综述：激光辅助表面活化与陶瓷基板选择性化学镀铜技术综述

《Optics & Laser Technology》：Laser assisted surface activation and selective copper metallization for ceramic substrates: a review

本综述系统探讨了激光表面活化与化学镀铜（ECP）技术在陶瓷基板（如AlN、Al2O3）选择性金属化中的应用。文章详细分析了激光烧蚀对陶瓷表面形貌、化学成分及导电性的调控机制，重点阐述了ECP过程中铜离子在激光结构化表面的锚定效应与机械互锁（riveting effect）对结合强度的增强作用。该技术以其高精度、环保及易工业化优势，为电子陶瓷器件（如混合集成电路、微流控电路板）的性能提升提供了创新路径，并展望了其在高端激光智能制造领域的未来发展。

　　

化学反应

氮化铝（AlN）陶瓷因其6.2 eV的超宽带隙、高达210 W/m·K的热导率、超过10¹² Ω·m的电阻率以及约5×10^-6 1/K的热膨胀系数等优异特性，在微电子和光电子领域展现出显著优势。其通过热分解实现直接金属化的潜力尤为引人注目。激光诱导选择性金属化装置的系统示意图清晰展示了工作原理：在激光能量作用下，陶瓷表面发生热分解，例如AlN在高温下可转化为导电性铝金属层，同时可能生成Al₂O₃等氧化物，这一化学转变是后续成功进行化学镀铜的基础。

激光处理对陶瓷表面物理化学性质的影响

在陶瓷表面沉积合适的催化种子是成功进行化学镀的关键前提。钯（Pd）因其独特的催化活性而被高度重视并常用于引发化学沉积反应。然而，传统的Pd基催化剂无法实现选择性活化，且后续电路成像需要复杂的光刻工艺。因此，开发一种有效的选择性活化方法至关重要。激光烧蚀处理能够精确地在陶瓷表面创建微纳结构，显著增加比表面积，并改变表面的化学组成，例如增加含氧官能团，这有助于催化剂的吸附和固定，从而为实现选择性化学镀铜创造了条件。激光参数（如功率、扫描速度、脉冲宽度）对表面形貌（如粗糙度、孔隙结构）和化学成分具有决定性影响，进而影响金属涂层的结合强度和导电性。

化学镀铜原理

传统的陶瓷金属化主要依赖于真空沉积技术，如金属粒子蒸发、溅射和化学气相沉积（CVD），以在表面形成均匀的金属涂层。然而，这些方法需要复杂的多步骤光刻程序，延长了金属化过程并增加了实施成本。化学镀铜（ECP）因其成本效益、工艺简单性和能够在复杂几何形状上沉积均匀涂层的优点，在金属化过程中仍然发挥着至关重要的作用。化学镀铜是一种通过溶液中的催化还原反应在基材表面沉积金属铜的过程，无需外部电流。其基本原理是还原剂将溶液中的铜离子（Cu²⁺）还原为金属铜（Cu），并在具有催化活性的表面沉积形成连续、致密的铜层。在激光处理后的陶瓷表面，由于微观结构的锚定效应和可能增强的化学键合，铜层与基板之间的结合力（通常以结合强度衡量）得到显著提升，形成机械互锁结构。

结论展望

本文综述了激光加工对金属化陶瓷表面结合性能的影响及其潜在机制。陶瓷因其高导热性、低热膨胀系数和优异的高频性能等优势，被认为在混合微电子、大功率电子和多芯片模块中具有最大潜力。激光烧蚀的本质在于激光加热材料表面，引起材料去除或相变，从而改变表面特性。通过优化激光参数和化学镀铜工艺，可以在陶瓷基板上获得低电阻、高结合强度的铜涂层。未来的研究方向包括开发新型激光源、探索更环保的化学镀液体系、深入研究界面反应机理，以及将该项技术应用于更先进的电子器件（如高频通信设备、功率模块）的制造中，推动电子陶瓷器件的跨越式发展。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本工作报告的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究工作得到了中国111计划（D21017）、山东省重点研发计划（国际科技合作）（2024KJHZ002）、山东省自然科学基金（ZR2023ME156）、山东省“双百计划”人才项目（WSR2023055）、国家自然科学基金（52405492）和青岛市自然科学基金（24-4-4-zrjj-68-jch）的资助。