一种提高玻璃镀铜连接强度的方法与流程

本发明属于玻璃镀膜技术领域，尤其涉及一种通过准分子激光加工进行表面处理用于提高玻璃镀铜连接强度的方法。

背景技术：

在电子封装技术领域，高性能的电子封装要求电路板和基板材料理想地结合后应该具有最佳的属性。由于低成本、环境友好和高性能，玻璃作为一种非常有前途的基板替代材料受到了广泛关注。用玻璃取代传统的印刷电路板，在其表面上镀铜膜的方法备受青睐。

在绝缘玻璃基板表面沉积导电轨道，对电子元件的制造很重要。然而，由于金属镀层和玻璃基板之间的物理、化学和机械性能的不匹配，在光滑的玻璃表面进行金属喷镀是很困难的。如果基板与镀层之间没有足够的粘附性，即使镀膜后，镀层也非常容易脱落下来。因此，提高镀层与基板之间的粘附性是玻璃镀膜技术得以发展的关键因素。

前人通过对界面粗糙度进行研究，指出表面预处理是实现高质量粘接的关键，并且利用激光表面处理提高粘结强度的方法已经成功应用于金属、合金和陶瓷，在玻璃镀膜领域还未见深入研究。

提高表面粗糙度改善玻璃与铜膜之间粘附性能的有效途径。通过表面处理，如等离子体粗糙化、机械磨损、化学改性、珠光喷砂，提高玻璃表面粗糙度的方法可以提高镀层的粘附性。然而，这些表面处理方法只能产生随机表面，难以控制在玻璃表面加工的效果。

因此，亟需一种产生均匀纹理结构的加工方法，通过可控的玻璃表面处理技术，显著提高玻璃镀膜粘接强度，这对于玻璃镀膜技术的发展起着关键作用。

技术实现要素：

针对上述问题的不足之处，本发明提供了一种提高玻璃镀铜连接强度的方法，可以显著提高铜膜与玻璃基板的连接强度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种提高玻璃镀铜连接强度的方法，包括以下步骤：

步骤1、选取cmg玻璃基板；

步骤2、将cmg玻璃基板放置在工作台上，调整工作台使准分子激光器发出的准分子激光束对准加工位置；

步骤3、根据焦点位置调整cmg玻璃基板到焦平面的距离；

步骤4、通过改变激光加工参数，在玻璃表面形成不同的纹理图案结构，得到不同的蚀刻深度及三维表面粗糙度特征，所述激光加工参数包含：激光重复频率、激光能量密度、衰减器位置；

步骤5、将准分子激光加工好的粗糙化表面用未稀释的decon90清洗5分钟，并用去离子水冲洗3-5分钟；

步骤6、采用催化剂溶液激活玻璃表面并用去离子水冲洗3-5分钟；

步骤7、将经过处理的玻璃基板浸入镀铜槽浸泡10分钟，最后进行冲洗并干燥；

步骤8、通过划痕试验定量检测在玻璃上镀铜的质量；

步骤9、最后进行三维形貌测量，并将划痕测试结果与三维表面粗糙度参数相结合，找到镀层失效的临界负载。

作为优选，步骤1中，cmg玻璃基板的尺寸为40mm*40mm，厚度为100μm。

作为优选，步骤3中，cmg玻璃基板在焦平面以下2mm位置处。

作为优选，步骤4中，采用单一变量法，依次探究重复频率、能量密度、单位面积上的脉冲个数、衰减器位置设置不同值时对蚀刻深度、加工质量的影响；刻蚀深度取决于激光的能量密度和单位面积上的脉冲个数，并且可以通过提高能量密度、单位面积上的脉冲个数和激光脉冲重复频率来提高加工质量。

作为优选，固定脉冲持续时间为20ns，激光蚀刻最小的能量为140mj，衰减器的位置为0.9。

作为优选，cmg玻璃对波长在193nm到308nm之间的光的吸收率大于80％，采用波长为248nm的krf准分子激光器进行表面处理，能够有效地利用激光能量。

本发明提高玻璃镀铜连接强度的方法，采用准分子激光加工使玻璃基板表面粗糙化后，可以显著提高镀层与玻璃基板之间连接强度的方法。通过改变激光参数对激光加工效果实现控制，使表面上产生不同微观结构阵列，采用三维表面形貌测量和三维参数表征处理后的玻璃表面形貌，并通过划痕试验来评估镀铜的粘附强度，有利于最大化使用激光加工能量，节省加工所用时间，控制加工效果，以达到理想的粗糙化表面，从而显著提高玻璃镀膜的质量。

附图说明

图1准分子激光加工系统示意图；

图2准分子激光加工后玻璃基板的三维表面形貌；

图3粗糙化的玻璃表面镀铜效果；

图4准分子激光加工前后玻璃基板表面划痕试验结果对比。

其中，图1中，1-准分子激光器，2-衰减器，3-扩束器和整形器，4-光束扫描单元，5-物镜，6-掩模，7-成像透镜，8-x,y,z工作台；

图4中，(a)准分子激光加工前的光滑玻璃基板表面划痕试验结果，当载荷为1.0n时，出现分层失效(b)准分子激光加工后粗糙的玻璃基板表面，载荷增大到12.6n时才出现分层失效，显著提高了玻璃/铜膜之间的粘附力。

具体实施方式

本发明提供一种提高玻璃镀铜连接强度的方法，利用准分子激光对玻璃表面进行粗糙化，可以显著提高铜膜与玻璃基板的连接强度。

准分子激光光源为紫外光脉冲，具有较强的脉冲能量和光子能量，加工质量高且对被加工区域周围影响较小，材料不会出现烧损、残渣和毛刺等现象。此外，准分子激光脉冲宽度较窄，在对材料加工过程中没有足够的时间向周围大量扩散热量，因此热影响区很小乃至于不存在，这样可以保证加工的精度和质量。与nd:yag(λ＝1.06μm)和co2(λ＝10.6μm)激光器相比，准分子激光波长较短，可以使光束聚焦成很小的斑点，获得较高的能量密度，并在工件上产生较小的热影响区。因此，采用准分子激光进行加工。

然而，准分子激光的发散度和不均匀性相当大，光束相干性较差，所以通常采用掩模系统，使光束均匀化，产生最佳加工效果。

所述玻璃选用商用cmg玻璃，商用cmg玻璃是一种硼硅酸盐型玻璃，其表面有一层二氧化铈，可以吸收波长小于320nm的光。cmg玻璃的物理特性表明，它可以满足电子封装的要求。因此，选用cmg玻璃进行实验研究。

准分子激光加工波长在区间[193,308]nm内时，镀层对光的吸收率大于80％。对于krf准分子激光器，波长为248nm,光量子具有5ev的能量，足以打破化学键，引起吸收区内压力增加，并以爆炸的方式发射。因此，选用krf准分子激光器。

通过改变激光加工参数可以得到不同的蚀刻深度及三维表面粗糙度特征，改变掩模形状可在玻璃表面形成不同的纹理图案，并产生大小可控的粘附力，改善了玻璃上镀铜的粘附性，从而提高了玻璃镀膜的质量。准分子激光加工后玻璃基板的三维表面形貌，如图2所示。

为了实现最好的粘附效果，系统研究每个加工参数的影响，对加工过程进行优化。通过改变激光加工的能量密度、单位面积上的脉冲个数、重复频率实现对加工效果的控制，有助于最大限度地利用激光能量，减少加工时间。

对具有特定纹理结构的玻璃表面进行金属喷镀。为了涂层的稠度和厚度，对工作温度、化学浓度和浸泡时间等参数进行了优化；粗糙化的玻璃表面镀铜效果，如图3所示。

采用划痕试验量化玻璃与镀膜之间的粘接强度，找到失效的临界值。

在加工前，必须根据试样的厚度对焦点位置进行调整，以保证激光加工质量。

激光加工系统的设置如图1，激光束穿过光束传输系统，根据需要在垂直和水平方向上反射以改变传输方向。光束传输系统主要由准分子激光器、衰减器、扩束器和整形器、光束扫描单元、物镜、掩模、成像透镜、x,y,z工作台组成，用于光束的扩展、成形、扫描和图像投影。在这之后，它被投射到掩模平面上，通过不同的尺寸和形状的掩模孔径来调整光束的形状和大小。最后，光束通过一个投影透镜产生大约1：10的缩小图像到安装在数控工作台上的试样表面。衰减器(从0.0-0.95的设置范围)紧邻光阑，通过吸收或反射部分光束来降低激光束的能量。

激光烧蚀过程中，工作台可以在x轴和y轴方向移动，并可在z轴方向上旋转。在操作过程中，始终保证工作台上的试件加工区域与激光束垂直。

由于焦平面处产生最均匀的能量密度，所以在偏离焦平面位置上的光束是不均匀的，非均匀光束可以用于粗糙的表面加工。此外，被加工试件位于非焦平面位置时需要更多的激光能量来达到去除材料的目的。

由于光学系统的极限分辨力受到衍射效应的限制，与辐射的波长成正比，而准分子激光有相对较短的波长(紫外线范围)和脉冲时间(20ns),使得高强度能量在非常薄的表层材料被吸收，可以有效去除目标区域的材料。这对于在玻璃基板表面形成微观结构具有重要意义。

本发明提供一种显著提高玻璃镀铜连接强度的方法，整个流程为：准分子激光加工玻璃基板-三维表面形貌测量和表征-化学镀铜-划痕测试-临界载荷分析，具体包括以下步骤：

选取合适的试样，这里采用内cmg玻璃基板，尺寸为40mm*40mm,厚度为100um.

准备好玻璃基板试样，清理表面脏污，放置在工作台上，调整工作台使激光束对准加工位置。

根据焦点位置调整玻璃基板到焦平面的距离，本实验对比了焦平面处和焦平面以下2mm位置处的加工效果。根据三维参数值大小，确定试样在焦平面以下2mm位置处更容易加工出粗糙表面。

采用单一变量法，依次探究重复频率、能量密度、单位面积上的脉冲个数、衰减器位置设置不同值时对蚀刻深度、加工质量的影响。结果表明，刻蚀深度取决于激光的能量密度和单位面积上的脉冲个数，并且可以通过提高能量密度、单位面积上的脉冲个数和激光脉冲重复频率来提高加工质量。这里固定脉冲持续时间为20ns,实验结果表明，激光蚀刻最小的能量为140mj，衰减器的位置为0.9最佳，折中考虑加工质量和加工时间来设置加工参数值。

可以通过加工参数、输出脉冲能量和衰减器位置对激光表面处理的可控性进行优化，以加工出粘附性最好的粗糙表面。

将准分子激光加工好的粗糙化表面用未稀释的decon90清洗5分钟，并用去离子水冲洗3-5分钟。

用催化剂溶液激活玻璃表面并用去离子水冲洗3-5分钟。

将经过处理的玻璃基板浸入镀铜槽浸泡10分钟，最后进行冲洗并干燥。

通过划痕试验定量检测在玻璃上镀铜的质量。

最后，进行三维形貌测量，并将划痕测试结果与三维表面粗糙度参数相结合，找到镀层失效的临界负载；准分子激光加工前后玻璃基板表面划痕试验结果对比，如图4所示。