CN115557798B - 一种铜层与陶瓷基板结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了铜层与陶瓷基板结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板及制备方法，属于导电线路板和覆铜板领域，包括AlN陶瓷基板和附着在AlN陶瓷基板表面的铜箔层，AlN陶瓷基板表面有沟槽微结构阵列，在沟槽微结构阵列内填充有活性金属钎焊层，在AlN陶瓷基板表面还可以具有激光活化处理作用下产生的异质或/和同质活化籽晶层，籽晶层与AlN陶瓷基板紧密结合。本发明还提供了制备如上所述的结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板的方法。本发明通过激光刻蚀、激光活化、激光刻蚀+激光活化AlN陶瓷基板，分别获得具有微结构阵列、活化籽晶层、微结构阵列+活化籽晶层的表面，再与AMB覆铜工艺结合，能显著提高AlN陶瓷基板与覆铜层的结合强度。
Description
技术领域
本发明属于导电线路板和覆铜板领域，更具体地，涉及一种铜层与陶瓷基板结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板及其制备方法。
背景技术
随着社会信息化程度的快速提高，要求集成电路向大功率、高功能密度和小型化方向发展，使得芯片工作热耗散指数级增大，对封装基板导热性和可靠性要求日益严苛。与传统的有机基板和金属基复合基板相比，陶瓷基板耐高温性强、热导率高、热膨胀系数小、机械强度高。其中，AlN基板的热导率为常用Al2O3基板的6-8倍，且具有热膨胀系数与芯片材料Si更匹配、电性能好、无毒无害等优点，因此被普遍认为是新一代半导体基板和封装的理想材料。
为实现各类电子元器件的搭载、电气连接和高质量封装，需要对陶瓷基板表面或多层基板互联孔内部进行金属化。目前，AlN陶瓷基板表面制备金属铜层的常用方法包括化学镀铜法(ECP)、直接镀铜法(DPC)、厚膜法、直接覆铜法(DBC)和活性金属钎焊覆铜法(AMB)等多种工艺。
化学镀铜法(ECP)借助催化活性剂，在无需外部电流的条件下，通过氧化还原反应在陶瓷表面沉积一层铜膜[1]。然而，化学镀铜层与光滑陶瓷表面的结合力通常不超过10MPa，在大电流、大功率器件条件下，这样的结合力会严重影响电子器件可靠性。
直接镀铜法(DPC)首先采用薄膜工艺(离子镀、真空蒸镀、溅射镀膜等)在陶瓷基板表面直接沉积Ti、Ni等金属薄膜作为过渡层，然后通过电镀工艺实现铜层沉积[2]。由于薄膜沉积技术的制造设备昂贵，需要高真空条件，因此其生产效率较低、产品价格较高。
厚膜法主要是通过丝网印刷技术在陶瓷基板上直接印刷铜导电浆料，然后经高温烧结后形成导电线路和电极[3]。由于铜导电浆料层内含有部分玻璃相，且厚膜铜层与陶瓷基材之间主要通过玻璃粘结剂的润湿作用粘附，因此，厚膜铜层的导电率较差，且其与基板的结合强度通常不超过20MPa，主要用于一些服役环境不太苛刻的电子器件。
直接覆铜法(DBC)需要先使AlN基板预氧化，在其表面生成一层Al2O3，然后通过高温(1070℃～1075℃)处理，利用铜箔与Al2O3层界面处形成的Cu-O共晶液对AlN基板表面的Al2O3陶瓷良好的润湿作用，以及两者反应生成的CuAlO2和CuAl2O4过渡层，使铜箔连接在AlN陶瓷基板上[4]。
活性金属钎焊覆铜法(AMB)则是借助于焊料中的活性成分与AlN陶瓷表面直接反应，生成界面反应层，使铜箔与AlN陶瓷在800℃～900℃高温下完成键合[5]。
与其他方法对比，DBC和AMB法获得的铜箔与AlN基板呈化学键合，结合强度得到大幅提升。其中，AMB工艺中的钎焊层可以有效缓解AlN基板和铜箔之间的热应力，使AlN覆铜板结合强度、热稳定性和可靠性比DBC更高，因此，其成为当前大电流器件中首选的陶瓷封装基板。然而，在一些要求严苛的应用场合，采用AMB工艺制备的AlN覆铜板的寿命仍然偏低，主要是由于界面缺陷或者界面结合强度不够而导致的界面失效引起。因此，如何进一步提高AlN覆铜板的界面结合强度是促进AlN陶瓷基板在大电流器件封装中广泛性适用亟待解决的问题。
参考文献：
[1]X.Y.Cui,D.A.Hutt,D.J.Scurr,P.P.Conway.The Evolution of Pd/SnCatalytic Surfaces in Electroless Copper Deposition.J.Electrochem.Soc.,2011,158(3):172-177.
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[3]刘志平.氮化铝陶瓷及其表面金属化研究:[博士学位论文],天津大学图书馆,2009.
[4]S.S.Akhtar,L.T.Kareem,A.F.M.Arif,M.U.Siddiqui,A.S.Hakeem.Development of a ceramic-based composite for direct bonded coppersubstrate,Ceramics International,2017,43:5236-5246.
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发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板及其制备方法，通过激光刻蚀AlN陶瓷基板、激光活化AlN陶瓷基板、激光刻蚀+激光活化AlN陶瓷基板，分别获得具有微结构阵列、活化籽晶层、活化籽晶层+微结构阵列的表面，再与AMB覆铜工艺结合起来，可以在AlN/Cu界面处同时形成化学反应层和互锁微结构，使AlN陶瓷基板与覆铜层的结合强度大幅提高。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供一种铜层与基板结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板，它包括AlN陶瓷基板和附着在AlN陶瓷基板表面的铜箔层，AlN陶瓷基板表面具有呈阵列状的沟槽微结构，在该呈阵列状的沟槽微结构内填充有活性金属钎焊层，AlN陶瓷基板与活性钎焊层界面处有化学反应层。
进一步的，呈阵列状的沟槽微结构包括阵列状线状沟槽、阵列状网格状沟槽和阵列状S形沟槽，单个沟槽的宽度d为10μm～100μm，单个沟槽的深度h为2μm～100μm，优先选择3μm～40μm；相邻沟槽间距为1.0d～4.0d，优先选择1.5d～3.0d。
进一步的，在AlN陶瓷基板表面还存在脉冲激光处理作用下产生的异质或/和同质活化籽晶层，该异质或/和同质活化籽晶层与AlN陶瓷基板呈紧密结合。
进一步的，异质活化籽晶层材质包括Pd、Ag、Ni或/和Cu及其氧化物，同质活化籽晶层材质为Al及其氧化物。
进一步的，AlN陶瓷基板厚度为0.2mm～1.5mm，AlN陶瓷基板单面附着有铜箔或者两个侧面均附着有铜箔层，铜箔层厚度为0.018mm～1.5mm，优选为0.1mm～1.2mm，进一步优选为0.3mm～1.0mm。
进一步的，整个活性金属钎焊层厚度为5μm～100μm，优选厚度为10μm～50μm，其成分为Ti、Ag、Cu与其合金或其成分为Ti、Ag、Sn与其合金，活性金属钎焊层填满或基本填满AlN陶瓷基板表面的沟槽微结构阵列，从而在AlN陶瓷基板和活性金属钎焊层界面处形成互锁结构。
按照本发明的第二个方面，还提供制备如上所述的结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板的方法，其包括如下步骤：
S1：对AlN陶瓷基板的表面进行研磨处理，之后进行超声清洗，以获得洁净的表面；
S2：采用激光作用于步骤S1获得的洁净AlN陶瓷基板表面，在表面作用区域得到微结构阵列或/和活化籽晶层；
S3：清洗经步骤S2处理的AlN陶瓷表面，以去除表面因激光刻蚀产生的杂质和/或异物和/或多余的活性前驱体溶液；
S4：在经步骤S3获得的AlN陶瓷基板表面制备一层活性金属钎焊料；
S5：利用活性金属钎焊覆铜法在步骤S4获得的表面覆有活性金属钎焊料的AlN陶瓷基板表面覆接铜箔，获得高结合强度的AlN陶瓷覆铜板。
进一步的，步骤S2包括如下子步骤：
S2-1：将经步骤S1获得的AlN基板浸泡于活化前驱体溶液中，取出晾干后在其表面会沉积一层异质活化前驱体薄膜，所述活化前驱体溶液为含有Ag、Pd、Ni或/和Cu金属离子或金属络离子的溶液；
S2-2：采用激光作用子步骤S2-1获得的AlN陶瓷基板表面，在表面作用区域得到微结构阵列、和/或异质或/和同质活化籽晶层，具体的，
步骤S2和S2-2中，激光作用时，工作气氛为空气、氮气或氩气，激光输出波长为1064nm、532nm或355nm，当激光输出波长为1064nm时，激光平均输出功率为2W～300W，优选50-200W；激光脉冲频率为50KHz～1000KHz，优选200KHz～500KHz；激光输出脉宽为100fs-40ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s。
当激光输出波长为532nm时，激光平均输出功率为3W～500W，优选30W～300W；激光脉冲频率为10KHz～3000KHz，优选30KHz～300KHz；激光输出脉宽为10ns～80ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s。
当激光输出波长为355nm时，激光平均输出功率为2W～500W，优选20W～100W；激光脉冲频率为10KHz～1000KHz，优选30KHz～300KHz，激光输出脉宽为7ps-20ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s。
进一步的，步骤S2和S2-2中，通过扫描振镜实现激光束的快速移动，激光束的扫描路径为平行线、交叉线或S型线，从而对应获得阵列状线状沟槽、阵列状网格状沟槽和阵列状S形沟槽，
在加工幅面大小超过扫描振镜的扫场范围时，通过扫描振镜与三轴/五轴运动平台的联动实现大幅面的激光刻蚀和/或激光活化加工。
进一步的，步骤S3还可以包括以下子程序：
S3-1：将经步骤S2和S2-2获得的AlN基板浸泡于碱性溶液或依次浸泡于碱性溶液和酸性溶液内，以去除AlN基板表面的杂质和/或异物；
S3-2：采用超声清洗经步骤S3-1处理的AlN陶瓷表面，以去除表面残留的碱或/酸溶液或/和反应产物。
进一步的，步骤S4中，活性金属钎焊覆铜法采用的工艺参数为：在真空条件，温度为700℃～900℃，时间为5min～20min，压力为0.02MPa～0.05MPa。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明在AMB工艺前通过激光对AlN陶瓷基板表面进行处理，一方面，激光可以在AlN陶瓷基板表面产生刻蚀作用，得到微结构阵列，其不仅可以提高AlN基板与钎焊层的结合面积，还有助于两者间形成相互“嵌入”或“锚固”的强界面结合，提高两者之间的结合力；另一方面，还可以利用激光对AlN基板的激发作用，使AlN基板表面能提高，并在其表面得到与基板紧密结合的高活性金属籽晶层，高表面能和高活性金属籽晶层的存在不仅可以提高后续AMB工艺中钎焊料在AlN陶瓷基板表面的润湿性，还能促进两者界面处的反应和扩散连接，提高界面结合力；
(2)与激光刻蚀/活化+DBC复合工艺对比，本发明提出的激光刻蚀/活化+AMB工艺中，可以充分利用活性钎焊料在高温下的流动性填平界面处激光刻蚀的微结构(也称为刻蚀沟槽)，确保铜箔与基板的紧密贴合，避免界面处的微缺陷；
(3)本发明还可以通过在AlN陶瓷基板表面预置活化前驱体薄膜，使陶瓷基板表面在激光作用下得到不同活化籽晶层：一种是AlN基板自身分解得到的同质活化籽晶层Al及其氧化物，另一种是活化前驱体分解得到的异质活化籽晶层。这些籽晶层具有以下优点：一是可以提高表面活性层的含量，促进后续铜箔的覆接；二是可以通过设计或调整活化前驱体中的成分，得到不同异质活化籽晶，如Ag、Pd、Ni、Cu及其氧化物等，促进后续AMB过程中界面高强度反应层或固溶扩散层的形成，增大覆铜箔的结合力；
(4)本发明可以同时利用激光作用下产生的“微结构阵列”和“高活性籽晶层”两种激发效应，在AlN陶瓷基板与铜箔界面处形成“界面化学反应层”和“互锁微结构”的双重强化效应，从而大幅度地提高陶瓷基板与铜箔的结合强度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高结合强度的AlN陶瓷覆铜基板的制备流程图。
图2是通过脉冲激光处理直接在AlN基板上得到的具有“S线状沟槽”微结构和同质高活性籽晶层的形貌图，其中，图2(a)为表面形貌，图2(b)为剖面形貌。
图3是采用AMB工艺在图2所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图3(a)为表面形貌，图3(b)为剖面形貌。
图4是通过脉冲激光处理在表面涂覆有活化前驱体薄膜的AlN基板上得到的具有“交叉线网格状沟槽”微结构阵列和异质高活性籽晶层的形貌图，其中，图4(a)为表面形貌，图4(b)为剖面形貌。
图5是采用AMB工艺在图4所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图5(a)为表面形貌，图5(b)为剖面形貌。
图6是通过脉冲激光处理在表面涂覆有活化前驱体薄膜的AlN基板上得到的具有“平行线状沟槽”微结构和同质高活性籽晶层的形貌图，其中，图6(a)为表面形貌，图6(b)为剖面形貌。
图7是采用AMB工艺在图6所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图7(a)为表面形貌，图7(b)为剖面形貌。
图8是通过脉冲激光处理在表面涂覆有活化前驱体薄膜的AlN基板上得到的具有稀疏“交叉线网格状沟槽”微结构和异质高活性籽晶层的形貌图，其中，图8(a)为表面形貌，图8(b)为剖面形貌。
图9是采用AMB工艺在图8所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图9(a)为表面形貌，图9(b)为剖面形貌。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-AlN基板，2-活化前驱体薄膜，3-激光改性后的表面，4-界面反应层，5-活性钎焊料层，6-铜箔，7-同质活化籽晶层，8-异质活化籽晶层，d为激光加工得到的沟槽宽度，h为激光加工得到的沟槽深度，s为激光加工时相邻沟槽的间距，H为铜箔的厚度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种铜层与基板高结合强度的AlN陶瓷覆铜基板，主要由AlN陶瓷基板和AlN陶瓷基板单侧或两侧的铜箔组成。AlN陶瓷基板的厚度为0.2mm-1.5mm，AlN陶瓷基板两侧的铜箔厚度为0.018mm-1.5mm，AlN陶瓷基板表面由线状沟槽、网格状沟槽或S状沟槽的微结构阵列组成，沟槽的宽度d为10-100μm，深度h为2μm～100μm，优先选择3μm～40μm，相邻间距为1.0d～4.0d，优先选择1.5d～3.0d。以上参数设置的巧妙之处为：一方面，该AlN陶瓷覆铜板既可以用于常规应用环境(铜层厚度通常为0.018mm-0.035mm)，也可以用于大电流、高散热应用环境(铜层厚度约为0.05mm-1.5mm)；另一方面，以上微结构阵列参数的设置，可以使后续活性钎焊过程中活性金属钎焊层填满或基本填满该微结构阵列沟槽，避免由于界面空隙或缺陷导致界面结合强度降低。
AlN陶瓷基板表面除具有微结构外，还有激光活化作用下产生的同质活化金属Al籽晶层和/或其氧化物，其与陶瓷基板表面紧密结合。AlN陶瓷基板表面还可以有激光活化作用下产生的异质活化籽晶层，如Pd、Ag、Ni或/和Cu等和/或以上金属的氧化物等，其与AlN陶瓷基板表面紧密结合。在工程实践中，AlN基板表面还可以同时有激光活化作用下产生的同质活化金属Al籽晶层和/或其氧化物和异质活化金属Pd、Ag、Ni、Cu等籽晶层和/或以上金属的氧化物，它们与AlN陶瓷基板表面均紧密结合；还可以通过碱洗或/和酸洗都后处理工序去除激光作用下AlN表面产生的籽晶层和/或他们的氧化物，使AlN基板表面仅保留微结构阵列。AlN陶瓷覆铜板中，陶瓷基板与铜箔之间有活性金属钎焊层，其主要成分为Ti、Ag、Cu与其合金或Ti、Ag、Sn与其合金，厚度为5μm～100μm，优选为10μm-50μm，活性金属钎焊层填满或基本填满陶瓷基板表面的微结构沟槽，在陶瓷基板/活性金属钎焊层界面处形成互锁结构。
生成不同的异质活化籽晶层由不同的活化前驱体溶液和激光加工参数决定的。
本发明还提出了一种铜层与基板高结合强度AlN陶瓷覆铜基板的制备方法，它首先通过激光在AlN陶瓷基板表面刻蚀出微结构阵列，同时在微结构阵列中得到活化籽晶层，然后利用AMB技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面覆接铜箔，以此实现高结合强度AlN陶瓷覆铜基板的制备。图1是本发明实施例提供的一种高结合强度的AlN陶瓷覆铜基板的制备流程图，由图可知，其具体步骤包括：
S1：依次采用400#、800#、1200#和2000#砂纸对AlN陶瓷基板的表面进行研磨处理，之后通过丙酮溶液进行超声清洗，去除表面杂质或油污；
S2：采用激光作用于上述预处理后的AlN陶瓷基板表面，在表面作用区域得到微结构阵列以及活化籽晶层。步骤S2还可以分为两个子步骤实现：
子步骤S2-1：将S1得到的AlN基板浸泡于活化前驱体溶液中，之后取出晾干后在其表面获得一层异质活化前驱体薄膜；该活化前驱体溶液为含有Ag、Pd、Ni、Cu等特定金属离子或金属络离子的溶液；
子步骤S2-2：采用激光作用于子步骤S2-1得到的AlN基板表面，在表面作用区域得到微结构阵列和活化籽晶层。
在步骤S2和S2-2中，激光刻蚀时，工作气氛为空气、氩气或氮气，激光输出波长为1064nm、532nm或355nm。当激光输出波长为1064nm时，激光平均输出功率为2W～300W，优选50W～200W；激光脉冲频率为50KHz～1000KHz，优选200KHz～500KHz；激光输出脉宽为100fs～40ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s；当激光输出波长为532nm时，激光平均输出功率为3W～500W，优选30W～300W；激光脉冲频率为10KHz～3000KHz，优选30KHz～300KHz；激光输出脉宽为10ns～80ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s；当激光输出波长为355nm时，激光平均输出功率为2W～500W，优选20W～100W；激光脉冲频率为10KHz～1000KHz，优选30KHz～300KHz，激光输出脉宽为7ps～20ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s。以上不同波长激光及激光加工参数的设置均能使AlN基板表面导电铜层的结合强度得到提升。
具体的，在步骤S2和S2-2中，通过扫描振镜实现激光束的快速移动，激光束的扫描路径为平行线、交叉线或S型线形式，得到的微结构阵列为线状沟槽、网格状沟槽或S状沟槽。进一步的，当加工幅面大小超过扫描振镜的扫场范围时，通过扫描振镜与三轴/五轴运动平台的联动实现大幅面的激光刻蚀和/或激光活化加工。
S3：清洗AlN陶瓷表面，以去除表面因激光刻蚀产生的杂质和/或多余的活化前驱体薄膜。步骤S3还可以分为两个子步骤实现：
子步骤S3-1：将经步骤S2和S2-2获得的AlN基板浸泡于碱性溶液或依次浸泡于碱性溶液和酸性溶液内，以去除AlN基板表面的杂质和/或异物；
S3-2：采用超声清洗经步骤S3-1处理的AlN陶瓷表面，以去除表面残留的碱或/酸溶液或/和反应产物。
S4：采用丝网印刷或微笔直写或刮涂方式在S3得到的AlN陶瓷基板表面制备一层活性钎焊料，步骤S4中AMB采用的工艺参数为：温度700℃-900℃，时间5min-20min，压力0.02MPa-0.05MPa，以上操作是在真空条件下发生。采用以上参数条件的好处是：可以使活性钎焊料与AlN基板表面充分润湿并生成界面反应层，界面处无空洞等缺陷，同时，钎焊料还能填满AlN基板表面的微结构沟槽。
S5：利用AMB技术在上述表面覆有活性钎焊料的活化陶瓷基板表面覆接铜箔，以此制备高结合强度的AlN陶瓷覆铜板。
为了更详细的说明本发明方法，下面结合具体的实施例进一步详细的说明。
实施例1
本实施例首先采用激光加工工艺在AlN陶瓷基板表面获得S线状沟槽微结构阵列和同质活化籽晶层，然后采用AMB工艺在该高活性的微结构表面覆接铜箔。实施步骤包括：
(1)选择厚度为0.2mm的AlN陶瓷基板；
(2)首先依次采用400#、800#、1200#和2000#砂纸对AlN陶瓷基板的表面进行研磨处理，然后采用丙酮溶液进行超声清洗，去除表面杂质或油污；
(3)采用纳秒红外激光器在AlN陶瓷基板表面进行S线状扫描加工，在工件表面得到S线状沟槽微结构阵列和同质活化籽晶层，其表面和剖面形貌如图2所示。图2是通过激光处理直接在AlN基板上得到的具有“S线状沟槽”微结构和同质高活性籽晶层的形貌图，其中，图2(a)为表面形貌，图2(b)为剖面形貌，由图可知，AlN基板表面得到微结构沟槽阵列，且沟槽表面覆有Al或Al2O3等同质活化籽晶层。加工过程中，激光输出波长为1064nm，激光脉冲频率为50KHz，激光平均输出功率为30W，激光脉冲宽度为40ns，激光扫描速度为100mm/s，得到的S线状沟槽宽度d为100μm，深度h为3μm，相邻单元间距s为300μm；
(4)采用有机溶剂超声震动清洗工艺对上述步骤中激光加工后的AlN陶瓷基板进行清洗；
(5)采用丝网印刷工艺在AlN基板微结构表面覆积活性钎焊层，活性金属钎焊层成份为Ti、Ag和Sn，厚度为10μm；
(6)采用AMB工艺在上述AlN陶瓷基板表面覆接铜箔，覆铜后的表面和剖面形貌如图3所示。图3是采用AMB工艺在图2所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图3(a)为表面形貌，图3(b)为剖面形貌，由图可知，活性钎焊层充分填满AlN表面的微结构沟槽，并在界面处生成界面反应层。AMB工艺在真空条件下进行，铜箔厚度H为0.018mm，覆接参数为：温度800℃，时间15min，压力0.03MPa。
实施例2
本实施例首先采用激光加工工艺在AlN陶瓷基板表面获得网格状沟槽微结构阵列和同质+异质活化籽晶层，然后采用AMB工艺在该高活性的微结构表面覆接铜箔。实施步骤包括：
(1)选择厚度为0.635mm的AlN陶瓷基板；
(2)首先依次采用400#、800#、1200#和2000#砂纸对AlN陶瓷基板的表面进行研磨处理，然后采用丙酮溶液进行超声清洗，去除表面杂质或油污；
(3)将上述AlN基板浸泡于含有Pd离子的活化前驱体溶液中，之后取出晾干后在其表面获得一层异质活化前驱体薄膜；
(4)采用飞秒红外激光器在AlN陶瓷基板表面进行网格交叉线扫描加工，在工件表面得到网格状沟槽微结构阵列和同质+异质活化籽晶层，其表面和剖面形貌如图4所示。图4是通过激光处理在表面涂覆有活化前驱体薄膜的AlN基板上得到的具有“交叉线网格状沟槽”微结构和异质高活性籽晶层的形貌图，其中，图4(a)为表面形貌，图4(b)为剖面形貌，由图可知，AlN基板表面得到微结构沟槽阵列，且沟槽表面覆有Al或/和Al2O3等同质活化籽晶层和Pd或/和PdO等异质活化籽晶层。加工过程中，激光输出波长为1064nm，激光脉冲频率为500KHz，激光平均输出功率为100W，激光脉冲宽度为300fs，激光扫描速度为500mm/s，得到的网格状沟槽宽度d为30μm，深度h为20μm，相邻单元间距s为45μm；
(5)依次采用NaOH溶液浸泡、王水溶液浸泡、有机溶剂超声振动和纯水超声振动清洗工艺对上述步骤中激光加工后的AlN陶瓷基板进行清洗；
(6)采用丝网印刷工艺在AlN基板微结构表面覆积活性钎焊层，活性金属钎焊层成份为Ti、Ag、Cu，厚度为20μm；
(7)采用AMB工艺在上述AlN陶瓷基板表面覆接铜箔，覆铜后的表面和剖面形貌如图5所示。图5是采用AMB工艺在图4所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图5(a)为表面形貌，图5(b)为剖面形貌，由图可知，活性钎焊层充分填满AlN表面的微结构沟槽，并在界面处生成界面反应层。AMB工艺在真空条件下进行，铜箔厚度H为0.3mm，覆接参数为：温度900℃，时间5min，压力0.02MPa。
实施例3
本实施例首先采用激光加工工艺在AlN陶瓷基板表面获得平行线状沟槽微结构阵列和同质+异质活化籽晶层，然后采用AMB工艺在该高活性的微结构表面覆接铜箔。实施步骤包括：
(1)选择厚度为1mm的AlN陶瓷基板；
(2)首先依次采用400#、800#、1200#和2000#砂纸对AlN陶瓷基板的表面进行研磨处理，然后采用丙酮溶液进行超声清洗，去除表面杂质或油污；
(3)将上述AlN基板浸泡于含有Ag离子的活化前驱体溶液中，之后取出晾干后在其表面获得一层异质活化前驱体薄膜；
(4)采用皮秒紫外激光器在上述AlN陶瓷基板表面进行平行线扫描加工，在工件表面得到线状沟槽微结构阵列和同质+异质活化籽晶层，其表面和剖面形貌如图6所示。图6是通过激光处理在表面涂覆有活化前驱体薄膜的AlN基板上得到的具有“平行线状沟槽”微结构和同质高活性籽晶层的形貌图，其中，图6(a)为表面形貌，图6(b)为剖面形貌，由图可知，AlN基板表面得到微结构沟槽阵列，且沟槽表面覆有Al或/和Al2O3等同质活化籽晶层和Ag或/和Ag2O等异质活化籽晶层。加工过程中，激光输出波长为355nm，激光脉冲频率为50KHz，激光平均输出功率为40W，激光脉冲宽度为10ps，激光扫描速度为500mm/s，得到的网格状沟槽宽度d为10μm，深度h为28μm，相邻单元间距s为15μm；
(5)依次采用NaOH溶液浸泡和纯水超声振动清洗工艺对上述步骤中激光加工后的AlN陶瓷基板进行清洗；
(6)采用微笔直写工艺在AlN基板微结构表面覆积活性钎焊层，厚度为50μm；
(7)采用AMB工艺在上述AlN陶瓷基板表面覆接铜箔，覆铜后的表面和剖面形貌如图7所示。图7是采用AMB工艺在图6所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图7(a)为表面形貌，图7(b)为剖面形貌，由图可知，活性钎焊层充分填满AlN表面的微结构沟槽，并在界面处生成界面反应层。-AMB工艺在真空条件下进行，铜箔厚度H为0.8mm，覆接参数为：温度700℃，时间18min，压力0.05MPa。
实施例4
本实施例首先采用激光加工工艺在AlN陶瓷基板表面获得网格状沟槽微结构阵列和异质活化籽晶层，然后采用AMB工艺在该高活性的微结构表面覆接铜箔。实施步骤包括：
(1)选择厚度为1.5mm的AlN陶瓷基板；
(2)首先依次采用400#、800#、1200#和2000#砂纸对AlN陶瓷基板的表面进行研磨处理，然后采用丙酮溶液进行超声清洗，去除表面杂质或油污；
(3)将上述AlN基板浸泡于含有Ni离子的活化前驱体溶液中，之后取出晾干后在其表面获得一层异质活化前驱体薄膜；
(4)采用纳秒绿光激光器在AlN陶瓷基板表面进行网格交叉线扫描加工，在工件表面得到网格状沟槽微结构阵列和异质活化籽晶层，其表面和剖面形貌如图8所示。图8是通过激光处理在表面涂覆有活化前驱体薄膜的AlN基板上得到的具有稀疏“交叉线网格状沟槽”微结构和异质高活性籽晶层的形貌图，其中，图8(a)为表面形貌，图8(b)为剖面形貌，由图可知，AlN基板表面得到微结构沟槽阵列，且沟槽表面覆有Ni或/和NiO等异质活化籽晶层。加工过程中，激光输出波长为532nm，激光脉冲频率为500KHz，激光平均输出功率为200W，激光脉冲宽度为30ns，激光扫描速度为50mm/s，得到的网格状沟槽宽度d为50μm，深度h为40μm，相邻单元间距s为100μm；
(5)采用超声震动清洗工艺对上述步骤中激光加工后的AlN陶瓷基板进行清洗；
(6)采用刷涂工艺在AlN基板微结构表面覆积活性钎焊层，厚度为20μm；
(7)采用AMB工艺在上述AlN陶瓷基板表面覆接铜箔，覆铜后的表面和剖面形貌如图9所示，图9是采用AMB工艺在图8所示的AlN基板表面覆接铜箔后的形貌图，其中，图9(a)为表面形貌，图9(b)为剖面形貌，由图可知，活性钎焊层充分填满AlN表面的微结构沟槽，并在界面处生成界面反应层。AMB工艺在真空条件下，铜箔厚度H为1.5mm，覆接参数为：温度890℃，时间10min，压力0.025MPa。
图2至图9给出了不同的阵列状的沟槽微结构，阵列状的沟槽微结构包括阵列状线状沟槽、阵列状网格状沟槽和阵列状S形沟槽，在本发明的图2至图9中，标号1均为AlN基板，标号2均为活化前驱体薄膜，标号3均为激光改性后的表面，标号4均为界面反应层，标号5均为活性钎焊料层，标号6均为铜箔，标号7均为同质活化籽晶层，标号8均为异质活化籽晶层，d为激光加工得到的沟槽宽度，h为激光加工得到沟槽深度，s为激光加工时相邻沟槽的间距，H为铜箔的厚度。
以上实施例中，还可以将AlN基板浸泡于含有Cu离子的活化前驱体溶液中，之后取出晾干后在其表面获得一层异质活化前驱体薄膜，并在随后制备获得含Cu及其氧化物的异质活化籽晶层。
在本发明实施例中，当激光输出波长为1064nm时，激光平均输出功率为2W～300W，优选50-200W；激光脉冲频率为50KHz～1000KHz，优选200KHz～500KHz；激光输出脉宽为100fs-40ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s。当激光输出波长为532nm时，激光平均输出功率为3W～500W，优选30W～300W；激光脉冲频率为10KHz～3000KHz，优选30KHz～300KHz；激光输出脉宽为10ns～80ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s。当激光输出波长为355nm时，激光平均输出功率为2W～500W，优选10W～100W；激光脉冲频率为10KHz～1000KHz，优选30KHz～300KHz，激光输出脉宽为7ps-20ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s。在以上范围内，都能进行有效刻蚀、活化，频率、波长和扫描速度均能根据需要进行灵活选择和调控。
本发明提供制备如上所述的结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板的方法，通过激光刻蚀、激光活化、激光刻蚀+激光活化AlN陶瓷基板，分别获得具有微结构阵列、活化籽晶层、微结构阵列+活化籽晶层的表面，再与AMB覆铜工艺结合起来，可以在AlN/Cu界面处同时形成化学反应层和互锁微结构，从而显著提高AlN陶瓷基板与覆铜层的结合强度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种铜层与陶瓷基板结合牢固的AlN陶瓷覆铜基板的制备方法，其特征在于，AlN陶瓷覆铜基板包括AlN陶瓷基板，该AlN陶瓷基板表面具有呈阵列状的沟槽微结构，在AlN陶瓷基板表面具有脉冲激光处理后产生的异质和同质活化籽晶层，该异质和同质活化籽晶层与AlN陶瓷基板呈紧密结合，异质活化籽晶层材质包括Pd、Ag、Ni或/和Cu及其氧化物，同质活化籽晶层材质为Al及其氧化物，在该呈阵列状的沟槽微结构内填充有活性金属钎焊层，所述AlN陶瓷基板表面附着有铜箔层，
其制备方法包括如下步骤：
S1：对AlN陶瓷基板的表面进行研磨处理，之后进行超声清洗，以获得洁净的表面；
S2：采用激光作用于步骤S1获得的洁净的AlN陶瓷基板表面，在表面作用区域得到微结构阵列以及活化籽晶层；步骤S2包括如下两个详细的步骤：
S2-1：将经步骤S1获得的AlN基板浸泡于活化前驱体溶液中，取出晾干后在其表面获得一层异质活化前驱体薄膜，所述活化前驱体溶液为含有Ag、Pd、Ni或/和Cu的金属离子或金属络离子的溶液；
S2-2：采用激光刻蚀子步骤S2-1获得的AlN陶瓷基板表面，在表面作用区域得到微结构阵列、异质活化籽晶层和同质活化籽晶层；
步骤S2中，激光作用时，工作气氛为空气、氮气或氩气，激光输出波长为1064nm、532nm或355nm，
当激光输出波长为1064nm时，激光平均输出功率为2W～300W；激光脉冲频率为50KHz～1000KHz；激光输出脉宽为100fs-40ns，激光扫描速度为50mm/s~500mm/s；
当激光输出波长为532nm时，激光平均输出功率为3W～500W；激光脉冲频率为10KHz～3000KHz；激光输出脉宽为10ns～80ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s；
当激光输出波长为355nm时，激光平均输出功率为2W～500W，激光脉冲频率为10 KHz～1000KHz，激光输出脉宽为7ps～20ns，激光扫描速度为50mm/s～500mm/s，
S3：采用超声清洗经步骤S2处理的AlN陶瓷表面，以去除表面因激光刻蚀产生的杂质和/或异物；
S4：在经步骤S3获得的AlN陶瓷基板表面制备一层活性金属钎焊料；
S5：利用活性金属钎焊覆铜法在步骤S4获得的表面覆有活性金属钎焊料的AlN陶瓷基板表面覆接铜箔，加热处理后，获得高结合强度的AlN陶瓷覆铜板。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2-2中，通过扫描振镜实现激光束的快速移动，激光束的扫描路径为平行线、交叉线或S型线，从而对应获得阵列状线状沟槽、阵列状网格状沟槽和阵列状S形沟槽，
在加工幅面大小超过扫描振镜的扫场范围时，通过扫描振镜与三轴/五轴运动平台的联动实现大幅面的激光刻蚀和/或激光活化加工。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S5中，活性金属钎焊覆铜法采用的工艺参数为：在真空条件，温度为700ºC～900ºC，时间为5min～20min，压力为0.02MPa～0.05MPa。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，AlN陶瓷基板厚度为0.2mm～1.5mm，AlN陶瓷基板单侧或者两个侧面均附着有铜箔层，铜箔层厚度为0.018mm～1.5mm。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，整个活性金属钎焊层厚度为5µm～100µm，其成分为Ti、Ag、Cu或其成分为Ti、Ag、Sn，活性金属钎焊层填满或基本填满AlN陶瓷基板表面的阵列状的沟槽微结构，以在AlN陶瓷基板和活性金属钎焊层界面处形成互锁结构。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，呈阵列状的沟槽微结构中，单个沟槽的宽度d为10µm～100µm，单个沟槽的深度h为2µm～100 µm；相邻沟槽间距为1.0d～4.0d。
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| 曾祥勇等.Ag-Cu-Ti系合金钎焊...铜基板界面结合强度研究进展.《陶瓷学报》.2022,第43卷(第4期),第539-550页. * |
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