Wpływ modyfikacji powierzchni tlenku glinu na zwilżalność i wytrzymałość połączenia w układzie Cu/AL203

Przeprowadzono badania wpływu cienkiej warstwy Ti o grubości 800 nm, naniesionej na podłoże z tlenku glinu (metodą PVD) na zwilżalność i własności mechaniczne połączenia w układzie Cu/Al2O3. Metodą kropli leżącej przeprowadzono badania porównawcze kinetyki zwilżania podłoża z pokryciem i bez pokrycia przez ciekłą Cu (99,99%) w temperaturze 1373 K i 1423 K, w warunkach próżni dynamicznej rzędu 0,2 mPa. Badania oddziaływania w układzie Cu/Ti/Al2O3 wykazały, że modyfikacja powierzchni podłoża tlenku glinu tytanem polepsza zwilżalność w układzie Cu/Al2O3. Pomiar wytrzymałości połączenia przeprowadzono metodą ścinania próbek po badaniach zwilżalności, wykorzystując własną metodykę. Wyniki próby ścinania wykazały, że istnieje wyraźna zależność wytrzymałości na ścinanie od temperatury i kąta zwilżania tylko w układzie miedź-pokrycie-tlenek glinu, tj. niższej wartości kąta zwilżania odpowiada wyższa wartość wytrzymałości na ścinanie. Badania strukturalne w układzie Cu/Ti/Al2O3 wykonane metodą mikroskopii optycznej oraz skaningowej wykazały rozpuszczanie pokrycia Ti w Cu i formowanie struktury granicy rozdziału, odpowiadającej wyższej wytrzymałości na ścinanie w porównaniu do układu typu Cu/Al2O3. Przeprowadzone badania oddziaływania tlenku glinu z nałożoną warstwą tytanu z ciekłą Cu w powiązaniu z pomiarem wytrzymałości połączenia pozwoliły na ustalenie optymalnych parametrów dla procesu wytwarzania połączeń metal-ceramika o żądanej strukturze i własnościach mechanicznych.

---

The subject of the work was to study the effect of Ti thin film on alumina substrates on wetting and bond strength properties in Cu/Al2O3 couples. Applying the sessile drop method, the wetting behaviour of molten Cu (99,99%) on coated and uncoated alumina substrates was studied at 1373 K and 1423 K under a vacuum of 0.2 mPa. The sessile drop samples were used to examine the interface structure and shear strength. The Ti layer of 800 nm thickness improves the wetting properties in Cu/Al2O3 and for all couples the temperature increase results in lower values of contact angle. The shear test demonstrates different wetting-bond strength relationship for coated and uncoated couples. Contrary to Cu/Ti/Al2O3, in Cu/Al2O3 couples higher shear strength was noted for higher contact angle, corresponding to lower temperature of wettability test. The structure characterisation of interfaces by means of optical microscopy and electron microscopy equipped with spectrometric system for microanalysis of chemical composition suggests that positive effect of Ti layer on the improvement of both wetting and bond strength properties in Cu/Al2O3 system results from a favourable change of structure and chemistry of the interface.