通过HiPIMS为PI镀铜设计Si/SixNy中间层——临界载荷43.5mN！

点睛

本研究通过引入Si/SiₓNᵧ中间层并配合氧等离子体预处理后，在PI基材上沉积300nm厚Cu薄膜的临界载荷达43.5mN。

引言

随着智能可穿戴、医疗传感器及储能设备向轻薄、柔性化发展，柔性覆铜板（FCCL）作为关键电气互联部件备受关注。双层柔性覆铜板（2L-FCCL）因兼具高导热、耐弯折及尺寸稳定性，成为理想选择。然而，常规磁控溅射方法存在的问题，一是聚合物基底对铜膜的润湿性较差，导致沉积过程中铜原子相互结合而不是与PI键合，二是聚合物基材的热稳定性和化学不稳定性较低。

解析

松山湖实验室的王等使用新铂科技（东莞）有限公司的HiPIMS电源，通过设计不同中间层（Al、Si/SixNy、Cr）及对聚酰亚胺（PI）基材进行氧等离子体预处理，在PI上实现了双层柔性覆铜板（2L-FCCL）的强结合。以“Interlayer design for strong adhesion in the double-layer flexible copper clad laminate via HiPIMS deposition”为题发表在《Applied Surface Science》上。

参数如下：

1）将PI基底浸入乙醇中并用超声波清洗机清洗10min。

2）氧等离子体处理：基底压力低于5×10-3Pa，Ar：400sccm和O2：30sccm。工作气压1.5Pa，AEGD电流30A，进行3min氧等离子体清洁工艺。Si靶的靶基距为12cm。

3）HiPIMS脉宽10μs、频率400Hz、平均电流4A。工作气压0.5Pa，Ar：130sccm、N2:30sccm，峰值电流保持在约200A，沉积2min。

4）使用峰值电流为400A的HiPIMS，将脉宽减小到50μs，沉积约300nm厚的顶部Cu层，2min。

图1 (a-d) 为无氧等离子体预处理样品，(e-h)为氧等离子体预处理样品(a)、(e)无中间层;(b)、(i)Al 中间层;(c)、(g)Si/SiₓNᵧ中间层与(d)、(h)Cr中间层

如图1，这组扫描电子显微镜表面形貌图及对应晶粒尺寸统计分布，呈现了PI基底上不同中间层体系 HiPIMS铜膜的微观结构差异，无论是否氧等离子体活化， Si/SiₓNᵧ中间层的晶粒细化效果都突出，本质是非晶态的Si/SiₓNᵧ层打断了金属膜的连续柱状晶生长，提供了大量异质形核位点，这种均匀细化的微观结构也为其优异的膜基结合强度提供了结构基础。

图 2划痕测试不同中间层（无中间层、Al、Si/SixNy和Cr中间层）Cu膜的Lc3

如图2为纳米划痕测试得到的铜膜完全剥离临界载荷Lc₃对比结果，其中氧预处理结合Si/SiₓNᵧ中间层的组合达到高值43.5mN，较无预处理无中间层样品提升约74%，且性能离散度更低。

图 3通过SEM和EDS分析了Cu膜的分层失效点。

如图3为氧等离子体预处理PI基底上Si/SiₓNᵧ中间层铜膜划痕失效区域的SEM形貌与EDS元素面分布图，左侧为划痕剥落处的微观形貌，虚线框标注铜膜剥离后的失效区域。图像说明薄膜失效并非发生在Si/PI界面或Cu/SiₓNᵧ界面，而是断裂发生在Si/SiₓNᵧ中间层内部，属于内聚失效，直接证明该体系的界面结合强度高于中间层自身的内聚强度，直观印证了Si/SiₓNᵧ中间层能实现强膜基附着力的核心结论。

结论与延伸

研究通过HiPIMS进行氧等离子体预处理，沉积Si/SixNy中间层，成功制备了具有强粘合力（43.5mN）的2L-FCCL。

核心结论包括：

1.氧等离子体在PI表面生成活性官能团，促进与Si中间层的化学键合；

2.Si/SixNy层作为扩散阻挡层，防止Cu向Si层渗透，维持界面稳定；

3.HiPIMS的高电离率提升了Cu膜结晶度和致密度。