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WO1996023087A1 - Procede de production d'une couche metallique epaisse et fortement adherente sur un substrat de nitrure d'aluminium fritte et produit metallise ainsi obtenu - Google Patents

Procede de production d'une couche metallique epaisse et fortement adherente sur un substrat de nitrure d'aluminium fritte et produit metallise ainsi obtenu Download PDF

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WO1996023087A1
WO1996023087A1 PCT/EP1995/000247 EP9500247W WO9623087A1 WO 1996023087 A1 WO1996023087 A1 WO 1996023087A1 EP 9500247 W EP9500247 W EP 9500247W WO 9623087 A1 WO9623087 A1 WO 9623087A1
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WO
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ain
metal layer
substrate
autocatalytic
micrometers
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PCT/EP1995/000247
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Inventor
Lucien Diégo LAUDE
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a three-stage metallization process which makes it possible to produce a very adherent thick metallic layer on a sintered aluminum nitride substrate.
  • the ceramic materials used in electrical or electronic systems, as a support for integrated circuits or active elements (for example: resistors, capacitors) to form hybrid circuits, are electrical insulators which generally have the particularity of being also thermal insulators (sintered aluminas of various types), with a very low thermal conductivity but also a high thermal capacity. These materials can therefore accumulate heat while ensuring their primary function of electrical insulation.
  • the combination of these properties (electrical and thermal) does not present any drawback when the thermal load remains low during the operation of the electronic system (comprising integrated circuits) mounted on the ceramic. This is for example the case when the metal tracks which interconnect the active elements of a hybrid circuit are traversed by low electric currents in steady state, or high in transient state.
  • the increase in temperature of the interconnection tracks which results from their electrical resistance, remains low. It can therefore be accommodated by the substrate which then acts as a thermal flywheel for the assembly formed by the hybrid circuit and its substrate.
  • the substrate which then acts as a thermal flywheel for the assembly formed by the hybrid circuit and its substrate.
  • the electric currents become high (greater than 1A) in steady state, the low thermal conductivity of an alumina substrate does not allow it to drain the heat generated in the hybrid circuit.
  • the temperature of the sintered alumina substrate increases continuously during this operation, as does that of all the electronics mounted on the substrate. The consequence of this overheating for the operation of integrated circuits is very serious since it leads to the interruption of their operation, in particular at temperatures above 80 ° C.
  • the intensity of the DC currents required is relatively high (greater than 20 A) and the transport of such currents requires metal tracks of thickness greater than 50 micrometers and up to 250 micrometers.
  • the heat generated by the transmission of electricity to such powers is important. It is therefore appropriate to make such power circuits on AlN substrate.
  • the metal of the interconnection tracks and the AIN have very different expansion coefficients. During heating, a mechanical stress develops at the interface between metal and AIN. This can only be compensated for by an excellent adhesion of the metal track to the AIN, whatever the thickness of the latter and this need is all the more critical as the thickness is great. In other words, for applications in which AIN is essential (high currents, high thermal load), it is absolutely necessary to sufficiently increase the adhesion of thick metal tracks on an AIN substrate before consider the exploitation of such substrates.
  • the improvement of the initial adhesion can then be obtained by a heat treatment of the metallized part maintained at high temperature (600 ° C) for several hours, that is to say by the non-selective and non-reactive diffusion of the atoms. along the grain boundaries of the AIN grains which constitute the sintered substrate.
  • the adhesion thus obtained is of the order of 10 MPa for thick films. - 4 - sizer equal to 50 micrometers.
  • these techniques generally comprise a series of several (6 to 8) treatment steps and have a limited specificity (definition of the limits of metallized areas greater than 50 micrometers).
  • the sintered AIN substrates are made from AIN powders synthesized by various techniques known in the art.
  • Each AIN grain has a size close to a few micrometers.
  • these powders contain various types of impurities, the most important of which are: oxygen, in concentrations up to 3% by volume, and carbon.
  • oxygen in concentrations up to 3% by volume
  • carbon carbon
  • analysis by Auger spectroscopy of the surface of the grains indicates that these impurities are in fact concentrated on the surface of the grains. The effective concentration of oxygen can therefore reach 10% of the surface of the grains.
  • the metallization process described in the present invention overcomes these limitations. It makes it possible to very significantly improve the adhesion of thick metallic films on sintered AIN substrate. It also offers great simplicity of construction, associated with good reliability (failure rate less than 10%).
  • the process which is the subject of this invention comprises three stages which are successively: a) the irradiation of the AIN part by the beam of an excimer laser; b) the immersion of the irradiated AIN part in an autocatalytic solution containing metalli ⁇ cal ions; c) moderate heating between 300 and 500 ° C., and of very short duration (30 seconds maximum), of the piece of AIN treated successively according to steps a) and b).
  • the irradiation of the AIN substrate is carried out with an excimer laser which emits in the ultraviolet and for very short times (20 to 30 nanose- condes) photons with an energy of 5.0 eV, corresponding to a wavelength of 248 nanometers.
  • the laser beam has a rectangular section (typically 8 ⁇ 25 mm) which makes it possible to irradiate either at a fixed station, through a mask, restricted surfaces of the substrate, or by scanning on a substrate moving in a plane perpendicular to the axis of the laser beam.
  • the AIN absorbs the radiation.
  • the number of photons present in this beam and which are absorbed by the AIN material can be sufficient to induce several types of transformations in the material. irradiated, over the depth of penetration of the radiation which is, in the case of AIN, of the order of 3 to 5 micrometers at 248 nm wavelength.
  • the single aluminum atoms accumulated on the surface of the substrate form a screen for this radiation substrate which can no longer interact with the underlying AIN grains.
  • the NO monomer emission process is interrupted.
  • the coupling between the aluminum atoms and the radiation becomes significant and leads to the vaporization of the aluminum.
  • the surface of the material returns to its original composition and the process is repeated.
  • the first step of the process described in this invention therefore allows this metallization.
  • the thickness of the metallic aluminum layer is variable. It can typically reach 0.5 micrometers. However, its adhesion is relatively weak: 200 KPa as evaluated in the pull-out test. This value is clearly too low to allow the use of this type of irradiation in order to manufacture metal tracks, on an AIN substrate, which would meet the necessary adhesion criteria.
  • Second step
  • the AIN substrate is immersed in an autocatalytic bath containing metal ions (for example, Ni + ) and the composition of which is known in the art. These ions are then deposited selectively and only on the areas of the surface of the substrate covered with aluminum.
  • the thickness of this new metallic layer depends on the composition of the autocatalytic bath and the immersion time. Typically, a film of 20 micrometers of metal thickness can be deposited per hour of immersion. This is how the metal layer obtained by electrolysis advantageously has a total thickness of between 30 and 250 micrometers. The adhesion of this film remains identical to that of the aluminum layer obtained during the first step described above.
  • the layer deposited during this step can be limited to a few micrometers thick.
  • the autocatalytic deposition for example 5 micrometers thick, can advantageously be followed by an electrolytic deposition with polarization of the same metal or not as that deposited by autocatalysis or of a different metal, of a thickness included between 10 and 250 micrometers.
  • Third step
  • the AIN substrate (usually planar) is now equipped on one of its faces with a thick metallic film made for example of nickel. This film is superimposed on the aluminum film as obtained during the first step of the process. Both films have exactly the same geometry, as it was imposed by the irradiation method (fixed position through a mask, or by scanning).
  • the partially metallized substrate is then brought to a temperature close to 400 ° C., but which can reach 500 ° C. without affecting the efficiency of the process, for 15 to 30 seconds.
  • This heat treatment is carried out by presenting the flat AIN substrate facing and in contact with a flame produced by a gas burner or by any other heat source of the same type, the face of the substrate which is turned. towards the flame being that not containing the metal layer prepared previously.
  • the metal layer instantly melts at the interface with the substrate.
  • the withdrawal of the flame causes the cooling of the substrate and the metal layer.
  • the temperature of the assembly decreases from the side which was facing the flame, and which is now at a lower temperature than the side of the substrate which contains the metallic layer.
  • the metal atoms in contact with the substrate are then caused to diffuse towards the interior of the latter until the temperature of the assembly becomes homogeneous again.
  • the thermal load introduced into the substrate in this heating mode is reduced. As a result, the initial temperature gradient during the cooling phase is very greatly attenuated after a few ten seconds after the flame has been removed.
  • a 0.6 mm thick AIN plate is irradiated by the beam emitted by an excimer laser at 248 nm (source KrF), with an energy density of 600 mJ / cm 2 .
  • the emission is repeated at a frequency of 1 Hz and, simultaneously, the AIN plate is moved in a plane perpendicular to the axis of the beam with a speed of 0.4 mm / sec.
  • the plate includes a metallized aluminum track. It is then immersed for 90 minutes in an autocatalytic solution containing copper ions and maintained at 40 ° C. After immersion, a layer of copper with a thickness of 4 micrometers is obtained on the previously irradiated area.
  • the plate is then subjected to heating by means of a gas burner making it possible to reach a temperature of 450 to 550 ° C. for 15 seconds.
  • a copper wire (diameter 0.8 mm) is then brazed vertically on the metallized surface to allow evaluation of the pulling force of this wire. By applying a calibrated force on this wire, the pulling of the wire is obtained at 30 MPa.
  • the evaluation the breakout force of a copper wire is measured as before.
  • the pullout is then obtained at 0.3 MPa.
  • the third step of the process thus makes it possible to improve the adhesion of the copper film on the AIN substrate by a factor of 100.
  • Example 2 A 0.6 mm thick AIN plate is irradiated identically to Example 1, then immersed in an autocatalytic solution containing nickel ions Ni 2+ . After immersion for 15 minutes, a layer of nickel with a thickness of 4 micrometers is obtained on the previously irradiated surface. An electrical contact is made on this nickel layer. The metallized plate is then immersed in an electrolytic nickel solution in which it is negatively polarized with respect to an electrode brought to a positive potential of a few volts. An electrolytic deposit of nickel then develops on the layer previously obtained by autocatalytic means on the AIN plate. After 90 minutes of immersion in the electrolytic solution, the plate is then covered with a metallic film of 100 micrometers of nickel.
  • Example 1 It is removed from the solution, dried and presented uniformly before the flame of a burner for 30 seconds.
  • a copper wire is then brazed on the nickel layer and an increasing force is applied to this wire until the wire is torn off. This operates at 25 MPa.
  • the thick film very easily detaches from the AIN substrate and any brazing of a metal wire generally results in the film being peeled from its support.
  • Example 3 An AIN plate is treated as in Example 2, with an immersion time of 3 hours and 30 minutes in the electrolytic solution. A 250 micrometer nickel film is then produced on the AIN plate. This is then brought uniformly to 400 ° C for 30 seconds. A pull-out test is then carried out as previously. The pullout is obtained at 15 MPa. The same experiment repeated on other plates of AIN treated in the same way produces a tearing force distributed in the range of values between 12 and 20 MPa.
  • Example 4 An AIN plate is treated as in Example 2, with an immersion time of 3 hours and 30 minutes in the electrolytic solution. A 250 micrometer nickel film is then produced on the AIN plate. This is then brought uniformly to 400 ° C for 30 seconds. A pull-out test is then carried out as previously. The pullout is obtained at 15 MPa. The same experiment repeated on other plates of AIN treated in the same way produces a tearing force distributed in the range of values between 12 and 20 MPa.
  • Example 4 An AIN plate is treated as in Example 2, with an immersion time of 3 hours and 30 minutes
  • a plate is irradiated as in Example 1, then immersed in an autocatalytic nickel bath for 15 minutes. A nickel layer is then produced. The plate is then heated at 400 ° C for 15 seconds, then polarized and finally immersed in an electrolytic nickel solution for 90 minutes. The pull-out test described in the previous examples is then carried out on the 100 micrometer nickel layer thus obtained. It gives 30 MPa of breakout force.

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Abstract

Procédé de métallisation de la surface d'une pièce de nitrure d'aluminium fritté avec une couche de métal qui est rendue très épaisse et adhérente à ladite surface, procédé comprenant trois étapes dont la première consiste à irradier la surface à métalliser au moyen d'un faisceau laser excimère émettant dans l'ultraviolet, la seconde à immerger la pièce irradiée dans un bain autocatalytique contenant des ions métalliques et qui induit la formation d'une couche métallique formée de ces ions sur les parties de la surface précédemment irradiée, et la dernière à traiter thermiquement suivant un régime de chauffe très court et à température modérée la pièce ainsi métallisée provoquant la diffusion d'une partie des atomes de la couche métallique dans la pièce ainsi traitée, et tout produit métallisé obtenu suivant le même procédé.

Description

"Procédé de production d'une couche métallique épaisse et fortement adhérente sur un substrat de nitrure d'aluminium fritte et produit métallisé ainsi obtenu"
La présente invention est relative à un procédé de metallisation en trois étapes qui permet de produire une couche métallique épaisse très adhérente sur un substrat de nitrure d'aluminium fritte.
Les matériaux céramiques utilisés dans les systèmes électriques ou électroniques, comme support de circuits intégrés ou d'éléments actifs (par exemple : résistances, capacités) pour former des circuits hybri¬ des, sont des isolants électriques qui présentent en général la particularité d'être aussi des isolants thermiques (alumines frittees de divers types) , avec une conductibilité thermique très faible mais aussi une capacité thermique élevée. Ces matériaux peuvent donc accumuler de la chaleur tout en assurant leur fonction première d'isolation électrique. La conjugaison de ces propriétés (électrique et thermique) ne présente pas d'inconvénient lorsque la charge thermique demeure faible lors du fonctionnement du système électronique (comprenant des circuits intégrés) monté sur la cérami¬ que. C'est par exemple le cas lorsque les pistes métal¬ liques qui interconnectent les éléments actifs d'un circuit hybride sont parcourues par des courants élec¬ triques faibles en régime permanent, ou élevés en régime transitoire. L'accroissement de température des pistes d'interconnexion, qui résulte de leur résistance électrique, demeure faible. Il peut donc être accommodé par le substrat qui joue alors le rôle de volant thermi¬ que de l'ensemble formé par le circuit hybride et son substrat. Lorsque les courants électriques devien¬ nent élevés (supérieurs à 1A) en régime permanent, la faible conductibilité thermique d'un substrat d'alumine ne permet pas à celui-ci de drainer la chaleur générée dans le circuit hybride. Par suite, la température du substrat d'alumine frittée croît continue ent lors de ce fonctionnement, ainsi que celle de toute l'électronique montée sur le substrat. La conséquence de cet échauffe- ent pour le fonctionnement des circuits intégrés est très grave puisqu'il conduit à l'interruption de leur fonctionnement, en particulier à des températures supérieures à 80°C.
Ce comportement des substrats d'alumine frittée est entièrement dû à la faible conductibilité thermique de l'alumine frittée. Pour tous les systèmes électroniques qui doivent fonctionner à des températures élevées, il est donc impératif d'utiliser des substrats permettant à la fois l'isolation électrique et le refroidissement systématique et efficace des circuits électroniques qui y sont montés, c'est-à-dire des substrats constitués d'un matériau qui est à la fois un isolant électrique et un conducteur thermique. Le nitrure d'aluminium (AIN) fritte est un de ces maté¬ riaux. L'utilisation de ce matériau est toutefois asservie à la résolution de problèmes d'interface entre celui-ci et le métal des pistes métalliques d'intercon¬ nexion des circuits hybrides ou de tous autres systèmes électroniques.
Dans les circuits de puissance, 1 ' inten- site des courants continus nécessaires est relativement élevée (supérieure à 20A) et le transport de tels courants nécessite des pistes métalliques d'épaisseur supérieure à 50 micromètres et pouvant atteindre 250 micromètres. Par ailleurs, comme on l'a précisé plus haut, la chaleur générée par le transport d'électricité à de telles puissances est importante. Il est donc approprié de réaliser de tels circuits de puissance sur substrat d'AlN. Cependant, le métal des pistes d'inter¬ connexion et l'AIN ont des coefficients de dilatation très différents. Lors de 1 'échauffement, une contrainte mécanique se développe à l'interface entre métal et AIN. Celle-ci ne peut être compensée que par une adhérence excellente de la piste métallique sur l'AIN, quelle que soit l'épaisseur de celle-ci et cette nécessité est d'autant plus critique que l'épaisseur est grande. Autrement dit, pour les applications dans lesquelles l'AIN est indispensable (courants élevés, charge thermi¬ que importante), il est absolument nécessaire d'accroî¬ tre suffisamment l'adhérence des pistes métalliques épaisses sur un substrat d'AIN avant d'envisager 1 'ex- ploitation de tels substrats.
La difficulté de produire des films métalliques épais (épaisseur supérieure à 50 micromè¬ tres) et très adhérents sur substrat d'AIN a, jusqu'à maintenant, limité l'exploitation des propriétés parti- culières de l'AIN (isolation électrique et conductibi¬ lité thermique) . En effet, les méthodes physiques (évaporation sous vide, dépôt par plasma ou pulvérisa¬ tion) comme les méthodes chimiques (par exemple, décom¬ position d'organo- étalliques suivie d'un dépôt par voie autocatalytique) permettent de fixer une couche métalli¬ que sur tout substrat sans jamais modifier la structure superficielle de ce substrat. L'adhérence obtenue ne dépasse pas le niveau du test de pelage à l'aide d'un film adhésif autocollant. L'amélioration de l'adhérence initiale peut alors être obtenue par un traitement thermique de la pièce métallisée maintenue à haute température (600°C) pendant plusieurs heures, c'est-à- dire par la diffusion non sélective et non réactive des atomes métalliques le long des joints des grains d'AIN qui constituent le substrat fritte. L'adhérence obtenue ainsi est de l'ordre de 10 MPa pour des films d'épais- - 4 - seur égale à 50 micromètres. Par ailleurs, ces techni¬ ques comportent en général une série de plusieurs (6 à 8) étapes de traitement et ont une spécificité limitée (définition des limites des zones métallisées à plus de 50 micromètres) . Pour les épaisseurs supérieures à 100 micromètres, il est fait recours à la technique dite du "bondage" qui consiste à préalablement oxyder une des deux faces d'une plaque de cuivre (d'épaisseur de 200 micromètres par exemple) , puis à appliquer sous pression la face oxydée sur la surface d'une plaque d'AIN portée à 900°C, sous atmosphère d'azote, pendant plusieurs heures. La jonction entre les deux pièces opère alors par transfert d'oxygène de l'oxyde vers l'AIN et forma¬ tion d'un complexe chimique assurant l'interface. Indépendamment du fait que cette technique de "bondage" ne peut s'appliquer à des métallisations spécifiques (surfaces de faible étendue ou de géométrie compliquée) , elle ne permet pas d'obtenir un contact intégral entre le substrat et la plaque de métal rapportée, en particu- lier à cause de la planéité imparfaite du substrat telle qu'obtenue lors de sa fabrication.
Indépendamment de la méthode de metallisa¬ tion, les substrats d'AIN fritte sont fabriqués à partir de poudres d'AIN synthétisées par diverses techniques connues de l'art. Chaque grain d'AIN a une taille voisine de quelques micromètres. En général, ces poudres contiennent divers types d'impuretés dont les plus importantes sont : l'oxygène, en concentration pouvant atteindre 3 % du volume, et le carbone. Cependant, une analyse par spectroscopie Auger de la surface des grains indique que ces impuretés sont concentrées en fait à la surface des grains. La concentration effective de l'oxygène peut donc atteindre 10 % de la surface des grains. Ces impuretés interviennent lors de tout traite- ment (thermique ou non) des substrats d'AIN fritte. Les diverses techniques classiques de metallisation décrites plus haut ont atteint leurs limites de développement sur AIN fritte sans permettre d'atteindre des adhérences suffisantes, en particulier pour des films très épais d'épaisseur supérieure à 50 micromètres, pour lesquels l'adhérence devrait être supérieure à 10 MPa. D'autre part, ces techniques classiques sont très lourdes et onéreuses sans permettre une flexibilité suffisante d'application. L'AIN se trouve ainsi pénalisé et ne peut être utilisé au mieux de ses capacités.
Le procédé de metallisation décrit dans la présente invention surpasse ces limitations. Il permet d'améliorer très sensiblement l'adhérence des films métalliques épais sur substrat d'AIN fritte. Il offre par ailleurs une grande simplicité de réalisation, associée à une bonne fiabilité (taux d'échec inférieur à 10 %) .
Le procédé qui fait l'objet de cette invention comporte trois étapes qui sont successive¬ ment : a) l'irradiation de la pièce d'AIN par le faisceau d'un laser excimère; b) l'immersion de la pièce d'AIN irradiée dans une solution autocatalytique contenant des ions métalli¬ ques; c) un chauffage modéré entre 300 et 500°C, et de très courte durée (30 secondes maximum) , de la pièce d'AIN traitée successivement suivant les étapes a) et b) .
L'objet de chacune de ces trois étapes est le suivant : Première étape
L'irradiation du substrat d'AIN est réalisée avec un laser excimère qui émet dans l'ultra¬ violet et pendant des temps très courts (20 à 30 nanose- condes) des photons d'une énergie de 5,0 eV, correspon¬ dant à une longueur d'onde de 248 nanomètres. Le fais¬ ceau laser a une section rectangulaire (typiquement 8 x 25 mm) qui permet d'irradier soit à poste fixe, au travers d'un masque, des surfaces restreintes du subs¬ trat, soit par balayage sur un substrat se déplaçant dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau laser. A la longueur d'onde du laser, l'AIN absorbe le rayonnement. En fonction de l'intensité du rayonnement, donc de l'énergie contenue dans le faisceau laser, le nombre de photons présents dans ce faisceau et qui sont absorbés par le matériau AIN peut être suffi¬ sant pour induire plusieurs types de transformations dans le matériau irradié, sur la profondeur de pénétra- tion du rayonnement qui est, dans le cas de l'AIN, de l'ordre de 3 à 5 micromètres à 248 nm de longueur d'onde.
A faible densité d'énergie (inférieure à 300 mJ/cm2 ) , une proportion faible des liaisons intera- tomatiques entre atomes d'aluminium (Al) et atomes d'azote (N) qui sont présents dans la partie du substrat pénétrée par le rayonnement sont dissociées. Les atomes d'azote libérés s'associent avec les atomes d'oxygène présents à la surface des grains d'AIN irradiés et forment des monomères NO métastables. Ceux-ci perdurent pendant un temps variable (jusqu'à 60 minutes) avant de se dissocier. Les mêmes atomes d'azote se recombinent alors avec les atomes d'aluminium célibataires et le système d'atomes retrouve son équilibre antérieur à l'irradiation.
A plus forte densité d'énergie (entre 300 et 800 mJ/cm2) , les liaisons Al-N brisées pendant la durée de l'irradiation, par absorption de photons, sont plus nombreuses ainsi que le nombre de monomères NO formés. La distance moyenne entre ces monomères métas¬ tables qui coexistent dans le matériau au voisinage de sa surface est plus faible que précédemment. Certains de ces monomères s'associent pour former des couples de monomères beaucoup plus stables que les monomères eux- mêmes. Les couples peuvent alors s'extraire de l'at- traction des autres éléments atomiques du système et se libérer pour former une phase gazeuse (plusieurs oxydes d'azote existent en phase gazeuse, en particulier NO, N02 et N204) . Cette évolution irréversible du système sous l'action du rayonnement à ces densités d'énergie en- traîne la vaporisation du substrat, c'est-à-dire l'émis¬ sion et la perte d'atomes d'azote par le substrat d'AIN. Les atomes d'aluminium célibataires restent au voisinage de la surface du substrat. Leur accumulation sur cette surface se matérialise par l'apparition d'une couche métallique au fur et à mesure que des irradiations successives sont réalisées en se superposant sur le substrat.
A des densités d'énergie supérieures à 800 mJ/cm2 , les atomes d'aluminium célibataires accumu- lés à la surface du substrat forment écran pour ce substrat au rayonnement qui ne peut plus interagir avec les grains d'AIN sous-jacents. Le processus d'émission de monomères NO est interrompu. Par contre, le couplage entre les atomes d'aluminium et le rayonnement devient important et conduit à la vaporisation de l'aluminium. La surface du matériau retrouve sa composition originale et le processus se reproduit.
Dans le régime d'irradiation intermédiaire ci-dessus, une metallisation est obtenue par l'apparente "réduction" de l'AIN :
AIN → Al + N.
La première étape du procédé décrit dans cette invention permet donc cette metallisation. L'épaisseur de la couche métallique d'aluminium est variable. Elle peut atteindre typiquement 0,5 micromè¬ tre. Toutefois, son adhérence est relativement faible : 200 KPa tel qu'évalué au test d'arrachement ("pull- test"). Cette valeur est nettement trop faible pour permettre l'utilisation de ce type d'irradiation en vue de fabriquer des pistes métalliques, sur un substrat d'AIN, qui répondraient aux critères d'adhérence néces¬ saires. Deuxième Etape
Après irradiation, le substrat d'AIN est immergé dans un bain autocatalytique contenant des ions métalliques (par exemple, Ni +) et dont la composition est connue de l'art. Ces ions se déposent alors sélec¬ tivement et uniquement sur les zones de la surface du substrat recouvertes d'aluminium. L'épaisseur de cette nouvelle couche métallique (de nickel, par exemple) dépend de la composition du bain autocatalytique et du temps d'immersion. Typiquement, un film de 20 micromè¬ tres d'épaisseur de métal peut être déposé par heure d'immersion. C'est ainsi que la couche métallique obtenue par électrolyse a avantageusement une épaisseur totale comprise entre 30 et 250 micromètres. L'adhérence de ce film demeure identique à celle de la couche d'aluminium obtenue au cours de la première étape décrite plus haut. Pour la suite du déroulement du procédé, la couche déposée lors de cette étape peut être limitée à quelques micromètres d'épaisseur. Le dépôt autocatalytique, par exemple de 5 micromètres d'épais¬ seur, peut être suivi avantageusement d'un dépôt élec- trolytique avec polarisation du même métal ou non que celui déposé par autocatalyse ou d'un métal différent, d'une épaisseur comprise entre 10 et 250 micromètres. Troisième Etape
Le substrat d'AIN (habituellement plan) est maintenant équipé sur une de ses faces d'un film métallique épais constitué par exemple de nickel. Ce film est superposé au film d'aluminium tel qu'obtenu lors de la première étape du procédé. Les deux films ont exactement la même géométrie, telle qu'elle a été imposée par la méthode d'irradiation (à poste fixe au travers d'un masque, ou par balayage). Le substrat partiellement métallisé est alors porté à une tempéra- ture voisine de 400°C, mais pouvant atteindre 500°C sans affecter l'efficacité du procédé, pendant 15 à 30 secondes. Ce traitement thermique est réalisé en présen¬ tant le substrat plan d'AIN en regard et au contact d'une flamme produite par un brûleur à gaz ou par toute autre source de chaleur du même type, la face du subs¬ trat qui est tournée vers la flamme étant celle ne contenant pas la couche métallique préparée précédem¬ ment. Sous l'action de la chaleur et grâce à la très grande conductibilité thermique du substrat, la couche métallique fond instantanément à l'interface d'avec le substrat. Le retrait de la flamme provoque le refroi¬ dissement du substrat et de la couche métallique. La température de l'ensemble décroît à partir de la face qui était tournée vers la flamme, et qui, maintenant, est à plus basse température que la face du substrat qui contient la couche métallique. Les atomes métalliques au contact du substrat sont alors amenés à diffuser vers l'intérieur de celui-ci jusqu'à ce que la température de l'ensemble redevienne homogène. La charge thermique introduite dans le substrat suivant ce mode de chauffage est réduite. Par suite, le gradient de température initial lors de la phase de refroidissement est très fortement atténué au bout de quelques dix secondes après le retrait de la flamme. Au cours de cette période de temps, les atomes métalliques pénètrent dans le substrat sur une distance variable qui ne devrait pas excéder 0,5 micromètre, leur permettant de diffuser sur toute la surface des grains d'AIN présents à la surface du substrat. Ce processus assure un ancrage relativement sûr du film métallique qui se traduit par un accroisse¬ ment considérable de l'adhérence de la couche métallique comme on le verra dans les exemples cités dans la suite du texte. Les techniques classiques de diffusion par voie thermique sont habituellement réalisées, dans un four par exemple, pendant des périodes de temps de l'ordre de plusieurs heures, c'est-à-dire mille fois plus longues que celles utilisées dans le procédé décrit dans l'invention. Ces techniques classiques sont absolu¬ ment inadaptées au cas de l'AIN du fait de sa très haute conductibilité thermique. Exemple 1
Une plaque d'AIN de 0,6 mm d'épaisseur est irradiée par le faisceau émis par un laser excimère à 248 nm (source KrF) , avec une densité d'énergie de 600 mJ/cm2. L'émission est répétée à une fréquence de 1 Hz et, simultanément, la plaque d'AIN est déplacée dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau avec une vitesse de 0,4 mm/sec. Après irradiation, la plaque comporte une piste métallisée d'aluminium. Elle est alors immergée pendant 90 minutes dans une solution autocatalytique contenant des ions de cuivre et mainte¬ nue à 40°C. Après immersion, une couche de cuivre d'une épaisseur de 4 micromètres est obtenue sur la zone préalablement irradiée. La plaque est ensuite soumise à un chauffage au moyen d'un brûleur à gaz permettant d'atteindre une température de 450 à 550°C pendant 15 secondes.
Un fil de cuivre (diamètre 0,8 mm) est ensuite brasé verticalement sur la surface métallisée pour permettre d'évaluer la force d'arrachement de ce fil. En appliquant une force étalonnée sur ce fil, l'arrachement du fil est obtenu à 30 MPa.
La même préparation d'un substrat identi¬ que par irradiation laser, puis immersion dans le même bain autocatalytique, mais sans traitement thermique correspondant à la troisième étape du procédé décrit dans cette invention, est ensuite réalisée. L'évaluation de la force d'arrachement d'un fil de cuivre est mesurée comme précédemment. L'arrachement est alors obtenu à 0,3 MPa. La troisième étape du procédé permet ainsi d'amé¬ liorer d'un facteur 100 l'adhérence du film de cuivre sur le substrat d'AIN.
Exemple 2 Une plaque d'AIN de 0,6 mm d'épaisseur est, irradiée identiquement à l'Exemple 1, puis immergée dans une solution autocatalytique contenant des ions de nickel Ni2+. Après immersion pendant 15 minutes, une couche de nickel d'épaisseur de 4 micromètres est obtenue sur la surface préalablement irradiée. Un contact électrique est réalisé sur cette couche de nickel. La plaque métallisée est alors plongée dans une solution électrolytique de nickel dans lequel elle est polarisée négativement vis-à-vis d'une électrode portée à un potentiel positif de quelques volts. Un dépôt électrolytique de nickel se développe alors sur la couche précédemment obtenue par voie autocatalytique sur la plaque d'AIN. Après 90 minutes d'immersion dans la solution électrolytique, la plaque est alors recouverte d'un film métallique de 100 micromètres de nickel. Elle est retirée de la solution, séchée et présentée unifor¬ mément devant la flamme d'un brûleur pendant 30 secon- des. Comme dans l'exemple 1 précédent, un fil de cuivre est ensuite brasé sur la couche de nickel puis une force croissante est appliquée sur ce fil jusqu'à arrachement du fil. Celui-ci intervient à 25 MPa.
Sans le traitement thermique de la troi- sième étape du procédé, le film épais se détache très facilement du substrat d'AIN et tout brasage d'un fil métallique conduit généralement au décollage du film de son support.
Exemple 3 Une plaque d'AIN est traitée comme dans l'Exemple 2, avec un temps d'immersion de 3 heures et 30 minutes dans la solution électrolytique. Un film de nickel de 250 micromètres est alors réalisé sur la plaque d'AIN. Celle-ci est alors portée uniformément à 400°C pendant 30 secondes. Un test d'arrachement est ensuite réalisé comme précédemment. L'arrachement est obtenu à 15 MPa. La même expérimentation répétée sur d'autres plaques d'AIN traitées de la même façon produit une force d'arrachement distribuée dans la gamme de valeurs comprises entre 12 et 20 MPa. Exemple 4
Une plaque est irradiée comme dans l'Exem¬ ple 1, puis immergée dans un bain autocatalytique de nickel pendant 15 minutes. Une couche de nickel est alors réalisée. La plaque est alors chauffée à 400°C pendant 15 secondes, puis polarisée et enfin immergée dans une solution électrolytique de nickel pendant 90 minutes. Le test d'arrachement décrit dans les exemples précédents est alors réalisé sur la couche de nickel de 100 micromètres ainsi obtenue. Il donne 30 MPa de force d'arrachement.
Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de metallisation de la surface d'une pièce de nitrure d'aluminium (AIN) fritte, au moyen d'une couche métallique très épaisse et adhérente sur cette surface, ce procédé comprenant successivement l'irradiation de la surface de la pièce à étalliser avec le faisceau de lumière émis par un laser excimère, l'immersion de la pièce irradiée dans un bain électroly¬ tique sans polarisation, dit autocatalytique, et/ou avec polarisation, ce bain contenant des ions métalliques, et le traitement à chaud de la pièce métallisée, à une température voisine de 400°C pendant des périodes comprises entre 15 et 30 secondes de façon à diffuser le métal dans le substrat d'AIN.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme source laser un laser excimère, travaillant à une longueur d'onde comprise entre 190 et 350 nanomètres et dont la densité d'énergie est choisie pour réduire l'AIN et pour pro- duire à la superficie de la pièce irradiée une couche mince d'aluminium sur laquelle une couche métallique est déposée par immersion dans le bain autocatalytique.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2 , caractérisé en ce que le matériau en nitrure d'aluminium peut avoir une origine quelcon¬ que.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise une solution autocatalytique bien connue de l'art pour produire la couche métallique très adhérente susdite et que cette solution contient des ions métalliques choisis dans une liste contenant le cuivre, le nickel, le zinc, le fer et le molybdène.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on chauffe modérément, et pendant des périodes de temps comprises entre 15 et 30 secondes la pièce métallisée pour que les atomes métalliques de la couche métallique diffusent vers l'intérieur du substrat.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche métallique obtenue par electrolyse a une épaisseur totale comprise entre 30 et 250 micromètres.
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une couche métallique de 5 micromètres est d'abord déposée par voie autocatalytique, puis une autre couche métallique d'épaisseur comprise entre 10 et 250 micromètres est ensuite déposée par voie électrolytique, les deux couches étant constituées de métaux différents ou identiques.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2972596A1 (fr) * 2011-03-08 2012-09-14 Cretec Co Ltd Procede permettant de former un schema de cablage par irradiation par laser

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BOSCH: "laserinduzierte bekeimung und metallisierung von aln", GALVANOTECHNIK, vol. 85, no. 10, October 1994 (1994-10-01), DE, pages 3228 - 3232, XP000476659 *
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