氮化鋁基板嵌入式微流道設計及激光刻蝕研究

馬預譜 魏 濤 王 力 趙俊熠 張鑫磊 陳 妮 李 亮 何 寧

1.南京電子技術研究所,南京,2100392.南京航空航天大學機電學院,南京,210016

0 引言

近年來,電子模塊集成度越來越高,大規模集成電路及電子設備向微型化、高效率、高可靠性等方向發展,電子系統集成度的提高導致功率密度也隨之升高[1],而產品的溫度每上升10°C,可靠性就降低50%。這就對與電子設備相匹配的散熱裝置的性能提出了更高的要求。氮化鋁(AlN)高溫共燒陶瓷(HTCC)具有熱導率高、熱膨脹系數低、介電常數低、結構強度高、化學穩定性好等優點[2-4],特別地,AlN的熱導率可達到200 W/(m·K)[5],具有出色的散熱潛力。因此,AlN被認為是新一代微電子器件基板和封裝材料的首選,在高端大功率電子元件中具有廣闊的應用前景[6]。另外,YIN等[7]提出氮化鋁基板近結冷卻技術,即將循環冷卻液通入氮化鋁基板中的微流道,與傳統冷卻結構相比,節省了殼體和冷板兩層封裝結構,散熱能力可以提高約1倍,封裝厚度減小50%。

當前,傳統的陶瓷加工方法主要有機械加工、化學刻蝕、高壓磨料水射流加工等[8]。然而,由于氮化鋁材料自身的特殊性,其傳統加工方法存在很多局限性。例如,機械加工容易造成AlN薄層破碎,零件的內部也容易出現裂紋;化學刻蝕氮化鋁陶瓷材料的去除率低[9-10];高壓磨料水射流加工精度低噪聲大[11]。上述幾種方法加工效率低,加工精度難以保證[12],且不能滿足氮化鋁產品規模化加工的成本控制,在生產實踐中難以得到廣泛應用。

隨著激光器的發展,激光加工設備和激光加工工藝的成本顯著降低,激光加工在實際生產中的應用越來越廣泛。激光加工是一種優異的非接觸式高能束精密加工技術,具有效率高、加工成本低、無切削作用力以及可加工硬度高、熔點高的難加工材料等特點[13]。相對于傳統加工方法,激光加工可以誘導基材表面發生分解形成硬度更低的變質層,具有加工效率高、避免出現裂紋等優勢,但是難以控制產品的精度和表面質量[14]。KOZIOL等[15]利用Nd-YAG納秒激光在AlN表面加工可導電鋁通道,通過調節激光功率、掃描速度、后續脈沖的覆蓋范圍和過程的環境影響等參數,得到低歐姆可導電鋁通道。AHMED等[16-17]在Nd-YAG激光中使用激光束微磨工藝對鈦合金和鎳合金加工不同尺寸的微流道,研究了激光加工參數對微流道幾何形狀的影響。ZHAO等[18]研究了激光掃描速度和平均功率對加工形貌的影響,仿真和實驗結果表明燒蝕深度隨著掃描速度的增大而減小,而熔池的深度以及重鑄層的高度隨著平均功率的增大而增大。

基于某陣列功率器件的散熱需求,本文首先進行了氮化鋁基板嵌入式微流道設計。另外,為了實現設計的AlN疊層基板上微流道精密的加工并進一步探究激光加工氮化鋁陶瓷表面散熱微結構工藝方法,本研究針對AlN樣品在氬氣環境保護下進行相應燒蝕試驗。以激光功率與掃描速度作為主要研究參數,通過調節這兩個參數可以改變單脈沖激光的能量分布以及激光光斑的重合率,研究激光光斑的能量與移動速度對刻蝕現象的影響,探索激光作用下AlN發生線刻蝕的閾值及其規律和激光加工參數對面刻蝕尺寸形貌的影響。基于AlN疊層基板在納秒激光燒蝕前后材料的化學差異性,本文還提出了激光及化學銑切復合加工新方法,即通過激光輻照誘導AlN表面發生還原反應,產生主要成分為Al的活潑變質層,并借助陶瓷材料與活潑變質層之間的化學性質上的差異,利用化學液實現化學銑切快速去除,最后通過微銑削的方式去除接縫,實現AlN疊層基板上微流道的精密形性控制。

1 氮化鋁微流道設計

圖1為某陣列功率器件冷卻結構示意圖,64個芯片以8×8的陣列形式焊接在氮化鋁基板上,單個芯片熱耗為9 W,總熱耗為576 W,芯片最大溫升不超過40 ℃。基板內流道一進一出,流道深度不超過0.8 mm。

圖1 陣列功率器件冷卻結構示意圖

基于以上散熱需求,考慮到芯片陣列在整個基板上分布均勻,且流道可利用深度小,采用單層串并聯流道設計,并在對應每個芯片底部增加肋片,提高局部換熱能力。經過參數優化,得到圖2所示的氮化鋁微流道,流道深度為0.8 mm,主流道寬度為4.5 mm,局部微流道寬度為0.5 mm,長度為5 mm,微流道縱向間距為0.75 mm。另外,采用熱仿真分析軟件FloEFD對設計的微流道進行了熱性能評估,關鍵仿真參數設置如下:①氮化鋁基板熱導率為170 W/(m·K);②單個芯片為均勻體積熱源,熱耗為9 W;③液冷工質為65乙二醇防凍液,供液溫度為20 ℃,供液流量為50 L/h;④所有外表面假設為絕熱邊界。得到圖3所示的溫度云圖分布,芯片相對供液溫度的最高溫升為30.7 ℃(≤40 ℃),滿足散熱要求。

圖2 設計氮化鋁微流道

圖3 仿真溫度分布云圖

2 氮化鋁微流道激光刻蝕試驗

2.1 試驗設備

試驗使用高斯脈沖納秒激光器(IPG Photonics),激光波長為1064 nm,激光光斑直徑為50 μm。

試驗使用掃描電鏡(Hitachi S-3400)觀測AlN加工過程中的表面形貌,其最小分辨力是3 nm。

實驗前采用拋光機(PW-1B)對AlN基板表面進行拋光處理,然后使用超聲清洗機(JP-010)對已拋光的試件進行超聲清洗并擦拭干凈。

鹽酸化學銑切所使用的酸洗裝置如圖4所示。激光加工后的AlN基板在反應釜中與質量分數為15%的鹽酸在120 ℃恒溫加熱條件下反應15 min用以去除燒蝕產物及變質層。

圖4 酸洗裝置

2.2 AlN燒蝕閾值探究試驗方案

為初步探究燒蝕功率閾值,預試驗過程中保持激光頻率為20 kHz不變,設置激光功率的調節范圍為2～20 W,功率增量為2 W;設置激光掃描速度調節范圍為5～1280 mm/s,如圖5所示。在不同激光功率下,分別調節激光掃描速度使用納秒激光器在氬氣環境下對AlN試樣進行輻照,加工“十”字槽并觀測試件加工后的表面形貌。

圖5 預試驗后的試件表面形貌

通過上述試驗,可以確定各掃描速度下發生刻蝕現象時激光功率的大致范圍。為進一步驗證燒蝕反應發生的臨界值,需要設置更小的梯度增量。因此以預試驗中對應掃描速度開始發生刻蝕現象的功率數值為基礎,取該功率數值左右差值1 W為判別區間,功率增量調整為0.2 W,設置11組功率參數如表1所示,對燒蝕閾值進行進一步的驗證。

表1 不同掃描速度和功率下的刻蝕

2.3 探究AlN燒蝕機理試驗方案

為了探究納秒激光燒蝕AlN的加工機理,實驗在氬氣環境中加工一塊方形區域,選用的參數為:激光功率8 W,掃描間距10 μm,掃描速度10 mm/s。并進行鹽酸化學銑切去除變質層,進行EDS檢測探究相應的材料組分變化。

2.4 線刻蝕試驗方案

2.4.1功率對線刻蝕影響試驗方案

在初步探究燒蝕閾值的預試驗中,當掃描速度為20 mm/s時,試件線刻蝕痕跡清晰,表面質量較好,故探究功率對線刻蝕形貌影響的試驗過程中,保持激光掃描速度為20 mm/s不變,設置激光頻率為20 kHz,設置激光功率的調節范圍為6～18 W,功率增量為4 W,使用納秒激光器在氬氣環境下對AlN試樣進行輻照。

激光線刻蝕完成后,對試件進行超聲清洗和鹽酸化學銑切并擦拭干凈。利用掃描電鏡(SEM)中自導標尺對燒蝕槽尺寸進行測量并觀測加工后的表面形貌。

2.4.2掃描速度對線刻蝕影響試驗方案

試驗中調節激光掃描速度時,激光光斑的重合率也會同步發生變化。光斑重合率可以利用下式進行計算:

式中,d為光斑直徑;f為激光頻率;v為激光掃描速度。

可以發現,激光重合率的大小與掃描速度成負相關,而與光斑直徑、激光頻率成正相關。在不同的重合率下加工,激光能量疊加的效果也是完全不同的。為研究激光掃描速度對線刻蝕形貌的影響,以掃描速度為唯一變量進行試驗,掃描速度的調節范圍為5～320 mm/s,設置激光頻率為20 kHz,激光功率為10 W。

3 試驗結果及分析

3.1 AlN燒蝕閾值試驗結果分析

觀測預試驗后試件的表面形貌,如圖5所示。表面形貌反映了各激光參數加工后表面是否存在刻蝕痕跡, “+”為激光輻照后表面存在刻蝕痕跡。可知,當激光功率設置為2 W和4 W時,激光掃描速度的整個調節區間內,試樣表面都沒有產生刻蝕痕跡,說明在這兩組較低功率參數下,激光輻照試樣表面的溫度未能達到反應的臨界溫度,不足以發生刻蝕現象。當激光功率增長到6 W,激光掃描速度低于80 mm/s時,激光光斑重合率較高,激光能量疊加的效果充分,試件表面能夠產生刻蝕痕跡。當激光功率達到14 W以上時,在激光掃描速度的整個調節區間內,試樣都會發生刻蝕現象。

由此可知,激光功率和激光掃描速度兩組參數共同影響加工過程中試樣的表面溫度,是否存在刻蝕痕跡是二者耦合作用的結果。以預試驗中所得各掃描速度下對應的臨界功率值為基礎,取該功率數值左右差值1 W為判別區間,進一步驗證精準燒蝕閾值的試驗方案(表1)。

掃描速度從5 mm/s逐步調節到1280 mm/s的過程中,記錄的激光燒蝕閾值即出現刻蝕痕跡對應的功率為5.8 W、6.0 W、6.2 W、6.4 W、6.6 W、8.0 W、8.4 W、12.2 W、14.6 W。精準燒蝕閾值的結果說明激光燒蝕閾值與激光掃描速度并非成線性增長,燒蝕閾值的增長速率呈增大的趨勢。隨著掃描速度的增大,單位面積上激光輻照的時間縮短,一方面使得輻照區域內的材料溫度難以達到燒蝕反應的臨界溫度,另一方面使材料表面的熱量擴散流失得更快。由此可見,過快的激光掃描速度會降低加工效率。

3.2 AlN燒蝕過程中的加工機理

在氬氣環境下,AlN HTCC基板被惰性氣體保護,AlN在高溫環境下發生熱分解,形成不同形態的材料層(圖6a),生成大量黑色的燒蝕產物(圖6b),附著在激光輻照區域表面,以細小團聚物為主要形貌,根據EDS檢測可知其成分為鋁。采用超聲清洗機清洗表面,發現在加工區域中間存在一些團聚物(圖6c),經過EDS檢測可知,其成分為鋁。

(a)剖面示意圖 (b)燒蝕產物形貌

EDS檢測結果表明氬氣環境下激光輻照使得基體材料AlN發生還原反應,產生兩種形態的鋁變質層,上層以疏松的鋁粉為主,下層為鋁金屬層。因此,可以利用變質層Al和基體材料AlN化學性質上的差異,采用鹽酸酸洗去除變質層Al來觀察交界處的形貌(圖6d)。可以看出,底部存在大量呈列狀排布的燒蝕坑,其排列方向與激光光斑掃描方向一致。相較于變質層,酸洗后的AlN表面更加平整。

3.3 激光參數對線刻蝕效果的影響

3.3.1激光功率的影響

通過SEM進行觀察和測量,得到各激光功率下線刻蝕槽經超聲清洗后的AlN試樣形貌,如圖7所示。根據超聲清洗過后的形貌圖可以看出,在激光刻蝕痕跡表面附著了大量的超聲清洗無法去除的燒蝕產物。伴隨著激光功率P的增大,槽側壁面上燒蝕產物的附著厚度逐漸增大。對線刻蝕槽進一步觀察,得到槽截面圖的形貌特征,測得不同功率參數下的刻蝕尺寸。使用鹽酸化學銑切去除燒蝕產物后觀察激光加工效果,如圖7所示,利用SEM中自導標尺測量線刻蝕槽的寬度。可以發現,線刻蝕槽的寬度隨著激光功率的提高而逐步增大。測量結果表明,當激光功率較低時,線刻蝕槽的寬度在激光光斑直徑范圍內;當激光功率達到14 W時,線刻蝕槽的寬度為51.724 μm,大于激光光斑直徑50 μm。這一結果表明,由于激光脈沖為高斯脈沖,其能量服從正態分布,隨著激光功率的增大,激光光斑的能量密度會顯著提高,試樣表面被輻照區域的溫度激增,將會引起過度加工,容易擴大粗加工的加工范圍,從而造成后續精加工余量不足。由酸洗后的槽截面圖可以看出,線刻蝕槽截面均呈V形,這是由于脈沖激光能量分布遵循高斯分布,激光光斑中心區域的能量密度大,且槽兩側區域熱量擴散快,兩方面因素共同導致線刻蝕槽的截面形狀呈V形。

(a)酸洗前槽上表面形貌圖

根據圖7b和圖7c可知,線刻蝕槽寬度和錐度隨功率的提高而增大。當激光功率為6 W時,線刻蝕槽寬度為25.517 μm,大約只有光斑直徑的一半,這說明光斑覆蓋的圓形區域內,試樣的表面只有部分區域溫度達到了燒蝕反應的臨界溫度,其余區域溫度不足,尚未發生AlN的還原反應。當功率提高到14 W時,線刻蝕槽的寬度為51.724 μm,超過了光斑直徑的大小,這說明隨著功率的增大,發生AlN還原反應的區域不再局限于光斑輻照范圍內,激光脈沖的熱量擴散到了更大的范圍,從而造成線刻蝕槽的寬度大于激光光斑直徑。但觀察槽的寬度數據可以發現,槽寬隨著激光功率提高的變化趨勢為先快速增長后緩慢增長,說明激光輻照熱效應區域的大小是有上限的。另外,根據線刻蝕槽截面的SEM視圖(圖7c)可以看出,激光功率從6 W提高到18 W的過程中,高斯脈沖中心區域的能量密度顯著增強,激光的刻蝕深度大幅增加,從15.172 μm增加到113.103 μm,深度增至初始值的約7.5倍;激光刻蝕寬度由25.517 μm增至56.552 μm,寬度增至初始值的約2.2倍。槽深度的增長率明顯大于寬度的增長率,錐度也顯著增大,這表明激光脈沖對線刻蝕槽深度的影響更大。

3.3.2掃描速度的影響

調節激光掃描速度,輻照試件表面。利用SEM拍攝加工后的試樣表面并進行觀察,如圖8所示。可以發現,隨著掃描速度的增大,線刻蝕槽的寬度和深度都逐漸減小,當激光掃描速度達到80 mm/s時,線刻蝕槽的寬度減小到42.524 μm,深度減小到21.034 μm。此時,線刻蝕槽側壁面開始變得粗糙雜亂,線刻蝕槽和未加工區域的分界也不再明顯,說明掃描速度數值過高時,激光加工的有效區域變得不再穩定,加工質量也會逐漸下降。隨著掃描速度的進一步增大,激光光斑重合率逐步降低,加工深度的變化趨勢逐漸放緩,表明在掃描速度增大的過程中,能量損失的比例大幅提高,激光加工效率顯著下降。

3.4 AlN基板微流道加工

為保證較好的加工效果,綜合考慮AlN加工表面質量和加工效率,選取激光加工參數為:功率20 W,掃描速度5 mm/s,掃描間隔20 μm。在YAG激光器蝕除大部分材料后,用鹽酸去除表面附著的變質層,得到較為整潔的AlN基體。

使用三維輪廓掃描儀對激光化學銑切過后的微流道結構底面進行粗糙度測量,可以得到微流道底面粗糙度Ra為5.6 μm,導出的粗糙度測量結果如圖9所示。在上述激光參數下,激光加工和化學銑切后的AlN材料深度為272 μm,重復3次進行激光加工和化學銑切后,微流道結構總深度可以達到設計要求的816 μm。最后使用三軸微銑削機床對激光化學銑切加工后的剩余接縫(圖9黃色虛線框所示)進行去除修整,并測量微流道結構的尺寸。

圖9 AlN基板微流道結構及表面粗糙度檢測結果

圖10中,右圖橫軸表示測量路徑的水平跨度,縱軸表示測量路徑上各位置的高度。測量得到加工完畢的AlN基板微流道寬度為0.500 mm,微流道長度為4.958 mm,微流道縱向間距為0.739 mm,流道總深度為0.815 mm,誤差均小于50 μm,滿足設計要求。

4 結論

本文首先針對某陣列功率器件散熱需求設計了氮化鋁基板嵌入式微流道,熱仿真結果表明設計的微流道滿足散熱需求。另外,重點對氮化鋁微流道激光刻蝕加工進行研究,結果如下:

(1)是否產生線刻蝕痕跡是激光功率和掃描速度共同耦合的結果,發生AlN還原反應的激光功率閾值與掃描速度成正相關。當激光功率增至14 W以上時,激光能量疊加的效果充足,在整個掃描速度的調節區間內都能發生明顯的刻蝕現象。

(2)激光脈沖能量分布服從高斯分布,掃描速度設置為20 mm/s不變,隨著激光功率的增大,線刻蝕槽的寬度和深度均會增大,槽的錐度也在增大,表明激光功率的增大對刻蝕深度的影響更為顯著。當功率進一步增至14 W時,燒蝕反應的有效區域不再局限于激光光斑內部,槽的寬度將大于光斑直徑。因此,過大的激光功率會引起過度加工,容易造成精加工余量不足。

(3)激光功率設置為10 W不變,隨著掃描速度的增大,激光光斑重合率下降,線刻蝕槽的寬度和深度逐漸減小,材料去除率逐漸降低。當掃描速度達到80 mm/s時,線刻蝕槽側壁面呈現粗糙雜亂的趨勢,隨著掃描速度的進一步增大,激光加工表面質量下降,加工效率大幅降低。

(4)選取功率為20 W,掃描速度5 mm/s,掃描間隔20 μm進行激光加工,借助激光燒蝕前后AlN疊層基板表面材料的化學差異性,利用濃鹽酸進行快速去除,并使用三軸微銑削機床修正接縫實現形性控制,最終得到的微流道尺寸誤差均小于50 μm,微流道總深度為800 μm,表面粗糙度為5.6 μm。