《Optics & Laser Technology》：Investigation on the interfacial properties and fracture mechanisms of AlN/Cu joints based on femtosecond laser activation assisted metallization technology
编辑推荐：
本研究采用飞秒激光激活冶金化技术（LAM）在AlN陶瓷表面制备铜层，对比空气与氩气环境下的激光处理效果，发现氩气环境下界面强度更高（优化参数Q=5 μJ，V=100 mm/s时达35.14 MPa），且通过分析表面形貌与化学成分变化，揭示了活性铝生成与界面缺陷的关联机制。
Jinhang Wang|Yilin Wang|Li Meng|Zhenwen Zhang|Shuhuan Zhang|Pan Chen|Kaiwen Wei|Beibei Zhu|Xiaoyan Zeng
中国湖北省武汉市华中科技大学光电子信息学院武汉国家光电子实验室，邮编430074
摘要
本研究采用飞秒激光激活辅助金属化技术（LAM）在AlN陶瓷上制备Cu金属层。分别研究了在空气和Ar气氛下激光激活的AlN的表面形态和化学成分，并系统探讨了这些因素对AlN/Cu界面结合特性和断裂行为的影响。结果表明，在空气气氛和Ar气氛下激光照射下，AlN表面均能生成活性铝，从而引发Cu在无电镀过程中的沉积。然而，在空气气氛下生成的铝颗粒表面会形成明显非晶态的Al2O3或Al(OH)3层，导致AlN/Cu界面出现纳米级间隙。因此，与Ar气氛下激光照射相比，AlN/Cu界面的强度显著降低。此外，在两种气氛下，激光照射的AlN表面均形成了三种改性结构：纳米级激光诱导周期性表面结构（LIPSS）、微米级沟槽以及松散粘附的聚集体。当单脉冲激光能量（Q）较低时，AlN表面主要形成LIPSS和微沟槽，促进了AlN与Cu之间的机械互锁，从而增强了界面结合强度；但随着Q的增加，松散粘附的聚集体增多，破坏了LIPSS和微沟槽，并引入了界面缺陷，使得AlN/Cu界面强度显著下降。在Ar气氛下激光照射条件下，当Q = 5 μJ且V = 100 mm/s时，AlN/Cu界面的最佳强度为35.14 MPa，远高于空气气氛下激光照射得到的22.05 MPa。
引言
AlN陶瓷基板具有高强度、高导热性以及与芯片材料Si相近的热膨胀系数[1]，广泛应用于高功率和高密度集成电路电子封装领域，如高功率电源[2]、[3]、功率电子器件[4]、[5]、高功率LED[6]等[8]、[9]。为实现电子元件的电气连接和高质量封装，通常需要对陶瓷基板表面进行金属化处理。然而，由于AlN具有强共价键，化学稳定性较高，与其他材料的反应性较低，与铜等金属的润湿性较差，因此在AlN表面制备高质量铜导电层较为困难。此外，铜和AlN陶瓷的热膨胀系数（CTE）差异较大，容易导致界面分层，进而造成铜层失效。因此，如何在AlN基板上制备具有良好导电性和高粘附强度的铜导电层一直是一个重要挑战[10]。
激光激活辅助金属化（LAM）[11]是一种基于增材制造技术实现图案化金属层制备的诱人方法。首先，通过激光选择性照射预先涂覆在基板表面的前驱体薄膜来植入活性种子；然后通过清洗去除未照射区域的前驱体材料；最后通过无电镀（ECP）在激光照射区域沉积铜颗粒，从而在基板上形成金属化图案。与传统铜镀层技术（如丝网印刷[12]、直接铜镀层（DPC）[13]、[14]、[15]、厚膜法[16]、直接键合铜（DBC）[18]、[19]和活性材料键合（AMB）[20]、[21]相比，LAM技术具有加工灵活性高、图形精度高、界面结合强度强以及适用于弯曲基板的优点，因此在陶瓷基板的表面金属化应用中具有广泛前景[22]、[23]、[24]。
在激光照射下，AlN材料会分解生成催化活性的铝，从而无需预先制备活性前驱体薄膜，即可通过后续ECP过程直接形成表面金属化图案。早在1994年，M. J. Desilva等人就利用波长为308 nm的脉冲紫外激光研究了LAM在AlN陶瓷上的作用机制[25]，发现激光照射下可以生成自由铝，这成为后续ECP反应的主要催化中心，但所得铜层的粘附强度仅为14 MPa。2011年，K.C. Yung等人研究了激光波长、激光能量密度、重复频率等工艺参数对AlN表面活性层质量的影响，并利用紫外激光LAM技术在AlN上实现了铜图案的制备及通孔金属化[26]，研究表明实现AlN表面分解生成活性铝的激光能量阈值与激光波长成反比。2013至2024年间，P. E. Koziol等人[27]、N. Nedyalkov等人[28]、X. L. Zhang等人[29]、J. Shao等人[22]、Q. Sun等人[30]分别利用红外纳米秒（1064 nm）、绿色纳米秒（532 nm）和紫外纳米秒（266 nm）激光对AlN表面进行了LAM技术研究，发现激光工艺参数、工作气氛和基板加热温度对AlN的分解过程及生成的铝颗粒大小和分布特性具有重要影响。然而，大多数研究仍停留在“激光诱导AlN表面生成活性铝”的初步阶段，关于活性层特性对AlN/Cu界面结合行为影响的研究较少，且仅有少数文献报道AlN/Cu界面的粘附强度，其值仅为14 MPa，远不能满足高功率器件的封装要求。
在作者之前的研究中，基于超快激光的LAM技术已在Al2O3陶瓷基板上实现了高粘附强度（约51.1 MPa）和精细分辨率（线条宽度29 μm）的Cu图案[23]。针对AlN基板上LAM技术的上述局限性，本研究利用红外飞秒激光系统研究了利用LAM技术在AlN上制备高粘附强度Cu图案的方法，系统分析了不同激光工艺参数和工作气氛下活性种子层在AlN表面的形成机制和形态演变，重点探讨了这些因素对AlN/Cu接头界面结合特性和断裂行为的影响。
材料与设备
使用尺寸为5.0 mm × 5.0 mm × 1.0 mm的商用AlN陶瓷（福建华清电子材料科技有限公司，中国）作为基板。ECP溶液的配比为CU-8270A 10 mL/L、CU-8270B 15 mL/L、CU-8270M 60 mL/L、NaOH 120 g/L和HCHO 10 mL/L，其中CU-8270A、CU-8270B和CU-8270M为从广东迪斯特新材料有限公司购买的商用溶液，NaOH和HCHO由国药化学试剂提供
AlN/Cu接头的界面粘附强度
图2展示了经过激光处理、无电镀（ECP）和3 M胶带测试后的AlN陶瓷表面宏观形态，激光处理参数为Q = 5–30 μJ且V = 50–1000 mm/s。如图2（a）和（b）所示，无论在空气气氛还是Ar气氛下处理的AlN基板表面颜色均发生了明显变化，且随Q的增加和V的减小而加深。经过ECP处理后，几乎所有激光处理区域均形成了沉积层
结论
本研究采用飞秒激光激活辅助金属化技术（LAM）在AlN陶瓷上制备Cu金属层，系统研究了不同气氛和激光参数下激光激活AlN陶瓷的表面形态和化学成分，分析了这些因素对AlN/Cu界面结合特性和断裂行为的影响。主要结论如下：
(1)AlN的表面材料
CRediT作者贡献声明
Jinhang Wang：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、方法设计、实验设计、数据整理、概念构思。Yilin Wang：实验设计、审稿与编辑、项目监督、方法设计、资金申请、概念构思。Li Meng：实验设计、审稿与编辑、项目监督、方法设计。Zhenwen Zhang：实验设计。Shuhuan Zhang：实验设计。Pan Chen：实验设计。Kaiwen Wei：实验设计。Beibei Zhu：实验设计。Xiaoyan Zeng：实验设计。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4603900）的支持。所有物理和化学测试均由华中科技大学分析测试中心完成。
