電子器件功率模塊用鋁基板草酸陽極氧化工藝參數優化

杜相如，付 巍

（1.山西工程職業學院，山西 太原 030009；2.中北大學電氣與控制工程學院，山西 太原 030000）

鋁基板是電子器件功率模塊的關鍵零部件之一，其主要功能是實現元器件之間的電絕緣［1-2］。隨著電子器件功率模塊向著微型化、高度集成化等方向發展，對鋁基板的電絕緣性能提出了更高要求。為了更好地滿足應用要求，對鋁基板進行表面處理已成為首選措施。在工業中常采用硫酸陽極氧化工藝對鋁基板進行表面處理，能夠生成一層不導電且耐高溫隔熱的陽極氧化膜，賦予鋁基板表面良好的電絕緣特性。然而，硫酸陽極氧化工藝尚存在一些問題，比如硫酸電解液對陽極氧化膜的溶解作用較強，導致容易開裂使其性能不穩定，同時也會降低鋁基板的疲勞強度［3-8］。

草酸陽極氧化工藝雖然不如硫酸陽極氧化工藝應用廣泛，但草酸電解液對陽極氧化膜的溶解作用較弱使其不易開裂，有利于保持良好的電絕緣特性，同時也不影響鋁基板的疲勞強度［9-12］，因此在鋁基板表面處理中的應用前景值得期待，研究鋁基板草酸陽極氧化工藝具有重要意義。筆者采用草酸陽極氧化工藝對電子器件功率模塊用鋁基板進行表面處理，并考察電解液溫度、電流密度和氧化時間對陽極氧化膜性能的影響，旨在對鋁基板草酸陽極氧化工藝參數進行優化。

1 實驗

1.1 材料

實驗選用48 mm×25 mm×2.2 mm的鋁基板，按照如下流程進行前處理：拋光→丙酮超聲波清洗→水洗→堿洗（質量濃度45 g/L的氫氧化鈉溶液，60℃）→水洗→浸蝕（體積分數30%的氫氟酸）→水洗→出光（體積分數20%的硝酸）→水洗→吹干。

1.2 草酸陽極氧化

使用草酸電解液，由分析純草酸和去離子水按照一定比例配成，其中草酸的質量濃度為50 g/L。電解液溫度分別控制在15、20、25、30、35℃，陽極氧化的電流密度設為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 A/dm2，氧化時間分別為35、45、55、65、75 min。采用單一變量法，對電解液溫度、電流密度和氧化時間進行優化。

1.3 氧化膜性能測試

采用德國卡爾·蔡司股份公司的EV018型掃描電子顯微鏡觀察氧化膜的微觀形貌，并用北京時代創合科技有限公司的TT260型渦流測厚儀測量氧化膜的厚度，每個試樣各測5個點（呈十字交叉形分布），取平均值。

依照GB/T 10125-2012進行銅鹽加速乙酸鹽霧實驗，先配制質量濃度50 g/L的氯化鈉溶液，然后加入0.26 g/L氯化銅，調節溶液pH在3.0～3.3范圍內，實驗環境溫度控制在（50±2）℃。采用上海精科天美儀器有限公司的FA2004B型精密天平測定鹽霧實驗前后試樣的質量，分別用m前、m后表示，試樣表面積用S表示，氧化膜的腐蝕失重Δm=（m前-m后）/S。采用上海辰華儀器有限公司的CHI760型電化學工作站測試氧化膜的極化曲線，腐蝕介質為質量濃度3.5 g/L的氯化鈉溶液，三電極體系采用常規配置。在開路電位下進行測試，掃描速率為1 mV/s。根據測得的極化曲線，采用塔菲爾外推法得到氧化膜的腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Jcorr）。

2 結果與討論

2.1 電解液溫度對氧化膜厚度及腐蝕失重的影響

電流密度2.0 A/dm2、氧化時間55 min保持不變的前提下，考察電解液溫度對氧化膜厚度及腐蝕失重的影響，結果如圖1、2所示。由圖1和圖2可知，隨著電解液溫度從15℃升高到35℃，氧化膜厚度先增加后降低的同時伴隨著腐蝕失重先降低后增加，當電解液溫度為25℃時，氧化膜最厚（18.2μm）且腐蝕失重最低（2.72 mg/cm2），說明其耐腐蝕性能良好。這是由于較厚的氧化膜能夠延長腐蝕介質向其內部滲透擴散的路徑，使腐蝕阻力增大，承受腐蝕的能力增強。但繼續提高電解液溫度，由于氧化膜遭受的溶解程度加重，導致厚度降低，承受腐蝕的能力減弱，因此腐蝕失重呈增加的趨勢。

圖1 電解液溫度對氧化膜厚度的影響Fig.1 Influence of electrolyte temperature on the thickness of oxidation films

圖2 電解液溫度對氧化膜腐蝕失重的影響Fig.2 Influence of electrolyte temperature on the corrosion weight loss of oxidation films

2.2 電流密度對氧化膜厚度及腐蝕失重的影響

在電解液溫度25℃、氧化時間55 min保持不變的前提下，考察電流密度對氧化膜厚度及腐蝕失重的影響，結果如圖3、4所示。由圖3和圖4可知，隨著電流密度從1.0 A/dm2增加到3.0 A/dm2，氧化膜厚度先增加后降低的同時也伴隨著腐蝕失重先降低后增加。這是由于在一定范圍內提高電流密度使生成氧化膜的速度快于溶解速度，表現為氧化膜厚度逐漸增加，承受腐蝕介質侵蝕的能力增強，因此腐蝕失重降低。但當電流密度超出該范圍，繼續提高電流密度會增強電場的助溶作用［13］，使得氧化膜遭受更大程度的溶解，因此厚度降低，腐蝕失重增加。

圖3 電流密度對氧化膜厚度的影響Fig.3 Influence of current density on the thickness of oxidation films

圖4 電流密度對氧化膜腐蝕失重的影響Fig.4 Influence of current density on the corrosion weight loss of oxidation films

2.3 氧化時間對氧化膜厚度及腐蝕失重的影響

電解液溫度25℃、電流密度2.0 A/dm2保持不變的前提下，考察氧化時間對氧化膜厚度及腐蝕失重的影響，結果如圖5、6所示。由圖5可知，隨著氧化時間從35 min延長到75 min，氧化膜厚度的變化趨勢與隨著電解液溫度升高及電流密度增加的變化趨勢相同。在一定范圍內延長氧化時間使成膜過程持續進行，且生成氧化膜的速度快于溶解速度，因此厚度逐漸增加。但氧化膜不會無限制的增厚［14-15］，當厚度達到極限值，繼續延長氧化時間會使氧化膜持續的遭受腐蝕介質侵蝕而厚度降低。由圖6可知，隨著氧化時間從35 min延長到75 min，氧化膜腐蝕失重的變化趨勢也與隨著電解液溫度升高及電流密度增加的變化趨勢相同。在一定范圍內延長氧化時間使氧化膜承受腐蝕介質侵蝕的能力增強，因此腐蝕失重降低。但當氧化時間超出該范圍，繼續延長氧化時間使氧化膜不再增厚反而持續的遭受侵蝕，因此腐蝕失重增加。

圖5 氧化時間對氧化膜厚度的影響Fig.5 Influence of oxidation time on the thickness of oxidation films

圖6 氧化時間對氧化膜腐蝕失重的影響Fig.6 Influence of oxidation time on the corrosion weight loss of oxidation films

綜合以上分析，在本文實驗條件下，電解液溫度25℃、電流密度2.0 A/dm2、氧化時間55 min時，氧化膜最厚且腐蝕失重最低，其耐腐蝕性能良好，因此得到了鋁基板草酸陽極氧化的最佳工藝參數，生成的氧化膜稱為最佳氧化膜。

2.4 最佳工藝參數驗證

圖7 、8所示分別為鋁基板及最佳氧化膜的宏觀形貌、微觀形貌。由圖7可見，草酸陽極氧化后鋁基板表面呈灰色略微泛黃，其光澤度降低，但成膜完整且均勻。由圖8可見，鋁基板表面較平整，附著的自然氧化膜被去除。最佳氧化膜呈蜂窩狀多孔結構，孔洞排列整齊，大小基本一致（孔徑約20 nm）。通過對比圖8（a）和8（b），證實了在最佳工藝參數下生成的氧化膜完整且均勻。

圖7 鋁基板及最佳氧化膜的宏觀形貌Fig.7 Macro-morphology of aluminum substrate and optimal oxidation film

圖8 鋁基板及最佳氧化膜的微觀形貌Fig.8 Micro-morphology of aluminum substrate and optimal oxidation film

為了驗證采用單一變量法得到的最佳工藝參數是否準確可靠，進一步分析了最佳氧化膜的極化曲線，并隨機選取電流密度2.5 A/dm2、電解液溫度25℃、氧化時間55 min時生成的氧化膜（稱為對比氧化膜1）和電解液溫度20℃、電流密度2.0 A/dm2、氧化時間65 min時生成的氧化膜（稱為對比氧化膜2）作為對比試樣。

圖9 所示為不同氧化膜的極化曲線，表1所示為根據極化曲線得到的腐蝕電位和腐蝕電流密度。由圖9和表1可見，最佳氧化膜的腐蝕電位更正，相比于對比氧化膜1和對比氧化膜2分別正移了55 mV、29 mV，腐蝕電流密度也更低，相比于對比氧化膜1和對比氧化膜2分別降低了約45%、32%，這說明最佳氧化膜的腐蝕傾向更弱且腐蝕速率更低，展現出良好的阻擋腐蝕介質并延緩腐蝕介質與鋁基板接觸的能力，從而對鋁基板起到良好的腐蝕防護作用，這也證實了采用單一變量法得到的最佳工藝參數準確可靠。

圖9 不同氧化膜的極化曲線Fig.9 Polarization curves of different oxidation films

表1 根據極化曲線得到的腐蝕電位和腐蝕電流密度Tab.1 Corrosion potential and corrosion current density obtained according to the polarization curves

3 結論

（1）隨著電解液溫度升高（15～35℃）、電流密度增加（1.0～3.0 A/dm2）及氧化時間延長（35～75 min），氧化膜厚度都呈先增加后降低的趨勢并且伴隨著腐蝕失重先降低后增加，鋁基板草酸陽極氧化的最佳工藝參數為：電解液溫度25℃、電流密度2.0 A/dm2、氧化時間55 min。

（2）單一變量法得到的草酸陽極氧化的最佳工藝參數準確可靠，在最佳工藝參數下生成的氧化膜最厚且腐蝕失重最低，其耐腐蝕性能良好，能對鋁基板起到良好的腐蝕防護作用。