馬預(yù)譜 魏 濤 王 力 趙俊熠 張鑫磊 陳 妮 李 亮 何 寧
1.南京電子技術(shù)研究所,南京,2100392.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京,210016
近年來,電子模塊集成度越來越高,大規(guī)模集成電路及電子設(shè)備向微型化、高效率、高可靠性等方向發(fā)展,電子系統(tǒng)集成度的提高導(dǎo)致功率密度也隨之升高[1],而產(chǎn)品的溫度每上升10°C,可靠性就降低50%。這就對(duì)與電子設(shè)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(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、介電常數(shù)低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[2-4],特別地,AlN的熱導(dǎo)率可達(dá)到200 W/(m·K)[5],具有出色的散熱潛力。因此,AlN被認(rèn)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(yīng)用前景[6]。另外,YIN等[7]提出氮化鋁基板近結(jié)冷卻技術(shù),即將循環(huán)冷卻液通入氮化鋁基板中的微流道,與傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)相比,節(jié)省了殼體和冷板兩層封裝結(jié)構(gòu),散熱能力可以提高約1倍,封裝厚度減小50%。
當(dāng)前,傳統(tǒng)的陶瓷加工方法主要有機(jī)械加工、化學(xué)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(tǒng)加工方法存在很多局限性。例如,機(jī)械加工容易造成AlN薄層破碎,零件的內(nèi)部也容易出現(xiàn)裂紋;化學(xué)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(chǎn)品規(guī)?;庸さ某杀究刂?在生產(chǎn)實(shí)踐中難以得到廣泛應(yīng)用。
隨著激光器的發(fā)展,激光加工設(shè)備和激光加工工藝的成本顯著降低,激光加工在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。激光加工是一種優(yōu)異的非接觸式高能束精密加工技術(shù),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(diǎn)高的難加工材料等特點(diǎn)[13]。相對(duì)于傳統(tǒng)加工方法,激光加工可以誘導(dǎo)基材表面發(fā)生分解形成硬度更低的變質(zhì)層,具有加工效率高、避免出現(xiàn)裂紋等優(yōu)勢,但是難以控制產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量[14]。KOZIOL等[15]利用Nd-YAG納秒激光在AlN表面加工可導(dǎo)電鋁通道,通過調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度、后續(xù)脈沖的覆蓋范圍和過程的環(huán)境影響等參數(shù),得到低歐姆可導(dǎo)電鋁通道。AHMED等[16-17]在Nd-YAG激光中使用激光束微磨工藝對(duì)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(shù)對(duì)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(duì)加工形貌的影響,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行了氮化鋁基板嵌入式微流道設(shè)計(jì)。另外,為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的AlN疊層基板上微流道精密的加工并進(jìn)一步探究激光加工氮化鋁陶瓷表面散熱微結(jié)構(gòu)工藝方法,本研究針對(duì)AlN樣品在氬氣環(huán)境保護(hù)下進(jìn)行相應(yīng)燒蝕試驗(yàn)。以激光功率與掃描速度作為主要研究參數(shù),通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)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(dòng)速度對(duì)刻蝕現(xiàn)象的影響,探索激光作用下AlN發(fā)生線刻蝕的閾值及其規(guī)律和激光加工參數(shù)對(duì)面刻蝕尺寸形貌的影響?;贏lN疊層基板在納秒激光燒蝕前后材料的化學(xué)差異性,本文還提出了激光及化學(xué)銑切復(fù)合加工新方法,即通過激光輻照誘導(dǎo)AlN表面發(fā)生還原反應(yīng),產(chǎn)生主要成分為Al的活潑變質(zhì)層,并借助陶瓷材料與活潑變質(zhì)層之間的化學(xué)性質(zhì)上的差異,利用化學(xué)液實(shí)現(xiàn)化學(xué)銑切快速去除,最后通過微銑削的方式去除接縫,實(shí)現(xiàn)AlN疊層基板上微流道的精密形性控制。
圖1為某陣列功率器件冷卻結(jié)構(gòu)示意圖,64個(gè)芯片以8×8的陣列形式焊接在氮化鋁基板上,單個(gè)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(nèi)流道一進(jìn)一出,流道深度不超過0.8 mm。
圖1 陣列功率器件冷卻結(jié)構(gòu)示意圖
基于以上散熱需求,考慮到芯片陣列在整個(gè)基板上分布均勻,且流道可利用深度小,采用單層串并聯(lián)流道設(shè)計(jì),并在對(duì)應(yīng)每個(gè)芯片底部增加肋片,提高局部換熱能力。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)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(duì)設(shè)計(jì)的微流道進(jìn)行了熱性能評(píng)估,關(guān)鍵仿真參數(shù)設(shè)置如下:①氮化鋁基板熱導(dǎo)率為170 W/(m·K);②單個(gè)芯片為均勻體積熱源,熱耗為9 W;③液冷工質(zhì)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(shè)為絕熱邊界。得到圖3所示的溫度云圖分布,芯片相對(duì)供液溫度的最高溫升為30.7 ℃(≤40 ℃),滿足散熱要求。
圖2 設(shè)計(jì)氮化鋁微流道
圖3 仿真溫度分布云圖
試驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)前采用拋光機(jī)(PW-1B)對(duì)AlN基板表面進(jìn)行拋光處理,然后使用超聲清洗機(jī)(JP-010)對(duì)已拋光的試件進(jìn)行超聲清洗并擦拭干凈。
鹽酸化學(xué)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(yīng)釜中與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的鹽酸在120 ℃恒溫加熱條件下反應(yīng)15 min用以去除燒蝕產(chǎn)物及變質(zhì)層。
圖4 酸洗裝置
為初步探究燒蝕功率閾值,預(yù)試驗(yàn)過程中保持激光頻率為20 kHz不變,設(shè)置激光功率的調(diào)節(jié)范圍為2~20 W,功率增量為2 W;設(shè)置激光掃描速度調(diào)節(jié)范圍為5~1280 mm/s,如圖5所示。在不同激光功率下,分別調(diào)節(jié)激光掃描速度使用納秒激光器在氬氣環(huán)境下對(duì)AlN試樣進(jìn)行輻照,加工“十”字槽并觀測試件加工后的表面形貌。
圖5 預(yù)試驗(yàn)后的試件表面形貌
通過上述試驗(yàn),可以確定各掃描速度下發(fā)生刻蝕現(xiàn)象時(shí)激光功率的大致范圍。為進(jìn)一步驗(yàn)證燒蝕反應(yīng)發(fā)生的臨界值,需要設(shè)置更小的梯度增量。因此以預(yù)試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)掃描速度開始發(fā)生刻蝕現(xiàn)象的功率數(shù)值為基礎(chǔ),取該功率數(shù)值左右差值1 W為判別區(qū)間,功率增量調(diào)整為0.2 W,設(shè)置11組功率參數(shù)如表1所示,對(duì)燒蝕閾值進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。
表1 不同掃描速度和功率下的刻蝕
為了探究納秒激光燒蝕AlN的加工機(jī)理,實(shí)驗(yàn)在氬氣環(huán)境中加工一塊方形區(qū)域,選用的參數(shù)為:激光功率8 W,掃描間距10 μm,掃描速度10 mm/s。并進(jìn)行鹽酸化學(xué)銑切去除變質(zhì)層,進(jìn)行EDS檢測探究相應(yīng)的材料組分變化。
2.4.1功率對(duì)線刻蝕影響試驗(yàn)方案
在初步探究燒蝕閾值的預(yù)試驗(yàn)中,當(dāng)掃描速度為20 mm/s時(shí),試件線刻蝕痕跡清晰,表面質(zhì)量較好,故探究功率對(duì)線刻蝕形貌影響的試驗(yàn)過程中,保持激光掃描速度為20 mm/s不變,設(shè)置激光頻率為20 kHz,設(shè)置激光功率的調(diào)節(jié)范圍為6~18 W,功率增量為4 W,使用納秒激光器在氬氣環(huán)境下對(duì)AlN試樣進(jìn)行輻照。
激光線刻蝕完成后,對(duì)試件進(jìn)行超聲清洗和鹽酸化學(xué)銑切并擦拭干凈。利用掃描電鏡(SEM)中自導(dǎo)標(biāo)尺對(duì)燒蝕槽尺寸進(jìn)行測量并觀測加工后的表面形貌。
2.4.2掃描速度對(duì)線刻蝕影響試驗(yàn)方案
試驗(yàn)中調(diào)節(jié)激光掃描速度時(shí),激光光斑的重合率也會(huì)同步發(fā)生變化。光斑重合率可以利用下式進(jìn)行計(jì)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(fā)現(xiàn),激光重合率的大小與掃描速度成負(fù)相關(guān),而與光斑直徑、激光頻率成正相關(guān)。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(duì)線刻蝕形貌的影響,以掃描速度為唯一變量進(jìn)行試驗(yàn),掃描速度的調(diào)節(jié)范圍為5~320 mm/s,設(shè)置激光頻率為20 kHz,激光功率為10 W。
觀測預(yù)試驗(yàn)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(shù)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??芍?當(dāng)激光功率設(shè)置為2 W和4 W時(shí),激光掃描速度的整個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi),試樣表面都沒有產(chǎn)生刻蝕痕跡,說明在這兩組較低功率參數(shù)下,激光輻照試樣表面的溫度未能達(dá)到反應(yīng)的臨界溫度,不足以發(fā)生刻蝕現(xiàn)象。當(dāng)激光功率增長到6 W,激光掃描速度低于80 mm/s時(shí),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(chǎn)生刻蝕痕跡。當(dāng)激光功率達(dá)到14 W以上時(shí),在激光掃描速度的整個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi),試樣都會(huì)發(fā)生刻蝕現(xiàn)象。
由此可知,激光功率和激光掃描速度兩組參數(shù)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(jié)果。以預(yù)試驗(yàn)中所得各掃描速度下對(duì)應(yīng)的臨界功率值為基礎(chǔ),取該功率數(shù)值左右差值1 W為判別區(qū)間,進(jìn)一步驗(yàn)證精準(zhǔn)燒蝕閾值的試驗(yàn)方案(表1)。
掃描速度從5 mm/s逐步調(diào)節(jié)到1280 mm/s的過程中,記錄的激光燒蝕閾值即出現(xiàn)刻蝕痕跡對(duì)應(yīng)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(zhǔn)燒蝕閾值的結(jié)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(shí)間縮短,一方面使得輻照區(qū)域內(nèi)的材料溫度難以達(dá)到燒蝕反應(yīng)的臨界溫度,另一方面使材料表面的熱量擴(kuò)散流失得更快。由此可見,過快的激光掃描速度會(huì)降低加工效率。
在氬氣環(huán)境下,AlN HTCC基板被惰性氣體保護(hù),AlN在高溫環(huán)境下發(fā)生熱分解,形成不同形態(tài)的材料層(圖6a),生成大量黑色的燒蝕產(chǎn)物(圖6b),附著在激光輻照區(qū)域表面,以細(xì)小團(tuán)聚物為主要形貌,根據(jù)EDS檢測可知其成分為鋁。采用超聲清洗機(jī)清洗表面,發(fā)現(xiàn)在加工區(qū)域中間存在一些團(tuán)聚物(圖6c),經(jīng)過EDS檢測可知,其成分為鋁。
(a)剖面示意圖 (b)燒蝕產(chǎn)物形貌
EDS檢測結(jié)果表明氬氣環(huán)境下激光輻照使得基體材料AlN發(fā)生還原反應(yīng),產(chǎn)生兩種形態(tài)的鋁變質(zhì)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(zhì)層Al和基體材料AlN化學(xué)性質(zhì)上的差異,采用鹽酸酸洗去除變質(zhì)層Al來觀察交界處的形貌(圖6d)??梢钥闯?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(zhì)層,酸洗后的AlN表面更加平整。
3.3.1激光功率的影響
通過SEM進(jìn)行觀察和測量,得到各激光功率下線刻蝕槽經(jīng)超聲清洗后的AlN試樣形貌,如圖7所示。根據(jù)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(chǎn)物。伴隨著激光功率P的增大,槽側(cè)壁面上燒蝕產(chǎn)物的附著厚度逐漸增大。對(duì)線刻蝕槽進(jìn)一步觀察,得到槽截面圖的形貌特征,測得不同功率參數(shù)下的刻蝕尺寸。使用鹽酸化學(xué)銑切去除燒蝕產(chǎn)物后觀察激光加工效果,如圖7所示,利用SEM中自導(dǎo)標(biāo)尺測量線刻蝕槽的寬度??梢园l(fā)現(xiàn),線刻蝕槽的寬度隨著激光功率的提高而逐步增大。測量結(jié)果表明,當(dāng)激光功率較低時(shí),線刻蝕槽的寬度在激光光斑直徑范圍內(nèi);當(dāng)激光功率達(dá)到14 W時(shí),線刻蝕槽的寬度為51.724 μm,大于激光光斑直徑50 μm。這一結(jié)果表明,由于激光脈沖為高斯脈沖,其能量服從正態(tài)分布,隨著激光功率的增大,激光光斑的能量密度會(huì)顯著提高,試樣表面被輻照區(qū)域的溫度激增,將會(huì)引起過度加工,容易擴(kuò)大粗加工的加工范圍,從而造成后續(xù)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(qū)域的能量密度大,且槽兩側(cè)區(qū)域熱量擴(kuò)散快,兩方面因素共同導(dǎo)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(jù)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(dāng)激光功率為6 W時(shí),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(qū)域內(nèi),試樣的表面只有部分區(qū)域溫度達(dá)到了燒蝕反應(yīng)的臨界溫度,其余區(qū)域溫度不足,尚未發(fā)生AlN的還原反應(yīng)。當(dāng)功率提高到14 W時(shí),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(fā)生AlN還原反應(yīng)的區(qū)域不再局限于光斑輻照范圍內(nèi),激光脈沖的熱量擴(kuò)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(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),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(yīng)區(qū)域的大小是有上限的。另外,根據(jù)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(qū)域的能量密度顯著增強(qiáng),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(duì)線刻蝕槽深度的影響更大。
3.3.2掃描速度的影響
調(diào)節(jié)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(jìn)行觀察,如圖8所示??梢园l(fā)現(xiàn),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(dāng)激光掃描速度達(dá)到80 mm/s時(shí),線刻蝕槽的寬度減小到42.524 μm,深度減小到21.034 μm。此時(shí),線刻蝕槽側(cè)壁面開始變得粗糙雜亂,線刻蝕槽和未加工區(qū)域的分界也不再明顯,說明掃描速度數(shù)值過高時(shí),激光加工的有效區(qū)域變得不再穩(wěn)定,加工質(zhì)量也會(huì)逐漸下降。隨著掃描速度的進(jìn)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。
為保證較好的加工效果,綜合考慮AlN加工表面質(zhì)量和加工效率,選取激光加工參數(shù)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(zhì)層,得到較為整潔的AlN基體。
使用三維輪廓掃描儀對(duì)激光化學(xué)銑切過后的微流道結(jié)構(gòu)底面進(jìn)行粗糙度測量,可以得到微流道底面粗糙度Ra為5.6 μm,導(dǎo)出的粗糙度測量結(jié)果如圖9所示。在上述激光參數(shù)下,激光加工和化學(xué)銑切后的AlN材料深度為272 μm,重復(fù)3次進(jìn)行激光加工和化學(xué)銑切后,微流道結(jié)構(gòu)總深度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的816 μm。最后使用三軸微銑削機(jī)床對(duì)激光化學(xué)銑切加工后的剩余接縫(圖9黃色虛線框所示)進(jìn)行去除修整,并測量微流道結(jié)構(gòu)的尺寸。
圖9 AlN基板微流道結(jié)構(gòu)及表面粗糙度檢測結(jié)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(shè)計(jì)要求。
本文首先針對(duì)某陣列功率器件散熱需求設(shè)計(jì)了氮化鋁基板嵌入式微流道,熱仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的微流道滿足散熱需求。另外,重點(diǎn)對(duì)氮化鋁微流道激光刻蝕加工進(jìn)行研究,結(jié)果如下:
(1)是否產(chǎn)生線刻蝕痕跡是激光功率和掃描速度共同耦合的結(jié)果,發(fā)生AlN還原反應(yīng)的激光功率閾值與掃描速度成正相關(guān)。當(dāng)激光功率增至14 W以上時(shí),激光能量疊加的效果充足,在整個(gè)掃描速度的調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)都能發(fā)生明顯的刻蝕現(xiàn)象。
(2)激光脈沖能量分布服從高斯分布,掃描速度設(shè)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(huì)增大,槽的錐度也在增大,表明激光功率的增大對(duì)刻蝕深度的影響更為顯著。當(dāng)功率進(jìn)一步增至14 W時(shí),燒蝕反應(yīng)的有效區(qū)域不再局限于激光光斑內(nèi)部,槽的寬度將大于光斑直徑。因此,過大的激光功率會(huì)引起過度加工,容易造成精加工余量不足。
(3)激光功率設(shè)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(dāng)掃描速度達(dá)到80 mm/s時(shí),線刻蝕槽側(cè)壁面呈現(xiàn)粗糙雜亂的趨勢,隨著掃描速度的進(jìn)一步增大,激光加工表面質(zhì)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(jìn)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(xué)差異性,利用濃鹽酸進(jìn)行快速去除,并使用三軸微銑削機(jī)床修正接縫實(shí)現(xiàn)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。