氮化鋁表面激光金屬化研究進(jìn)展

成健，楊震，廖建飛，孔維暢，劉頓

氮化鋁表面激光金屬化研究進(jìn)展

成健，楊震，廖建飛，孔維暢，劉頓

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院中英超快激光研究中心，武漢 430068）

綜述了激光金屬化的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對激光金屬化氮化鋁表面的原理以及影響金屬化效果的主要因素進(jìn)行了介紹。激光金屬化利用氮化鋁在激光的高溫下熱分解產(chǎn)生金屬鋁層實(shí)現(xiàn)表面金屬化，鋁層厚度和導(dǎo)電性是衡量金屬化效果的主要指標(biāo)。影響金屬化效果的因素主要有激光器的波長、激光工藝參數(shù)（能量密度、脈寬和光斑搭接率）、光斑能量分布和氣體氛圍，分析了各個(gè)因素的作用機(jī)理。最后針對激光金屬化過程中存在的金屬化導(dǎo)電層厚度不均勻、電阻偏大等缺陷，總結(jié)了關(guān)于激光金屬化的幾點(diǎn)優(yōu)化措施。

氮化鋁；激光；表面改性；導(dǎo)電層；金屬化；光束類型

氮化鋁是現(xiàn)在電子工業(yè)中的熱門材料，它具有高的熱導(dǎo)率（100～200 W·m–1·K–1），是Al2O3的5～10倍，低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗，力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性好，以及熱膨脹系數(shù)（4.5×10–6℃–1）與硅相近等特點(diǎn)。與目前常用的BeO陶瓷相比，氮化鋁安全無毒，且生產(chǎn)成本低，是作為封裝散熱基板和電子元件制造的理想材料[1-5]。但氮化鋁陶瓷表面可焊性差，要使AIN陶瓷作為電子器件應(yīng)用，需對其表面進(jìn)行金屬化，即在氮化鋁表面制造金屬薄層，使其隨后能用簡易的釬焊工藝與金屬引線或其他金屬導(dǎo)電層連接成一體[6-7]。

目前氮化鋁金屬化主要有厚膜金屬化、薄膜金屬化、直接覆銅金屬化（DBC）、化學(xué)鍍金屬化、活性金屬釬焊法等[8]。厚膜金屬化是在氮化鋁基板上通過絲網(wǎng)印刷按設(shè)計(jì)的樣式覆蓋一層厚膜漿料，再經(jīng)燒結(jié)得到釬焊金屬層、電路和引線接點(diǎn)等[9-10]。這種方法工藝簡單，成本較低，金屬化效果好，但形成的金屬層與陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度低，受溫度影響較大[11-12]。薄膜金屬化分為真空蒸發(fā)和離子濺射，這種方法主要是使金屬以氣態(tài)形式沉積到氮化鋁表面，形成的金屬化層薄，且無過鍍層，無需高溫[13-14]。薄膜金屬化法產(chǎn)生的金屬層均勻，與基板的結(jié)合強(qiáng)度高，但設(shè)備投資大，難以大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)[12]。直接覆銅金屬化是在氮化鋁與銅之間引入氧元素，在銅箔上形成Cu2O，在氮化鋁上形成Al2O3，在1 063～1 083 ℃內(nèi)，接合面處的Cu-O共晶液能很好地潤濕接觸的銅和氮化鋁，同時(shí)生成CuAlO2和CuAl2O4，使氮化鋁基板和銅之間可以形成牢固的結(jié)合[15-16]。這種工藝制造的金屬層力學(xué)性能高，導(dǎo)熱性好，結(jié)合強(qiáng)度高[17]?；瘜W(xué)鍍金屬化法是指沒有電流通過，用還原劑將溶液中的金屬離子還原在催化活性的表面，形成金屬層，鍍層與基體結(jié)合主要是機(jī)械嚙合，在一定范圍內(nèi)，基板粗糙度越大，鍍層與基板的結(jié)合強(qiáng)度越高。這種方法工藝設(shè)備成本低，可以大批量生產(chǎn)，但金屬層與基板的結(jié)合強(qiáng)度低[18-19]?；钚越饘兮F焊法是在普通的釬料中加入一些化學(xué)性質(zhì)活潑的過渡金屬，在進(jìn)行焊接時(shí)，活潑金屬容易氧化，生成的氧化物與氮化鋁基板在接合面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成金屬間化合物即過渡層，從而使氮化鋁實(shí)現(xiàn)金屬化[20]。近年來，隨著激光器的發(fā)展，使用激光實(shí)現(xiàn)氮化鋁金屬化成為研究熱點(diǎn)。

1 氮化鋁激光金屬化原理

使用激光實(shí)現(xiàn)氮化鋁金屬化的機(jī)理是利用激光產(chǎn)生的高溫使氮化鋁熱分解。氮化鋁受熱可分解為金屬鋁和氮?dú)?，溫度不同，分解產(chǎn)生的鋁和氮?dú)馓幱诓煌男螒B(tài)。熱分解過程可用化學(xué)方程式（1）—（4）描述[21]：

AlN(s)→Al(g)+N(g)，Δ=1109.4 kJ/mol (1)

AlN(s)→AlN(g)，Δ=834.7 kJ/mol (2)

AlN(s)→Al(g)+1/2N2(g)，Δ=639.1 kJ/mol (3)

AlN(s)→Al(s)+1/2N2(g)，Δ=312.7 kJ/mol (4)

由方程式（1）—（3）可以看出，當(dāng)激光能量很高時(shí)，氮化鋁分解為鋁蒸汽和氮原子，隨著能量降低，氮化鋁未發(fā)生分解反應(yīng)，由固態(tài)變成氣態(tài)蒸發(fā)，能量進(jìn)一步降低，氮化鋁分解為鋁蒸汽和氮?dú)猓@幾種情況下的反應(yīng)都無法實(shí)現(xiàn)氮化鋁的金屬化。在氮化鋁表面形成金屬鋁層，應(yīng)選擇合適的能量密度，發(fā)生反應(yīng)（4），使氮化鋁分解為固態(tài)鋁和氮?dú)?，從而在氮化鋁表面形成導(dǎo)電鋁層，鋁層的厚度和導(dǎo)電性是衡量激光器金屬化效果的主要指標(biāo)。

2 激光波長的影響

激光波長對氮化鋁金屬化的影響主要是由于氮化鋁對不同波長的激光的吸收系數(shù)不同。吸收系數(shù)大，則激光穿透深度低，氮化鋁表面難以形成厚的鋁層；吸收系數(shù)小，光學(xué)穿透深度深，可以分解出更厚的鋁層，電阻也就更低[22]。目前使用激光金屬化氮化鋁的研究中主要使用的是紫外和紅外2個(gè)波長范圍的激光。

2.1 紫外激光

紫外激光是指波長小于400 nm的激光。這個(gè)波長范圍內(nèi)的激光具有方向性高、波長純度高、單脈沖能量較高、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)[23]。波長在這個(gè)范圍內(nèi)的激光器多為準(zhǔn)分子激光器，如ArF準(zhǔn)分子激光器（193 nm）、KrF準(zhǔn)分子激光器（248 nm）、XeCl準(zhǔn)分子激光器（308 nm）和XeF準(zhǔn)分子激光器（351 nm）?；蛘呤抢冒雽?dǎo)體泵浦Nd：YAG固體激光器，通過非線性頻率變換使其產(chǎn)生波長355 nm的激光[24]。

Zheng等[25]分別用KrF準(zhǔn)分子激光器和波長355 nm的Nd：YAG激光器照射氮化鋁表面。在準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)中，激光照射區(qū)域的電阻隨著能量密度的增大逐漸減小，之后會穩(wěn)定在一個(gè)恒定值，單位面積最小電阻可以達(dá)到6 Ω/mm2。在波長355 nm的Nd：YAG激光器試驗(yàn)中，激光近似平頂激光，同樣功率下光斑中心能量密度要低于準(zhǔn)分子激光，激光處理的區(qū)域相比準(zhǔn)分子激光處理的區(qū)域有更多的氧化和更少的光澤。這可能是由于較長的波長有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中得到的最小電阻大于6 Ω/mm2。

Stolz等[26]在真空環(huán)境中使用波長248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光器對AlN表面進(jìn)行輻照，得到的金屬層最小線電阻為270 Ω/cm。Nicolas等[27]使用波長248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光器在空氣中照射AlN陶瓷表面，當(dāng)激光能量密度超過2 J/cm2時(shí)，AlN表面發(fā)生不可逆的分解反應(yīng)而在氮化鋁陶瓷表面了產(chǎn)生金屬鋁層。

Esrom等[28-29]在空氣中分別使用ArF準(zhǔn)分子激光（193 nm）、KrF準(zhǔn)分子激光（248 nm）和XeF準(zhǔn)分子激光（351 nm）照射AlN陶瓷表面，產(chǎn)生的鋁層的電阻率分別是1.65×10–7、1.03×10–7、0.64×10–7Ω?m。純鋁（純度99.9%）的電阻率是2.8×10–8Ω?m，是這3種準(zhǔn)分子激光在AlN表面產(chǎn)生鋁層的電阻率的17%～44%。結(jié)合3種激光輻射AlN表面時(shí)沿深度方向的溫度變化圖（圖1）可以看出，在同樣深度下，XeF準(zhǔn)分子激光照射后溫度最高，有利于更深層的AlN分解，產(chǎn)生更厚的鋁層，產(chǎn)生的導(dǎo)線電阻也就更小。此外，對比3種激光對AlN陶瓷的燒蝕率，在相同能量密度下，KrF準(zhǔn)分子激光的燒蝕速率是ArF準(zhǔn)分子激光燒蝕速率的5倍，是XeF準(zhǔn)分子激光的2倍。這說明AlN陶瓷對KrF準(zhǔn)分子激光的吸收系數(shù)要高于ArF準(zhǔn)分子激光和XeF準(zhǔn)分子激光。

圖1 3種激光照射1個(gè)脈沖后AlN陶瓷沿深度方向的溫度變化[28]

Li等[30]在試驗(yàn)中使用波長248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光照射AlN表面，得到的單位面積最小電阻為2×105Ω/cm2。Hirayama等[21]使用波長248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光照射AlN陶瓷表面，產(chǎn)生的鋁層厚度為0.1 μm，最小線電阻為34.5 Ω/mm。Yabe等[22]等使用KrF準(zhǔn)分子激光在10–2Pa真空度下輻照AlN表面，得到的鋁層厚度為0.1 μm（見圖2b），最小線電阻約為10 Ω/mm。T?nshoff等[31]使用XeCl準(zhǔn)分子激光（308 nm）照射AlN基板表面，形成導(dǎo)電鋁線，鋁線最小比電阻為0.74 Ω?mm2/m，最小線電阻7.2 Ω/mm，這一值較Stolz得到的270 Ω/cm、Hirayama得到的34.5 Ω/mm有了很大的降低。由于大功率器件印刷電路的常規(guī)導(dǎo)體線電阻為0.2～0.4 Ω/mm，故上述試驗(yàn)產(chǎn)生的線電阻仍無法滿足要求。

2.2 紅外激光

紅外激光指波長大于760 nm的激光。此波長范圍內(nèi)的激光輻射強(qiáng)度高、單色性好、相干性好、方向性強(qiáng)。應(yīng)用于AlN陶瓷金屬化的紅外激光器一般有鈦藍(lán)寶石激光器（波長790 nm）、Yb：glass激光器（波長1 062 nm）、Nd：YAG固體激光器（波長1 064 nm）和CO2激光器（波長10.8 μm）。

Kozio?等[32-33]使用Nd：YAG激光器分別在空氣、N2和氬氣環(huán)境下照射AlN陶瓷表面，然后采用化學(xué)刻蝕的方法測得鋁層的厚度。在激光照射AlN表面后，將AlN基板在KOH溶液中進(jìn)行40～50 ℃化學(xué)浴，去除表面鋁層，使用輪廓儀測量化學(xué)浴前后激光照射區(qū)域輪廓，前后輪廓高度差即為鋁層厚度（見圖3）。這種方法測得的厚度較SEM觀察的更為準(zhǔn)確，因?yàn)镾EM圖中難以分辨AlN基板和鋁層分界。在氬氣環(huán)境中測得的鋁層最厚21.12 μm，最小電阻率0.64× 10–6Ω?m。

Yang等[34]在空氣中使用SPI納秒光纖激光器（1 064 nm）輻射AlN陶瓷表面，形成15 mm×2 mm的區(qū)域，得到的鋁層最厚可達(dá)15 μm左右，激光照射區(qū)域電阻最小接近6 Ω。Yabe等[22]使用CO2激光器（10.8 μm）在不同真空度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的鋁層最厚可達(dá)1 μm（見圖2a），最小線電阻為0.1 Ω/mm，而印刷電路中的常規(guī)導(dǎo)體線電阻在0.2～0.4 Ω/mm之間，這是迄今為止難以實(shí)現(xiàn)的。針對激光金屬化導(dǎo)體電阻較大的問題，有學(xué)者在激光金屬化的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。Cao等[35]結(jié)合激光金屬化和化學(xué)鍍法，在激光制造出金屬層基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)鍍銅，發(fā)現(xiàn)銅只沉積在激光照射區(qū)域，而已沉積的銅可自催化后續(xù)的銅沉積，可以制造出較厚的金屬層。Morita等[36]在激光器金屬化后在氮化鋁表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，在氬氣環(huán)境中使用激光照射氮化鋁表面，得到的最小電阻率2.5×10–7Ω?m，在化學(xué)鍍鎳后，金屬導(dǎo)線的電阻率降低至1×10–7Ω?m，這說明在氮化鋁陶瓷表面使用激光制造出鋁層的基礎(chǔ)上再鍍金屬可顯著降低導(dǎo)線電阻。

圖2 不同激光器制備的鋁層截面SEM形貌[22]

圖3 激光處理后的氮化鋁陶瓷的3D輪廓[32]

劉文等[37]對AlN的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，得到了不同波長的光對氮化鋁的透射率。整體來看，激光對氮化鋁的透射率隨著波長的增加而升高（見圖4）。透射率越高，則光學(xué)穿透深度越深，可以分解更深的AlN，產(chǎn)生更厚的鋁層，且紅外激光熱效應(yīng)比紫外激光更顯著[38]。因此，紅外激光理論上可以產(chǎn)生比紫外激光更厚的鋁層，電阻就更小。使用CO2激光器照射AlN表面，可以制造線電阻為0.1 Ω/mm的導(dǎo)線，這已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。從另一方面來看，紫外激光頻率高，光子能量大，危險(xiǎn)性較紅外激光更大，而且紫外激光器存在體積大、價(jià)格昂貴、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。綜上所述，使用紅外激光器進(jìn)行AlN陶瓷表面金屬化是更好的選擇。

圖4 氮化鋁薄膜透射光譜[37]

3 激光工藝參數(shù)的影響

激光金屬化AlN過程中，同樣的激光器，當(dāng)工藝參數(shù)變化時(shí)，會對金屬化效果有很大影響。主要的工藝參數(shù)有能量密度、脈寬、光斑搭接率，探究合適的激光工藝參數(shù)以得到更好的AlN金屬化效果是很有必要的。

3.1 能量密度

能量密度是指激光照射在單位面積上的能量。計(jì)算公式為：

式中：為激光平均功率；為重復(fù)頻率；為光斑直徑。能量密度對AlN金屬化的影響主要在于，能量密度過低，AlN無法達(dá)到熱分解的溫度；過高，達(dá)到AlN燒蝕閾值，會使AlN燒蝕氣化，造成金屬化效果惡劣。

燒蝕閾值理論計(jì)算公式為：

式中：為AlN密度；為比熱容；d為AlN汽化溫度；為光學(xué)反射率；為AlN對激光吸收系數(shù)，它與激光波長有關(guān)，因此使用不同激光器時(shí)，AlN燒蝕閾值不同[32]。Pedraza等[29]實(shí)驗(yàn)測定的193、248、351 nm激光下AlN的燒蝕閾值約為0.5 J/cm2。Preusch等[39]使用1 064 nm激光器加工AlN，確定AlN的燒蝕閾值為18 J/cm2。

Kozio?等[32-33]使用Nd：YAG激光器金屬化AlN時(shí)，鋁層的電阻隨著累積能量密度的增加而減小，在能量密度為130 J/cm2時(shí)，電阻最小。理論計(jì)算的燒蝕閾值為148 J/cm2，在實(shí)驗(yàn)中測得AlN的燒蝕閾值為200 J/cm2。當(dāng)激光能量密度低于燒蝕閾值時(shí)，鋁層厚度隨著能量密度的增加而增大（見圖5），最厚可達(dá)10 μm。超過燒蝕閾值后，鋁層厚度先減小、后迅速增大，因?yàn)槌^燒蝕閾值后，除了AlN的熱分解，還有燒蝕蒸發(fā)。AlN陶瓷熱分解反應(yīng)發(fā)生在2 200～2 700 ℃[40]，這低于其熔點(diǎn)（2 797 ℃）[41]。當(dāng)激光照射時(shí)，選用合適的能量密度可以提供合適的溫度，在激光光斑處，鋁呈熔池的形式，2 342 ℃是鋁氣化的溫度，這導(dǎo)致鋁從AlN陶瓷表面蒸發(fā)。由于受到激光輻射時(shí)，鋁表面溫度和氧化敏感性的快速變化，形成了各種形狀的團(tuán)聚體。隨著激光能量密度增大，在空氣中產(chǎn)生的團(tuán)聚體以裂紋的形式出現(xiàn)，而在保護(hù)氣體中以多孔形式出現(xiàn)（見圖6）。團(tuán)聚體會使形成的鋁層厚度增加，但使電阻率增大，因此使用激光金屬化AlN陶瓷應(yīng)該將能量密度控制在AlN燒蝕閾值以下。

圖5 不同氣氛中金屬層厚度隨能量密度變化趨勢[32]

Esrom等[28]分別使用ArF準(zhǔn)分子激光、KrF準(zhǔn)分子激光和XeF準(zhǔn)分子激光照射AlN陶瓷表面，制造的鋁層電阻值隨著能量密度的增加先減小、再增大，最小電阻為60 Ω（用KrF激光器以能量密度2 J/cm2照射得到）。Yang等[34]使用SPI納秒光纖激光器在AlN表面制造導(dǎo)電鋁層，得到與上述相似的結(jié)論，激光掃描區(qū)域的電阻隨著激光能量密度的增大先減小、再增大（見圖7），最小電阻為7 Ω（在脈寬為460 ns、能量密度為48 J/cm2左右時(shí)得到）。根據(jù)不同能量密度下激光掃描區(qū)域的表面形貌圖（圖8）可以看出，AlN板原始表面有多孔結(jié)構(gòu)（如圖8a所示）。在較小的能量密度處理后，表面熔化和再凝固，微孔結(jié)構(gòu)消失，取而代之的是許多微裂紋（如圖8b所示）。受微裂紋的影響，鋁層的截面積小，導(dǎo)致電阻值較大。隨著能量密度的增加，更多的材料熔化和再凝固，微裂紋逐漸減小，并變窄（如圖8c所示），最后裂紋消失，鋁層表面致密，但不再平坦光滑（如圖8d所示）。隨著能量密度繼續(xù)增加，鋁層更加致密，電阻逐漸減?。荒芰棵芏冗M(jìn)一步增加，鋁層的表面被破壞，電阻變大。

圖6 3種氣氛下激光照射后AlN的SEM形貌[32]

圖7 不同脈寬下導(dǎo)電層電阻隨能量密度變化趨勢[34]

3.2 激光脈寬

脈寬是指激光器發(fā)射一個(gè)脈沖能量的時(shí)間。在同樣功率下，脈寬越短，峰值能量越高，熱影響越小。目前脈沖激光器脈寬主要分為納秒、皮秒和飛秒幾個(gè)級別。在激光金屬化AlN陶瓷領(lǐng)域，使用的激光脈寬幾乎都是納秒級別。激光脈寬對金屬化的影響主要在于激光產(chǎn)生熱量的熱擴(kuò)散時(shí)間由脈寬決定，熱擴(kuò)散時(shí)間越長，產(chǎn)生的熱效應(yīng)越強(qiáng)。熱擴(kuò)散深度公式為：

式中：ld為熱擴(kuò)散深度；D為熱擴(kuò)散系數(shù)；τ為激光脈寬[42]。隨著激光脈寬的增大，熱擴(kuò)散深度越大，較深的氮化鋁層分解產(chǎn)生鋁，形成較厚的鋁層和較小的電阻。

Yang等[34]使用SPI納秒光纖激光器在不同脈寬（120、183、230、340、460 ns）下激光照射AlN基板表面，在一定能量密度范圍內(nèi)，脈寬越大，形成的鋁層電阻越小，最小電阻為7 Ω（脈寬為460 ns）。隨著能量密度進(jìn)一步增大，脈寬越長，能量密度范圍越大時(shí)，電阻值越大（見圖7）。這是因?yàn)楦吣芰棵芏鹊臒嵝?yīng)開始對形成的鋁層造成損傷，脈沖持續(xù)時(shí)間越長，損傷越嚴(yán)重，電阻變得越大。

飛秒激光是目前所能得到的脈寬最小的脈沖激光，飛秒激光加工過程中，由于脈沖的時(shí)間遠(yuǎn)小于電子–晶格–聲子的弛豫時(shí)間（皮秒量級），導(dǎo)致靶材內(nèi)的電子和晶格聲子并沒有達(dá)到熱平衡，其物理機(jī)制與納秒、毫秒等脈寬的激光燒蝕機(jī)制完全不同，熱影響區(qū)很小[43-44]。Hirayama等[21]使用脈寬為110 fs的Ti：藍(lán)寶石激光器輻射AlN表面，在不同的能量密度（0.35、3.99 J/cm2）下，沒有熔融氮化鋁陶瓷的跡象，燒蝕后的氮化鋁陶瓷表面沒有直接的波紋結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生清晰的銳孔（見圖9）。通過XPS分析可知，在高和低激光能量密度情況下，都不能看到Al峰的化學(xué)位移（見圖10）。這表明激光燒蝕區(qū)域的化學(xué)成分保持不變，AlN未發(fā)生熱分解反應(yīng)。飛秒激光脈寬極短，脈沖的作用時(shí)間遠(yuǎn)小于電子晶格散射的時(shí)間（幾十皮秒），激光脈沖作用完成時(shí)，能量來不及傳遞給晶格，此時(shí)的晶格是“冷”的，因此飛秒激光產(chǎn)生的熱效應(yīng)小[45]，AlN無法熱分解，不適用于AlN的金屬化。

圖9 不同能量密度飛秒激光燒蝕AlN表面SEM形貌[21]

圖10 飛秒鈦寶石激光燒蝕氮化鋁表面鋁2p能譜[21]

Fig.10 XPS spectrum of Al 2p of the ablated AlN ceramic surface treated with Ti:sapphire laser[21]

3.3 光斑搭接率

搭接率是指2個(gè)光斑之間的重疊程度，搭接率越大，則重疊部分越多，在掃描區(qū)域累積能量越高。過大或過小的搭接率都會影響金屬化效果，選擇合適的搭接率是有必要的。搭接率計(jì)算公式為：

式中：為激光掃描速度；為光斑直徑；為重復(fù)頻率。一般來說，搭接率主要由掃描速度決定，速度越大，則搭接率越小，搭接率為負(fù)值時(shí)，每2個(gè)光斑間不再重疊。

Li等[30]使用KrF準(zhǔn)分子激光照射AlN表面，實(shí)驗(yàn)中增大掃描速度，即搭接率逐漸減小，在空氣中得到的鋁層的電阻先減小、再增大。當(dāng)掃描速度400 mm/s時(shí)，搭接率為90%的電阻最小，為0.8 Ω/cm2。當(dāng)搭接率很大時(shí)，后續(xù)激光脈沖會加熱前面脈沖形成的金屬層，加劇其氧化，導(dǎo)致電阻變大；而搭接率過小，單位面積入射的能量越少，這導(dǎo)致金屬層很薄。此外，如果掃描速度太高，光斑會完全分離，導(dǎo)致形成的鋁層不連續(xù)，電阻增大。Yang等[34]使用SPI納秒光纖激光器改變掃描速度（400～3 400 mm/s），對應(yīng)的搭接率為91%～21%，隨著搭接率降低，電阻上升，搭接率為21%時(shí)，電阻最小，為10 Ω。

Kozio?等[32-33]使用Nd：YAG固體激光器改變光斑搭接率在AlN陶瓷上制造導(dǎo)線，當(dāng)搭接率為20%～ 60%時(shí)，金屬層電阻和電阻率略有降低；搭接率達(dá)到80%后，電阻和電阻率開始顯著降低；搭接率為90%～ 98%時(shí)，存在2個(gè)電阻突變的位置，累計(jì)能量低于燒蝕閾值點(diǎn)（搭接率為92%）和能量超過燒蝕閾值點(diǎn)（搭接率為96%）。搭接率在96%左右得到最小電阻，為10 mΩ/cm2和0.64×10–6Ω?m。搭接率超過96%后，由于表面孔隙率過大，導(dǎo)致導(dǎo)電性惡化（見圖11）。單個(gè)脈沖光斑直徑方向的電阻如圖12所示。由于光斑能量呈高斯分布，中心能量高，有利于形成厚的鋁層，故電阻小。因此，當(dāng)搭接率比較大時(shí)，掃描的區(qū)域電阻值較小。

圖11 3種氣氛下金屬層電阻率隨搭接率的變化趨勢[32]

綜上所述，在激光金屬化過程中，選擇合適的工藝參數(shù)是很重要的。其中，能量密度應(yīng)略低于該波長激光下的燒蝕閾值，以保證能分解出厚且致密的鋁層而不產(chǎn)生燒蝕。激光脈寬越大，則熱效應(yīng)和熱擴(kuò)散深度就越大，因此在一定范圍內(nèi)激光脈寬應(yīng)盡可能地大，飛秒激光脈寬過小無法應(yīng)用于氮化鋁金屬化。光斑重疊率在96%左右時(shí)，金屬化效果最好，重疊率小，無法產(chǎn)生致密均勻的金屬層，過大則后續(xù)脈沖會破壞已形成的金屬層。

圖12 電阻沿光斑直徑方向變化[32]

4 光斑能量分布的影響

由于高斯光束的強(qiáng)度沿傳播方向的分布具有一致性，目前很多激光微處理系統(tǒng)都采用高斯光束，這使得高斯光束容易使用和校準(zhǔn)。但是由于高斯光束的能量分布特點(diǎn)，中心能量高，周圍能量遞減，采用高斯光束微加工會出現(xiàn)光斑中心能量達(dá)到材料燒蝕閾值而周圍能量低于燒蝕閾值的情況，導(dǎo)致光斑邊緣的材料被熔化或加熱，增大了熱影響區(qū)[46]。由于氮化鋁的分解溫度和鋁的燒蝕汽化溫度相差不大，因此要使氮化鋁分解出致密的鋁層又不能超過鋁的汽化溫度，對激光能量密度有嚴(yán)格的要求。使用圓形高斯光束，光斑中心能量高，可以分解出厚且致密的金屬層，邊緣由于能量低，無法產(chǎn)生致密的金屬層，這會增大金屬層與基板間的機(jī)械應(yīng)力，降低粘附強(qiáng)度。此外，圓形高斯光束沿著掃描軌跡形成鋸齒狀輪廓，必須采用很高的光斑搭接率才能形成致密的金屬層，使得金屬化效率低[47-49]。

平頂光束光斑各個(gè)區(qū)域能量分布均勻，用合適能量密度的方形平頂光束照射氮化鋁表面，可形成均勻致密的鋁層，保證金屬層具有較好的導(dǎo)電性和粘附強(qiáng)度，不需要高的光斑重疊率，這解決了使用高斯光束金屬化時(shí)的一些弊端，因此使用方形平頂光束對氮化鋁進(jìn)行金屬化是很好的選擇。圓形高斯光束與方形平頂光束加工對比如圖13所示。目前，將高斯光束變?yōu)槠巾敼馐姆椒ㄖ饕泄馐畏?、光束合成、特殊諧振腔等。其中光束整形法最簡單常用，光束整形又分為液晶空間光調(diào)制器法、衍射光學(xué)元件法、微透鏡陣列整形法、雙折射透鏡組等方法[50]。

圖13 圓形高斯光束與方形平頂光束對比[47]

5 氣體環(huán)境的影響

氮化鋁激光金屬化過程由于分解產(chǎn)生的純鋁在高溫下極易被氧化，金屬化過程的氣體環(huán)境對鋁層的導(dǎo)電性有很大影響。Yabe等[22]使用KrF準(zhǔn)分子激光器和CO2激光器在不同真空度（1、10–2Pa）下進(jìn)行金屬化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著照射次數(shù)增加，電阻降低，其中在真空度為10–2Pa試驗(yàn)中的電阻始終低于真空度1 Pa試驗(yàn)中的電阻。Li等人[30]分別在空氣和真空中使用KrF準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行試驗(yàn)，隨著掃描速度的增加，在空氣中試驗(yàn)電阻先降低、再增加，最低電阻為0.8 Ω/cm–2。在真空環(huán)境下，試驗(yàn)電阻變化不大，維持在0.25 Ω/cm2左右。這是由于氮化鋁熱分解產(chǎn)生的純鋁在高溫下被氧化，使金屬層電阻率增大，真空度越高，氧化程度越低，電阻越小。

Kozio?等[32]使用Nd：YAG固體激光器分別在空氣、氮?dú)夂蜌鍤庵性囼?yàn)，3種氣體氛圍下的電阻都隨著能量密度的增加而降低，氬氣環(huán)境下的電阻最低，由8 Ω降到接近0 Ω，其次是氮?dú)猸h(huán)境，空氣中試驗(yàn)電阻最大，由初始31 Ω降到接近0 Ω，不過需要比氬氣和氮?dú)猸h(huán)境中更大的能量密度（見圖14）。相同能量密度時(shí)，在空氣中試驗(yàn)的電阻高于氮?dú)夂蜌鍤夥諊碌碾娮瑁怯捎诋a(chǎn)生的鋁層在高溫下被劇烈氧化導(dǎo)致。氮?dú)庵袑?shí)驗(yàn)電阻略高于氬氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)電阻，這是由于鋁在高溫下與氮?dú)獍l(fā)生二次反應(yīng)，生成的氮化鋁嵌入形成的鋁層中，使鋁層電阻率升高[51]。綜上所述，在空氣中激光金屬化氮化鋁時(shí)，熱分解形成的鋁層在高溫下會被氧化，在氮?dú)庵袖X會發(fā)生二次反應(yīng)影響導(dǎo)電性，而氬氣環(huán)境可以稀釋分解產(chǎn)生的氮?dú)?，減弱鋁的反應(yīng)，因此在氬氣環(huán)境激光金屬化氮化鋁是最好的選擇。

圖14 3種氣氛下金屬層電阻隨能量密度的變化趨勢[32]

6 結(jié)語

氮化鋁金屬化方法有厚膜金屬化、薄膜金屬化、直接覆銅金屬化（DBC）、化學(xué)鍍金屬化、活性金屬釬焊法及激光金屬化等。激光金屬化作為新出現(xiàn)的方法具有工藝簡單、成本低及效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在金屬化導(dǎo)電層不均勻、導(dǎo)電層電阻偏大等缺陷。總結(jié)研究情況，主要有以下結(jié)論和研究優(yōu)化方向：

1）使用紅外激光進(jìn)行金屬化。相比于紫外激光，紅外激光對氮化鋁有更高的透射率，且熱效應(yīng)更強(qiáng)，可以分解更深層的氮化鋁，使得紅外激光能制造出的金屬層更厚。

2）選取合適的激光工藝參數(shù)，包括能量密度、脈寬和搭接率。選用略低于燒蝕閾值的能量密度，以保證能形成厚且致密的金屬層而不產(chǎn)生燒蝕。激光熱效應(yīng)與脈寬正相關(guān)，因此選擇大的脈寬有利于氮化鋁熱分解。搭接率在96%左右時(shí)效果最好，搭接率過小，無法形成連續(xù)均勻的金屬層；搭接率過大，使得后續(xù)脈沖會破壞已形成的導(dǎo)體。

3）采用平頂光束可以制造出均勻致密的金屬層，且對光斑重疊率沒有過高要求，避免了使用高斯光束的一些弊端，提高了金屬化效率。

4）在氬氣環(huán)境中金屬化可以避免形成的鋁層被氧化，氬氣可以稀釋氮化鋁分解產(chǎn)生的氮?dú)?，減弱鋁與氮?dú)獾母邷囟畏磻?yīng)，提高鋁層的導(dǎo)電性。

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Research Progress on Laser Metallization of AlN Surface

,,,,

(Center for Sino-UK Ultrafast Laser Processing Research, School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

This article summarizes the research development in China and beyond. Firstly, it analyzes the mechanism of AlN surface laser metallization, afterwards it reports and classifies the influence of key parameters. Simply to say, the conductive aluminum layer on the AlN surface is produced by the thermal decomposition AlN into aluminum and nitrogen duo to laser induced ultrahigh temperature. The main indicators to measure the metallization effect include the thickness and conductivity of the aluminum layer. The electrical properties of the metallic layer on AlN surface are mainly determined by laser wavelength, laser operating parameters, energy distribution and ambient atmosphere. The influence mechanism of these factors is analyzed briefly. Ultimately, some optimization measures for laser metallization are summarized in view of the defects of uneven thickness and large resistance of the metallized conductive layer in the laser metallization process.

AlN; laser; surface modification; conductive layer; metallization; beam profile

TN205

A

1001-3660(2022)07-0077-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.007

2021–06–02；

2021–11–11

2021-06-02；

2021-11-11

成?。?975—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榧す夤こ獭?/p>

CHENG Jian (1975-), Male, Doctor, Associate professor, Research interest: laser engineering.

劉頓（1980—），男，博士，教授, 主要研究方向?yàn)榧す夤こ獭?/p>

LIU Dun (1980-), Male, Doctor, Professor, Research interest: laser engineering.

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CHENG Jian, YANG Zhen, LIAO Jian-fei, et al. Research Progress on Laser Metallization of AlN Surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 77-86.

責(zé)任編輯：劉世忠