得到的樣品結果類似。此外還發現,當 甲醛和銅離子含量均較高時(b 配比鍍液),鍍銅層均勻性不好,這是因為在化學鍍銅中,甲醛作為還原劑將二價銅離子還原為金屬銅,當甲醛含量較高時,銅粒子沉積速度和氫氣產生的速率均較快,這與銅離子含量對沉積速度的影響是類似的,因此,甲醛和銅離子含量均較高時,沉積速度過快,從而使鍍銅層的均勻性和致密性不佳。但當甲醛含量較高、銅離子含量較低時(a 配比鍍液),則可獲得適當的沉積速度,從而獲得了具有較佳均勻性和致密性的化學鍍銅層。

    2.2化學鍍銅層導電性

    氧化鋁陶瓷基板上的鍍銅層需要具有良好的導電和導熱性能。為此,采用四探針測試儀對a、b、c、 d 四種配比鍍液制得鍍銅層的方塊電阻進行測試,其 方阻分別為3、4、5、4 mΩ/□,根據前面所測得的鍍銅層的厚度,由公式ρ=R□d(ρ、R□、d 分別為電阻率、 方阻和鍍層厚度)計算出a、b、c、d 四種配比鍍液 制得的鍍銅層的電阻率分別為1.488×10–5、1.648×10–5、1.805×10–5、1.728×10–5 Ω·cm。這說明采用a 配比鍍液時獲得了導電性能最好的鍍銅層,與前面所述采用a 配比鍍液時所得鍍銅層的均勻性和致密性 較佳是直接相關的。

    3 結論

    1)采用表面活性鍍銅工藝,通過對鍍液中甲醛和銅離子含量進行優化,無需高溫熱處理,在氧化鋁陶瓷基板上成功獲得了均勻性和致密性較佳、導電性 較好的鍍銅層。

    2)鍍液中較高的甲醛和銅離子含量會使得銅粒子的沉積速度過快,從而在陶瓷基板表面造成局部鍍銅粒子的堆積,導致鍍銅層致密性和均勻性不佳。而 采用較高甲醛含量和較低銅離子含量的鍍液可獲得合適的銅粒子沉積速度,從而獲得較佳的鍍銅層。

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