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探究激光辐照处理对氧化铝陶瓷基板进行化学镀前预处理的特点

发布日期:2014年10月27日

氧化铝陶瓷表面金属化可以使陶瓷与金属连接起来制成复合基板,结合了陶瓷材料优良的力学性能以及金属材料优异的导热、导电性能,是电真空陶瓷器件生产的关键技术。在氧化铝陶瓷金属化过程中经常遇到如下问题:金属化强度偏低、膜层结合力差、致密度低、金属化面透光、易氧化等。这些不仅导致成品率减低,而且影响产品质量,因此不断研究提高金属化工艺水平,对于提高产品质量、促进真空电子器件的发展至关重要。

秒速快3目前,陶瓷金属化的方法主要有化学镀法、电镀法、高温烧结被Ag(Ni)法、Mo-Mn烧结法、真空蒸发镀膜法和真空溅射镀膜法。其中化学镀是陶瓷金属化较为常见的方法之一。因氧化铝陶瓷表面不具备催化活性,工业生产中,一般需要进行含贵金属的催化活化处理,但是含有贵金属Pd等元素,工艺复杂,并带来一定程度的污染。因此,研究以非贵金属活化代替贵金属活化工艺具有非常广阔的研究前景。国内外对非贵金属活化工艺已做了较多研究,例如,利用壳聚糖在ABS塑料表面固定纳米级Ni粒子,作为自催化剂成功实现了化学镀Au,Ni。也有报道,采用NiAc2(60g/L)和NaH2PO2(60g/L)的乙醇混合溶液为活化液,经110℃到230℃下的热氧化还原反应对含70%体积分数SiC的铝基复合材料表面进行了活化,并通过化学镀镍获得了良好的镀层。Yutaka等在ABS树脂表面依次气相沉积了10nm的碳层和20nm的锌层的活化层,并通过化学镀镍获得了良好的镀层。通过引进气相沉积、离子注入、激光辐射和超声波等先进的设备和手段来探索新的活化工艺也成为研究的热点问题。本课题组前期采用一定量的酸和盐的水溶液为活化液的非贵金属活化预处理,成功制备了Ni包覆Cr3C2和Ni包覆WC复合粉体。

秒速快3本文采用激光辐照处理对氧化铝陶瓷基板进行化学镀前预处理使陶瓷基板表面自身产生缺陷(化学镀铜形核中心),通过超声波辅助化学镀方法在氧化铝陶瓷基板表面生长化学镀铜层,与Pd活化预处理化学镀铜进行对比实验,且研究探讨化学镀铜层生长过程。

1实验材料及方法

实验样品为95%的Al2O3陶瓷片,试样大小为20mm×20mm×4mm。实验用的激光辐照系统为JHM-1GY-300B脉冲激光器。将样品置于不锈钢工作平台之上,位于激光光斑中心,并处于离焦位置,激光波长1。064μm,光班直径0。8mm,辐照时间分别为1min,对整个试样进行面扫描,激光辐照实验在室温、空气中进行。辐照完成后试样待镀。作为对比实验,传统工艺的实验内容如下:试样在HNO3(250~300mL/L)和H2O2(30~40mL/L)水溶液中腐蚀30min之后,洗净浸入敏化液((SnCl2(30g/L),盐酸(60mL/L))和活化液(盐酸(60mL/L)和PdCl2(0。5g/L),在室温(25℃)各处理30min。激光辐照处理后和Pd活化处理后试样通过在60℃恒温下,超声波辅助化学镀处理,化学镀镀液组分见表1所示,用NaOH调节镀液中的pH值为9~11。化学镀过程约为50min,化学镀结束后,用去离子水清洗氧化铝陶瓷试样,于120℃烘干2h。通过高分辨冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM),能谱分析仪(EDS)对试样激光辐照预处理前后和化学镀后的表面与截面形貌,划痕及成分进行分析,探讨了化学镀铜层生长过程,同时也对传统工艺所得化学镀层的表面形貌进行了对比。

2实验结果和分析

一般的陶瓷材料在化学镀之前,首先要经过粗化、敏化和活化等预处理,而本论文利用激光辐照处理替代传统的贵金属活化处理对氧化铝陶瓷基板作为表面预处理。

图1为氧化铝陶瓷基板激光辐照预处理前后的SEM形貌。图1(a)为氧化铝陶瓷基板激光辐照预处理前的SEM形貌,由图可见,预处理前陶瓷基板数个陶瓷颗粒组成,陶瓷颗粒为多角形。图1(b)为氧化铝陶瓷基板激光辐照预处理后的SEM形貌,可见预处理后粉体仍为多角形颗粒,但部分颗粒已经融合,形成了在激光辐照过程中产生的新表面。图1(c)和1(d)分别为图1(a)和1(b)的局部放大SEM形貌。由图1(d)可见,激光辐照预处理后,氧化铝陶瓷基板表面可见大量的微孔和纳米级颗粒凸起,同时,与原始的陶瓷基板表面(图1c)对比发现,表面粗糙度显著增加。这是由于在高能量密度激光辐照加热下,陶瓷基板表面层发生熔化并快速凝固,改变了陶瓷表面原组织结构,形成凹凸不平的陶瓷表面,改变了陶瓷表面的粗糙度。纳米级颗粒组成的陶瓷表面将为后续化学镀铜提供形核中心,同时,这种具有微孔型结合的纳米级颗粒将有利于化学镀铜层与陶瓷表面之间结合,进而形成化学镀所需要的“纳米锁扣效应”。
表1 化学镀镀液成分
图1 氧化铝陶瓷基板激光辐照预处理前后的SEM 形貌
图2 激光辐照处理后氧化铝陶瓷基板表面化学镀铜层
图3 传统Pd 活化预处理后氧化铝陶瓷基板表面化学镀铜层SEM 形貌
图4 激光辐照处理后氧化铝陶瓷基板表面化学镀铜层截面SEM 形貌照片
图5 激光辐照处理后氧化铝陶瓷基板表面化学镀铜层划痕SEM 形貌照片
 

秒速快3图2为激光辐照处理后氧化铝陶瓷基板表面化

学镀铜层SEM不同倍数形貌照片,由图2(a)可见,镀铜层均匀沉积在氧化铝陶瓷基板表面,镀铜层表面未见孔隙或裂纹,镀层融合致密(如图2a箭头A所示),但存在部分的铜颗粒弥散分布(如图3a箭头B所示)。更高倍数下(如图2b)发现,镀铜层表面主要呈胞状的亚微米级铜颗粒,颗粒与颗粒之间已经完全融合,不存在明显的间隙,而这种胞状的结构主要是因为颗粒从溶液中沉积在材料表面缺陷处,形成形核中心然后长大互相融合的结果。为了更好的研究分析激光辐照预处理对化学镀铜层质量的影响,本文采用传统的贵金属Pd活化预处理作为对比实验。图3为传统Pd活化预处理后氧化铝陶瓷基板利用相同化学镀铜工艺的表面化学镀铜层SEM不同倍数形貌照片,由图3(a)可见,镀铜层表面除了存在部分的铜颗粒,还有较为明显的孔洞(如图3a箭头所示)。与激光辐照处理后SEM形貌对比发现,激光辐照后镀铜层组织更为致密,颗粒与颗粒之间融合更好,Pd活化预处理后镀铜层未见铜颗粒之间的完全融合(如图3b所示)。

一般的表面化学镀过程与被镀表面的催化能力有关,而催化能力可以用其活性大小表示(活性大小即为单位时间内在单位表面积催化剂上催化产物的质量)。固体表面的活性大小与固体表面的活性中心的数量有关,一般为表面缺陷,比如边缘、台阶以及吸附质岛的边缘等某些配位不饱和的表面原子或原子基团,这些部位易于吸附外来物质成键。常规化学镀包覆表面没有催化活性的基底表面,采用敏化、活化等预处理,目的就是在不具备催化活性表面附着Pd元素微颗粒,使表面易于吸附外来物质成键,实现化学镀沉积过程。而本文认为,激光辐照处理后陶瓷基板表面产生了大量的微孔和纳米级颗粒凸起,亦称为表面缺陷(如图1(d)所示),这些表面缺陷部位易于吸附外来物质成键,实现化学镀铜过程。图4为激光辐照处理后氧化铝陶瓷基板表面化学镀铜层截面SEM形貌照片,由图4可见,化学镀铜层均匀致密,镀层与基体表面结合良好,镀层与基体界面结合处未见孔洞和裂纹等缺陷。同时激光辐照处理后陶瓷基板表面产生的微孔和纳米级颗粒凸起(如图1d所示),增强了化学镀所需要的“锁扣效应”,提高镀层与基体结合。能谱显示断口镀层主要是Cu,Al,O等元素,无其他杂质相。

将上述激光辐照处理后的氧化铝陶瓷基板镀铜试样进行划痕测试分析。图5(a)为低倍下表面镀层的划痕形貌,其划痕平直,表面均匀,划痕两侧无明显的镀层剥离。为了更好分析镀层与基底的结合状态。实验过程中,手工在中间部分施加最大的作用力刺穿镀层;图5(b)为高倍下镀层脱落部分,可以看出其镀层发生了一定的塑性变形,没有脆性撕裂产生,同时镀层与基地之间没有发生起皮,毛刺,裂纹等现象,镀层和基底之间有较好的结合力强度。

3结论

1)激光辐照处理后陶瓷基板表面产生了大量的微孔和纳米级颗粒凸起,亦称为表面缺陷,这些表面缺陷部位易于吸附外来物质成键,实现化学镀铜过程;

2)采用激光辐照处理对氧化铝陶瓷基板进行化学镀前预处理,通过超声波辅助化学镀在氧化铝陶瓷基板表面成功制备了化学镀铜层,镀层与基底也有较好的结合力,与传统的活化敏化对比,其表面更加均匀致密。

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