脈衝式雷射製作氮化鋁層之研究
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(2) 中文摘要 本研究旨在找出雷射氣體氮化參數對氮化鋁品質特性之影響。首先在大氣環 境且不添加填料的情況下，採用氮氣與氨氣為反應氣體，利用脈衝式 Nd：YAG 雷 射為能量源，在鋁合金 5052 上製作氮化鋁層。接著用光學顯微鏡觀察氮化鋁層、 量測其厚度，再以 SEM、EDS 及 EMPA 分析組織結構及成分。最後利用田口方法 設定雷射氣體氮化最適參數，並以變異數分析法進行分析。研究結果顯示，利用 前述方法製作的氮化層由淺至深為緻密顆粒狀和鬆散的樹葉狀，其厚度可達 14μm。 就氮化層含氮量而言，以氨氣進行氮化的效果優於氮氣。經田口方法所得到之最 適製作參數為雷射功率 40W、脈衝寬度 3.7ms、脈衝頻率 5Hz、雷射速度 1.5cm/min。 參數所選之四個因素中，以雷射功率、雷射速度為氮含量影響最重要的因素，其 中以雷射功率為最顯著的因素。. 關鍵字：氮化鋁、雷射氣體氮化、脈衝式 Nd：YAG 雷射、田口方法. i.
(3) Abstract This study attempted to characterize the effects of the laser gas nitride parameters on the formation of aluminum nitride. By using nitrogen and ammonia as reactors and pulse Nd: YAG laser as laser medium under standard atmosphere condition without filler, the experiments were performed on the aluminum alloy 5052 with Aluminum nitride layers (AlN layers) manufacturing. We studied the surface morphology by Optical Microscope and analyzed the structure and composition by SEM、EDS and EPMA. Taguchi method was selected to set the optimized parameters of laser gas nitride. The analysis of data was carried out by ANOVA. Our results indicate that AlN layers structure from the outside to the inside are dense granularity and loosely leafy, which could reach to 14μm in thickness. The nitrogen content (N-content) of nitride layer made by ammonia is superior to those of nitrogen made. The optimized parameters obtained by Taguchi method are as following: Laser Power 40W, Pulse Width 3.7ms, Pulse Frequency 5Hz, Laser travel speed 1.5cm/min. It is shown that N-content of AlN layers relates mainly to Laser Power and Laser travel speed. Laser power has the central place in aluminum nitride formation.. Keywords：Aluminum nitride、Laser gas nitride、Pulse Nd: YAG laser、Taguchi method. ii.
(4) 謝誌 本論文得以完成，首先深深的感謝恩師鄭慶民教授、鄧敦平教授的悉心指導， 對於學術研究方面的啟發，讓我瞭解正確的研究方法與嚴謹的做事態度，實惠我 良多，讓學生永誌於心。更感謝鄧老師時常與我討論實驗，並在儀器的使用與實 驗上的幫助及解惑。也感謝口試委員王星豪教授在口試中給予精闢的見解讓學生 的論文更趨完善更加嚴謹。 就讀研究所兩年期間，感謝最敬愛的鄭慶民老師，在論文實驗過程中，提供 各種實驗所需之軟硬體設備，在百忙之中不厭其煩給予各種問題的解答與指導。 鄭老師更時時教導我待人處世的道理，也常關心學生近況與心情，此舉更讓學生 心中注入一股溫流，心生感動。在研究所期間，承蒙系上師長徐昊杲、李景峰老 師與機電系程金保老師、機電系助教陳若蕾的關心與協助，總是給予我改進之處 的指點迷津與學習處事的態度。 感謝俊榮、飛祥、政儒學長與我的同窗好友嘉瑞、翔文、純芳、俊鴻、宗駿、 章城，得以在研究過程中互相討論問題與彼此努力打氣，一起同甘共苦共患難的 日子。以及學弟阿邦、國威在研究期間的協助與鼓勵，使我在研究中更加順利， 在此一併獻上真摯的致謝。 最後要感謝我的父母對我無怨無悔的栽培與照顧，給我一個堅實的避風港。 也感謝哥哥浩驊與妹妹宇倢，在這段期間給我鼓勵與支持，另外也感謝靖宜及伯 父伯母在這段期間，對我的包容與支持。最後僅以此論文獻給我最敬愛的父母與 家人，及所有關心我的師長、同學與朋友，謝謝你們讓我得以順利完成學業。. 鄭皓文 謹誌 民國 101 年 6 月. iii.
(5) 目. 錄. 中文摘要 ...................................................................................................................... i Abstract ...................................................................................................................... ii 謝誌 ............................................................................................................................ iii 目 錄 ........................................................................................................................ iv 表目錄 ........................................................................................................................ vi 圖目錄 ....................................................................................................................... vii 第一章 緒論.................................................................................................................1 1.1 研究緣起與背景 ............................................................................................1 1.2 研究動機 ........................................................................................................3 1.3 研究目的 ........................................................................................................5 第二章 文獻探討 .........................................................................................................6 2.1 鋁合金特性及分類.........................................................................................6 2.1.1 鋁合金特性 .........................................................................................6 2.1.2 鋁合金的分類......................................................................................7 2.1.3 鋁合金 5052 的介紹 ............................................................................8 2.2 Nd:YAG 雷射原理與系統 ............................................................................. 10 2.2.1 雷射原理 ........................................................................................... 10 2.2.2 雷射光的特性.................................................................................... 11 2.2.3 雷射的種類 ....................................................................................... 12 2.2.4 雷射基本要素.................................................................................... 13 2.2.5 Nd:YAG 雷射之機構 ......................................................................... 15 2.2.6 雷射之控制參數 ................................................................................ 16 2.3 雷射氮化 ...................................................................................................... 20 2.3.1 雷射氮化之原理 ................................................................................ 21 2.3.2 雷射氮化之優點 ................................................................................ 22 2.4 氮化鋁的特性及熱傳導原理 ....................................................................... 22 2.4.1 氮化鋁的特性.................................................................................... 22 2.4.2 氮化鋁的熱傳導原理 ........................................................................ 23 2.5 田口方法 ...................................................................................................... 25 2.5.1 品質的定義 ....................................................................................... 25 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5. 品質特性的內涵 ................................................................................ 26 參數分類 ........................................................................................... 27 信號雜音比 (SN 比) ......................................................................... 27 直交表（Orthogonal attay）.............................................................. 29. 2.5.6 數據解析與分析 ................................................................................ 31 iv.
(6) 2.5.7 變異數（ANOVA）分析 .................................................................. 31 第三章 研究設計與實施 ........................................................................................... 33 3.1 實驗設計流程 .............................................................................................. 33 3.2 前置實驗 ...................................................................................................... 35 3.2.1 實驗試片及前處理 ............................................................................ 35 3.2.2 製作原理 ........................................................................................... 35 3.2.3 實驗設備裝置.................................................................................... 36 3.3 鋁合金雷射表面氮化之參數設計 ............................................................... 38 3.4 金相顯微組織觀察....................................................................................... 40 3.5 SEM 顯微觀察 .............................................................................................. 43 3.6 X 光繞射分析(XRD)..................................................................................... 44 3.7 電子探測微分析(EPMA) ............................................................................. 45 第四章 實驗結果與討論 ........................................................................................... 46 4.1 雷射製程參數對製作氮化層之影響............................................................ 46 4.1.1 銲點直徑及重疊率之量測 ................................................................ 46 4.2 氮化層之顯微組織觀察 ............................................................................... 50 4.2.1 雷射氮氣氮化之金相組織觀察......................................................... 50 4.2.2 雷射氨氣氮化之金相組織觀察......................................................... 53 4.3 雷射氮氣氮化之 SEM 觀察與 EDS 分析 .................................................... 56 4.3.1 氮化層之 SEM 觀察 .......................................................................... 56 4.3.2 氮化層之 EDS 分析 .......................................................................... 59 4.4 雷射氨氣氮化之 SEM 觀察與 EDS 分析 .................................................... 62 4.4.1 氮化層之 SEM 觀察 .......................................................................... 62 4.4.2 氮化層之 EDS 分析 .......................................................................... 66 4.5 電子探測微分析(EPMA) ............................................................................. 69 4.6 田口方法分析 .............................................................................................. 70 4.6.1 SN 比計算 .......................................................................................... 70 4.6.2 最適參數之初步解析 ........................................................................ 71 4.6.3 變異數(ANOVA)分析........................................................................ 73 4.6.4 驗證實驗 ........................................................................................... 74 4.7 最適參數實驗結果....................................................................................... 75 4.7.1 氮化層之顯微組織觀察 .................................................................... 75 4.7.2 氮化層之成分分析 ............................................................................ 77 第五章 結論與建議 ................................................................................................... 79 5.1 結論.............................................................................................................. 79 5.2 建議.............................................................................................................. 80 參考文獻 .................................................................................................................... 81. v.
(7) 表目錄 表 1-1 表 2-1 表 2-2 表 2-3 表 2-4. 常見的絕緣材料導熱係數表 ............................................................................3 純鋁之物理性質表 ...........................................................................................6 鋁及鋁合金之分類表 .......................................................................................7 鍛造用鋁合金之種類表 ...................................................................................8 鋁合金 5052 之主要成份表 ..............................................................................8. 表 2-5 導熱鋁基板規格表 ...........................................................................................9 表 2-6 雷射四種特殊性質之應用.............................................................................. 12 表 2-7 雷射的種類..................................................................................................... 13 表 2-8 氮化鋁的物理與化學特性表 .......................................................................... 23 表 2-9 SN 比歸納表.................................................................................................... 29 表 2-10 兩個水準排列所需的實驗次數表 ................................................................ 30 表 2-11 使用 L4（23）直交表所需之實驗次數表 .................................................... 30 表 2-12 變異數分析表 ............................................................................................... 32 表 3-1 鋁合金 5052 之主要成份表 ............................................................................ 35 表 3-2 雷射表面氮化製程參數表.............................................................................. 39 表 3-3 雷射表面氮化控制因素與水準值表 .............................................................. 39 表 3-4 田口方法 L9 直交表之因素配置表 ................................................................ 39 表 3-5 本實驗直交表之配置表 ................................................................................. 40 表 3-6 鋁合金 5052 腐蝕液配方表 ............................................................................ 41 表 3-7 X-Ray 繞射分析操作條件表 ........................................................................... 45 表 4-1 表 4-2 表 4-3 表 4-4 表 4-5. 實驗參數對銲點直徑與重疊率影響表 .......................................................... 47 實驗參數之氮化層厚度表.............................................................................. 62 氮化層(氮氣)之 EPMA 定量分析表 .............................................................. 69 氮化層(氨氣)之 EPMA 定量分析表 .............................................................. 70 實驗結果與 SN 表 .......................................................................................... 71. 表 4-6 氮含量之回應表 ............................................................................................. 72 表 4-7 變異數分析表 ................................................................................................. 74 表 4-8 最適參數之 EPMA 定量分析表 ..................................................................... 77. vi.
(8) 圖目錄 圖 1-1 圖 1-2 圖 2-1 圖 2-2 圖 2-3. 金屬基板基本構造圖 .......................................................................................2 傳統的絕緣鋁金屬基板示意圖 ........................................................................2 導熱鋁基板產品實體圖 ...................................................................................9 （a）受激吸收過程（b）輻射過程（c）受激輻射過程 .............................. 11 脈衝式 Nd:YAG 雷射器組成元件示意圖 ...................................................... 13. 圖 2-4 Nd:YAG 雷射為四能級躍遷系統圖 ................................................................ 14 圖 2-5 雷射形成過程圖 ............................................................................................. 14 圖 2-6 雷射示意圖..................................................................................................... 15 圖 2-7 傳導式與鑰孔式銲接示意圖 .......................................................................... 15 圖 2-8 脈衝式雷射器的能量輸出模式圖 .................................................................. 16 圖 2-9 雷射脈衝與深度、氮化程度的關係圖 .......................................................... 17 圖 2-10 雷射光的聚焦示意圖 ................................................................................... 18 圖 2-11 雷射聚焦位置示意圖 ................................................................................... 19 圖 2-12 脈衝式雷射銲點重疊率示意圖 .................................................................... 20 圖 2-13 脈衝式雷射氮化過程概要圖 ........................................................................ 21 圖 2-14 氮化鋁結構示意圖 ....................................................................................... 22 圖 2-15 氮化鋁的熱傳導率與溫度間之關係圖 ........................................................ 24 圖 3-1 研究架構圖..................................................................................................... 34 圖 3-2 實驗設備示意圖 ............................................................................................. 36 圖 3-3 機械手臂設定移動路徑圖.............................................................................. 36 圖 3-4 FANUC Robot LR Mate200i 六軸機械手臂圖 ................................................ 37 圖 3-5 六軸機械手臂控制器圖 ................................................................................. 37 圖 3-6 ROFIN starweld 40W 雷射銲接機圖 ............................................................... 37 圖 3-7 雷射氣體製作氮化鋁系統圖 .......................................................................... 38 圖 3-8 脈衝式雷射氣體氮化流程圖 .......................................................................... 38 圖 3-9 慢速鑽石切割機圖 ......................................................................................... 41 圖 3-10 Olympus BH 型光學顯微鏡圖 ....................................................................... 41 圖 3-11 熱鑲埋機圖 ................................................................................................... 42 圖 3-12 研磨機圖....................................................................................................... 42 圖 3-13 拋光機圖....................................................................................................... 42 圖 3-14 薄膜蒸鍍試驗機圖 ....................................................................................... 43 圖 3-15 JEOL-JSM6360 型掃描式電子顯微鏡圖 ...................................................... 44 圖 3-16 掃描式電子顯微鏡加裝之 EDS 圖............................................................... 44 圖 3-17 多功能高功率 X 光繞射儀圖 ....................................................................... 45 圖 3-18 JEOL JXA-8200 型電子探測微分析儀圖 ...................................................... 45 vii.
(9) 圖 4-1 L1 之銲點直徑 ................................................................................................ 47 圖 4-2 L2 之銲點直徑 ................................................................................................ 47 圖 4-3 L3 之銲點直徑 ................................................................................................ 48 圖 4-4 L4 之銲點直徑 ................................................................................................ 48 圖 4-5 L5 之銲點直徑 ................................................................................................ 48 圖 4-6 L6 之銲點直徑 ................................................................................................ 49 圖 4-7 L7 之銲點直徑 ................................................................................................ 49 圖 4-8 L8 之銲點直徑 ................................................................................................ 49 圖 4-9 L9 之銲點直徑 ................................................................................................ 50 圖 4-10 氮氣 L1 之金相橫截面圖 ............................................................................. 51 圖 4-11 氮氣 L2 之金相橫截面圖 ............................................................................. 51 圖 4-12 氮氣 L3 之金相橫截面圖 ............................................................................. 51 圖 4-13 氮氣 L4 之金相橫截面圖 ............................................................................. 51 圖 4-14 圖 4-15 圖 4-16 圖 4-17 圖 4-18. 氮氣 L5 之金相橫截面圖 ............................................................................. 52 氮氣 L6 之金相橫截面圖 ............................................................................. 52 氮氣 L7 之金相橫截面圖 ............................................................................. 52 氮氣 L8 之金相橫截面圖 ............................................................................. 52 氮氣 L9 之金相橫截面圖 ............................................................................. 53. 圖 4-19 圖 4-20 圖 4-21 圖 4-22 圖 4-23. 氨氣 L1 之金相橫截面圖 ............................................................................. 54 氨氣 L2 之金相橫截面圖 ............................................................................. 54 氨氣 L3 之金相橫截面圖 ............................................................................. 54 氨氣 L4 之金相橫截面圖 ............................................................................. 54 氨氣 L5 之金相橫截面圖 ............................................................................. 55. 圖 4-24 圖 4-25 圖 4-26 圖 4-27 圖 4-28. 氨氣 L6 之金相橫截面圖 ............................................................................. 55 氨氣 L7 之金相橫截面圖 ............................................................................. 55 氨氣 L8 之金相橫截面圖 ............................................................................. 55 氨氣 L9 之金相橫截面圖 ............................................................................. 55 氮氣 L1 之顯微組織圖 ................................................................................. 56. 圖 4-29 圖 4-30 圖 4-31 圖 4-32 圖 4-33. 氮氣 L2 之顯微組織圖 ................................................................................. 56 氮氣 L3 之顯微組織圖 ................................................................................. 57 氮氣 L4 之顯微組織圖 ................................................................................. 57 氮氣 L5 之顯微組織圖 ................................................................................. 57 氮氣 L6 之顯微組織圖 ................................................................................. 58. 圖 4-34 圖 4-35 圖 4-36 圖 4-37. 氮氣 L7 之顯微組織圖 ................................................................................. 58 氮氣 L8 之顯微組織圖 ................................................................................. 58 氮氣 L9 之顯微組織圖 ................................................................................. 59 氮氣 L1 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 59. 圖 4-38 氮氣 L2 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 60 viii.
(10) 圖 4-39 氮氣 L3 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 60 圖 4-40 氮氣 L4 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 60 圖 4-41 氮氣 L5 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 60 圖 4-42 圖 4-43 圖 4-44 圖 4-45 圖 4-46. 氮氣 L6 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 61 氮氣 L7 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 61 氮氣 L8 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 61 氮氣 L9 之組織層分析位置及特性光譜圖 .................................................. 61 氨氣 L1 之顯微組織圖 ................................................................................. 63. 圖 4-47 圖 4-48 圖 4-49 圖 4-50 圖 4-51. 氨氣 L2 之顯微組織圖 ................................................................................. 63 氨氣 L3 之顯微組織圖 ................................................................................. 64 氨氣 L4 之顯微組織圖 ................................................................................. 64 氨氣 L5 之顯微組織圖 ................................................................................. 64 氨氣 L6 之顯微組織圖 ................................................................................. 65. 圖 4-52 圖 4-53 圖 4-54 圖 4-55 圖 4-56. 氨氣 L7 之顯微組織圖 ................................................................................. 65 氨氣 L8 之顯微組織圖 ................................................................................. 65 氨氣 L9 之顯微組織圖 ................................................................................. 66 氨氣 L1 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 66 氨氣 L2 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 67. 圖 4-57 圖 4-58 圖 4-59 圖 4-60 圖 4-61. 氨氣 L3 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 67 氨氣 L4 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 67 氨氣 L5 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 67 氨氣 L6 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 68 氨氣 L7 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 68. 圖 4-62 圖 4-63 圖 4-64 圖 4-65 圖 4-66. 氨氣 L8 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 68 氨氣 L9 之組織層分析位置圖與特性光譜圖 .............................................. 68 氮含量之回應圖 ........................................................................................... 72 最適參數之金相橫截面圖............................................................................ 76 最適參數之顯微組織圖 ............................................................................... 76. 圖 4-67 最適參數之組織層分析位置圖與特性光譜圖 ............................................. 77 圖 4-68 (a)最適參數之 XRD 圖 (b)氮化鋁(AlN)之標準頻譜圖 ............................... 78. ix.
(11) 第一章 緒論 1.1 研究緣起與背景 近年來全球環保節能的意識抬頭，進而帶動各國綠色節能產業的崛起，如 LED 照明、綠色能源的發展及替代，均迅速有效的被推廣。在綠色節能環保產業中， 發光二極體因具有節能、省電、高效率、輕薄及環保等優點，被廣泛應用於電子 產品、交通誌燈、廣告看板、汽車頭燈、照明設備等。但由於 LED 約只有 15~20% 電能轉換成光，其餘的 80~85%的電能轉換為廢熱，因此經長時間使用後，發光時 所產生的廢熱若無法適時導出，將會使 LED 介面溫度過高，進而影響發光效率、 穩定性與使用壽命，溫度愈高，其使用壽命愈低。 LED 整體發熱量雖然不高，但換算成單位體積發熱量時，卻遠遠超過其他光 源。熱量的傳遞路徑主要分為三種型態，分別為熱傳導熱傳(conduction heat transfer)、 熱對流熱傳(convection heat transfer)、熱輻射熱傳(radiation heat transfer)。LED 對於 三種熱傳導方式的依賴程度相差甚大。LED 散熱方式可從空氣中散熱、亦有熱能 直接由基板導出、或經由金線將熱能導出，若為共晶及覆晶製程，熱能將經由通 孔至系統電路板而導出。但其中約有 75%的熱量會從基板帶走，不同的基板導熱 係數不同，因此選用相匹配的散熱基板最為重要[1]。由於金屬基板具有高的熱傳 導係數，且具加工性、不易破碎，發展最具潛力，因此成為目前高功率 LED 散熱 基板的主流。 近年來隨著 LED、電子產品等諸多領域廣泛的應用，使金屬基板的用量增加， 也就推動了金屬基板研究以及相關的製造技術。金屬散熱基板是由金屬片（如鋁 板、銅板）、高導熱絕緣介質層和銅箔構成，如圖 1-1 所示[2]。透過不同金屬材 料與絕緣層材質的選用搭配，因應不同需求的金屬基板，其中以鋁導熱基板的產 量最大，主要是鋁基板具有散熱性、高機械性能、價格便宜等優勢。. 1.
(12) 圖1-1 金屬基板基本構造圖[2]. 鋁基板散熱效率的高低，取決於絕緣層材料的選用，絕緣介質層的厚度約為 80μm-100μm，當銅箔吸收了大量的熱能必須依靠鋁基板才能完成散熱，若是介於 銅箔與鋁基板之間的導熱絕緣層，無法有效傳遞熱能，將成為導熱與散熱的瓶頸。 傳統絕緣層採用環氧樹脂，其散熱係數極低約只有 0.5W/mK，進一步添加散熱好 的氧化鋁粉或其他金屬氧化物，使其導熱係數提高至 1~6W/mK，如圖 1-2 所示， 甚至以陽極氧化膜 20W/mK 取代[3]。隨著產業的發達，基板不斷的往小型化設計， 對於基板散熱更為要求，若絕緣層的導熱無法有效傳遞熱能，則會導致基板上元 件過熱，使整個可靠性下降，因此選用匹配且高熱傳導的絕緣層材料，即為小型 化的關鍵所在。陶瓷材料所擁有的高熱傳導係數、低熱膨脹係數、高絕緣電阻、 壓電性質等優異性能，正好符合目前鋁基板絕緣層的要求。. 圖1-2 傳統的絕緣鋁金屬基板示意圖[3]. 2.
(13) 1.2 研究動機 高導熱鋁基板為目前產量最大的金屬基板，由於優異的導熱性能、耐熱性、 高絕緣特性、優良的平整度以及綠色環保，已廣泛使用在 LED、照明設備上。照 明使用的高功率 LED，每顆晶片的功率都達到 1Wヽ3Wヽ5W，甚至更高；但 LED 輸 電後約只有 15~20%電能轉換成光，其餘的 80~85%的電能轉換為廢熱，因此 LED 經長時間使用後，發光時所產生的廢熱，若無法適時由基板導出，將會使 LED 介 面溫度過高，進而影響發光效率、穩定性與使用壽命，溫度愈高，其使用壽命愈 低。 鋁基板散熱效率的高低，取決於材料的選用，銅箔吸收了大量的熱能必須依 靠鋁基板才能完成散熱，但是以往所使用的環氧樹脂(Epoxy)絕緣層，顯然導熱性 質不佳，亦即不適合用於 LED 鋁導熱基板。材料需同時具備高絕緣性及高導熱性， 並且在高度的冷熱衝擊下，仍然保持其性質，常見的絕緣材料導熱係數，如下表 1-1 所示。 表 1-1 常見的絕緣材料導熱係數表 環氧樹脂. 陶瓷材料. 絕緣材料. 熱傳導係數 (W/mK). Epoxy. SiO2. Al2O3. AlN. BeO. SiC. 0.2~0.6. 0.77. 25~31. 160~230. 240. 270. 陶瓷材料為近年來最具發展材料之一，因其具有高機械強度、耐磨耗、化學 穩定性、抗腐蝕性，有些甚至有高熱傳導係數、低熱膨脹係數、高絕緣電阻、壓 電性質等，都是其他種材料無法達到的多種優異性質，廣泛地被應用在各種領域， 例如太空梭外殼的隔熱板、汽車引擎的外殼、散熱材料等，尤其是在 LED 基板的 應用具有極重要的地位。因此被認為近來最具發展性的材料之一[4][5]。 3.
(14) 陶瓷材料以氧化鋁(Al2O3)、氧化鈹(BeO)、碳化矽(SiC)以及氮化鋁(AlN)為主， 其中氧化鈹具有優良的性能，但是其生產成本較高和具有毒性所以限制其發展。 碳化矽其介電係數太大，在應用上會造成訊號上的延遲，並不適用於電子材料上， 目前陶瓷材料以氧化鋁為生產主流，原因是氧化鋁生產價格便宜且擁有絕緣性特 質，以及熱傳導率達到 25~31W/m．Ｋ。不過在高散熱性元件越來越強烈的需求下， 氧化鋁也有日漸難以有效散熱的趨勢，因此各國研究也無不積極投入提升散熱或 是降低元件發熱功率，甚至尋找取代的材料。 氮化鋁陶瓷材料由於其熱傳導率高、絕緣特性、介電特性、熱膨脹係數與矽 相近及機械強度高，已有取代氧化鋁之趨勢[6]。雖然氮化鋁(AlN)擁有高熱傳導率 的特性，是目前最適合作為散熱的材料，但是在生產成本的考量上，並非以材料 優異性為最優先考量，因此氮化鋁一直以來都無法被產業全面的應用，近年來隨 著基板設計不斷朝小體積、高性能發展，因而單位體積熱產量大增，散熱成為迫 切解決的問題。因此如何降低生產成本，以及大量生產的問題，將是氮化鋁最重 要的課題。 過去製作氮化物的方法，如氣相沉積法、氣體滲氮、離子氮化等技術，製備 出的氮化層效果都不佳，主要原因，如需要處理的時間週期長、滲氮層組織難以 控制，且需要對工件持續高溫加熱等缺點，如何解決以上缺點都是各國研究的目 標。近年來雷射被廣泛應用在各個領域，雷射氣體氮化是目前一種新氮化技術， 這技術所製作出的氮化層能與基材結合牢固、材料不易受熱變形，且製作所需時 間短，氮化層的厚度可獲得幾百微米[7]。因此國外對此新興的技術接投入不少研 究。 就氮化鋁在性能上的優點，將來必定會更普及化的運用，尤其是以氮化鋁取 代傳統的環氧樹脂，打開金屬電路與鋁基板之間的導熱瓶頸。因此為了配合我國 LED 產業需求及未來發展，雷射氮化技術的研究是可進行且急迫。. 4.
(15) 1.3 研究目的 目前高導熱鋁基板廣泛應用於LED產業，但卻有著散熱不足的缺點。主要原 因在於介於鋁基板與銅箔間的絕緣隔熱層，導熱性質不佳，無法有效傳地熱能。 氮化鋁陶瓷材料擁有高熱傳導、絕緣特性、低熱膨脹係數及高機械強度，是取代 傳統環氧樹脂(Epoxy)絕緣層的最佳材料。本研究係在非真空且不添加填料之情況 下，以脈衝式Nd：YAG進行雷射氣體氮化法，在鋁合金5052表面製作氮化鋁層， 探討填充反應氣體(氮氣、氨氣)所製作氮化層的組織、成份以及結構之變化情形， 並應用田口方法來找出雷射氣體氮化之最適參數，並利用變異數分析法找出雷射 參數對品質特性之影響，希望對鋁合金雷射氮化表面能有進一步之瞭解，以期能 改善氮化鋁製作之各項問題。 本研究欲達成之目的如下： 一、探討雷射氣體氮化製程參數之設計對氮化鋁微結構組織、成分之影響。 二、探討雷射氣體氮化所造成缺陷之原因。 三、探討以氮氣與氨氣進行雷射氣體氮化其氮含量之差異。 四、利用田口方法配合實驗測試及修正，找出製作雷射氮化鋁層之最適參數。. ‘. 5.
(16) 第二章 文獻探討 2.1 鋁合金特性及分類 2.1.1 鋁合金特性 純鋁為熔點660℃，為面心立方結構(FCC)，特點是其比重為2.7g/cm3，比重相 當於剛密度的三分之一，同時是優良的電熱導體，其物理特性如表2-1所示[8]。在 空氣中容易氧化形成厚度約20~25Å 的氧化膜，對表面加工處理有極大的影響，但 是有利防止內部氧化；選擇鋁及其合金的主要原因為擁有高單位重量強度比值， 耐許多化學物質的腐蝕、高導熱性以及無毒性。純鋁質軟極具延展性，但本身不 適宜單獨為構造材料，通常會加入Mg、Si、Zn、Cu等元素構為合金，鋁合金同樣 具有良好的延展及熱傳導性，重量輕、耐腐蝕性強，因此工業上應用十分廣泛， 為重要的輕合金之一，如交通運輸、食品工業設備、包裝材料、電子用品外殼等[9]。 表 2-1 純鋁之物理性質表[8] 性質. 成份 (99.996% Al). 原子量. 26.98. 比重 (20℃)，g/cm3. 2.6989. 熔點，℃. 660.2. 熱膨脹係數，(20℃~100℃)，℃-1. 23.86×10-6. 熱傳導係數，(25℃)，cal/cm×S×℃. 0.46. 比熱 (100℃)，cal/g ℃. 0.2226. 晶格常數. a=4.0413 (埃). 比電阻 (20℃)，Ω-cm×10-6. 2.6548. 彈性率 kg/mm2×103. 6.0~7.0. 剛性率 kg/mm2×103. 2.5. 6.
(17) 2.1.2 鋁合金的分類 鋁可添加銅、鎂、矽、錳及鋅等元素組合成各種特性之鋁合金，其種類很多。 一般依照製造及成型方法不同，可分為鍛造用鋁合金(Wrought Aluminum Alloys) 及鑄造用鋁合金(Casting Aluminum Alloys)兩大類，如表2-2所表示[10][11]。 表 2-2 鋁及鋁合金之分類表[10][11] 純鋁 非熱處理合金 鍛造材. Al-Mn 系合金 (3XXX) Al-Si 系合金 (4XXX) Al-Mg 系合金 (5XXX) Al-Cu-Mg 系合金 (2XXX). 熱處理合金 鋁及其合金. Al-Mg-Si 系合金 (6XXX) Al-Zn-Mg 系合金 (7XXX) 純鋁. 非熱處理合金. Al-Si 系合金 (AC3A) Al-Mg 系合金 (AC7A). 鑄造材. Al-Cu-Mg-Si 系合金 (AC5A) 熱處理合金. Al-Mg-Si 系合金 (AC5A) Al-Cu-Si 系合金. 鋁及鋁合金的編號系統如同它們的製造方法一樣，區分為鍛造用與鑄造用兩 大類。所謂鍛造用鋁合金，意思是在高溫加工下成形後使用的鋁合金，其編號系 統如表2-3所示[10][11]。此編號是根據美國鋁業協會(American Aluminum Association)所制定的鋁以及其合金之編號系統，為現今世界各國所通用的規格。 本研究所使用的5052鋁合金以鍛造為主。鍛造用鋁及鋁合金的編號意義如下: 1.. 合金編號第一位數字表示合金系(合金的主要元素)。. 2.. 第二位數字，0表示為原來合金，其他數字即為不純物規定或是添加微量之元 素不同的改良合金。. 3.. 第三、第四位數字表示為不同的化學成分之合金識別，但對1XXX系列的該兩 位數字表示純度。例如1050表示該鋁純度99.50以上。. 7.
(18) 表 2-3 鍛造用鋁合金之種類表[10][11] 編號. 主要合金元素. 熱處理狀況. 1XXX. 鋁含量 99.00%以上. 非熱處理型. 2XXX. 銅(Cu). 熱處理型. 3XXX. 錳(Mn). 非熱處理型. 4XXX. 矽(Si). 非熱處理型. 5XXX. 鎂(Mg). 非熱處理型. 6XXX. 鎂(Mg)及矽(Si). 熱處理型. 7XXX. 鋅(Zn)及鎂(Mg). 熱處理型. 8XXX. 鋰(Li). 9XXX. 尚未定義. 2.1.3 鋁合金 5052 的介紹 5XXX系為非熱處理型鋁合金，其強化機構是由Mg元素的固溶效果及 冷加工導入的差排結構。鋁5052主要成分，如下表2-4所示。合金包括2.5%的Mg 以及0.27%的Cr，可進行退火及穩定處理(Stabilized Temper)。Mg非常容易固溶在 鋁中，在其共晶溫度451℃可溶14.9wt%。一般5XXX系鋁合金的Mg含量在0.5至 6.0wt%，因其尚含有少量之Fe、Mn以及Si等元素，對於Si和Mg形成是有利的；因 為在高鎂含量下的固溶是非常低。Mg的含量與材料強度有極大的關係，降伏強度 與抗拉強度隨著含量增加而變大，但拉長率卻下降。5052屬於加工硬化型之材料， 若有Al-Mg相析出反應，則需以防冷作硬化時發生時效硬化(Age-Softening)。5052 的液化溫度(Liquidus Temperature)為649℃(1200℉)；凝固溫度(Solidus Temperature) 為607℃(1125℉)；退火溫度(Annealing Temperature)為345℃(650℉)；熱加工溫度 (Hot-working Temperature)為260℃(559-950℉)[12]。 表 2-4 鋁合金 5052 之主要成份表 成分 Mg. Cr. Si. Cu. Zn. Mn. Fe. Al. 2.56. 0.27. 0.12. 0.07. 0.05. 0.03. 0.03. Bal.. 規格 5052. 8.
(19) 由於5052具有極佳的可加工性、抗腐蝕性，高疲勞強度以及銲接性，以往應 用多為油管、燃料箱、航空器油料裝置、壓力槽及車輛、航空、船舶等地方。近 來發現鋁導熱係數與散熱能力比一般金屬更好，以鋁作為基板材質散熱可以擁有 較佳的導熱性、電氣絕緣性能和機械加工性能亦可強化LED產品的散熱問題，因 此也大量的使用LED產業、車用電子及工業電子等，下面為導熱鋁基板使用鋁合 金5052的規格表2-5以及產品實體圖2-1。. 表 2-5 導熱鋁基板規格表 基層種類. 材質. 規格. 金屬層. 鋁(5052). 1.0, 1.5, 2.0mm. 導熱絕緣層. 環氧樹脂+導熱填充料. 80,150μm. 線路層. 銅箔. 35μm, 70μm, 105μm. 圖2-1 導熱鋁基板產品實體圖. 9.
(20) 2.2 Nd:YAG 雷射原理與系統 雷射(LASER)，全名為「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」， 是以受激輻射（Stimulated emission）方式將光能量放大的現象，也可以說是一種 將電能轉換成功能的震盪放大裝置。是不存在於自然界的特殊性能光線，為一種 相當優秀、可用性極高的光能。由於雷射具有同相位、單一頻率以及高強度等特 性，在經過光學系統聚焦後變成為一狹窄且能量密度高的光束。依使用介質之不 同可分為：固體雷射、液體雷射及氣體雷射。而最常應用於微製造的兩種雷射為 以放電方式激發的CO2雷射，以及以光學激發方式的固體雷射，(如Nd:YAG；摻銣 釔鋁石榴石)。雷射加工屬能量束加工的一種，是利用雷射光優秀的指向性和高輸 出性，若以透鏡等光學系將雷射光集束，則焦點的功率密度很高，材料在焦點時 吸收雷射而加熱成高溫，在瞬間蒸發或熔融，亦即將材料局部加熱進行非接觸性 加工，可用於各種材料的微細加工。. 2.2.1 雷射原理 自從愛因斯坦在1917年首次提出「誘發雷射」（Induced radiation）原理後， 1954年Townes氏以氨氣成功發展出強大的微波，當時稱之為鎂射（Maser），其波 長較可見光長； 1960年Maiman博士利用紅寶石產生人類第一道雷射光；1961年 Javan導出氦氖雷射原理，其產生介質屬於氣體雷射，具有不斷連續放射的特性； 不久後，1964年即發明Ar離子雷射與CO2雷射。現今雷射的應用範圍廣泛，在醫 療用途、軍事用途、工業用途、科學研究以及一般民生用品都會應用到雷射。[13] 雷射光原理產生的原理，必須先從原子構造來描述。宇宙中所有物質都是由 原子組成，原子的中心是原子核，由中子與質子所組成，在原子核外圍則有電子。 這些電子會處在固定的能階上，在不同能階上電子所帶的能量就不同。電子可以 藉由吸收或是釋放能量由本來所在的能階躍升到另一個能階，電子可能從高能階 跳到低能階並釋放出高階與低階的能量差；另外電子也可以從低能階躍升到高能 10.
(21) 階，只是在這些過程中必須受到外界所給予的能量。從形式上來區分可以分為三 種：分別為受激吸收過程、輻射過程、受激輻射過程。接下來可以利用圖2-2簡單 的原子模型來說明。 一、受激吸收過程：處於低階的電子自發性吸收光子能量躍升到高能階。 二、輻射過程：處於較高階的電子自發性的放出光子，且過程中不受外界影響。 三、受激輻射過程：處於較高階的電子，在外界刻意給予光子的作用下，則會被 迫釋出一個波長與光子相同的能量，而本身則躍降到低能階。. 圖2-2 （a）受激吸收過程（b）輻射過程（c）受激輻射過程. 2.2.2 雷射光的特性 一般光源的方向角是360度，雷射光源可以達到十分之一度左右，雷射光源和 一般光源比較，在其雷射具有四個特殊的基本性質：高純色性、高平行度、高強 度性、高相干性，以下將作探討並舉出這四種特殊性質之應用，見表2-6所示。 一、高純色性：一般光源都是有多種光源所組成，是多種波長組合成的波帶輸出； 而雷射是發出頻寬極窄且接近單一頻率的光，使雷射光容易聚焦。 二、高平行度：表示雷射光的發散角很小，約千分之一弧度左右，優點在於經過 遠距離的傳送後，雷射光束的直徑改變不大，非常適合用於通訊，也稱為高 方向性。 三、高強度性：光源強度指光源在單位面積下、單位立體角所發出的功率。普通. 11.
(22) 級的氦氖雷射其強度就可以比太陽表面的光強百倍以上；高功率脈衝固體雷 射其強度可是太陽表面光強度的幾千億倍以上。 四、高相干性：由於雷射光的頻寬寬度只有千分之幾個Å ，因此光子之間的相位關 係相當穩定，可以維持數十公里。 表 2-6 雷射四種特殊性質之應用 雷射特性. 應用範例. 高平行度：直線前進. 光筆、光路筆直、測距. 高純色性：單一頻率. 醫療手術、鋼板切割、銲接、軍事武器. 高強度性：能量集中. 探測信號. 高相干性：連續相位. 干涉、繞射精密量測、全像術. 2.2.3 雷射的種類 自從1960年雷射被發明後至今約有數百種雷射。大致分類如下： 一、以雷射的媒介來分類：有固體、液體及氣體來誘發雷射。 二、以雷射的波長來分類：從紫外線到紅外線的領域內均有。 三、以雷射的功率區分：從mW到kW輸出的雷射產生器。 固體雷射的種類分為玻璃與晶體兩大類。雷射晶體有ND：YAG與Cr：紅寶石 雷射；玻璃雷射則是Nd：Glass雷射，在銲接作業時必須要有安定的雷射產生器來 產生大輸出功率，適合此條件有固體雷射與氣體雷射兩種，常用雷射如紅寶石雷 射、ND：YAG雷射以及CO2雷射，如表2-7。. 12.
(23) 表 2-7 雷射的種類 雷射的種類 固體雷射. 氣體雷射. 項目 Nd：YAG. Nd：YAG. Ruby （連續式）. （脈衝式）. CO2. 波長（μm）. 0.694. 1.064. 1.064. 10.6. 連續波（cw）. 否. 是. 否. 是. 平均功率(w). 10-20. 0.04-600. 0.04-600. 50-25000. 銲接上使用. 是. 是. 是. 是. 切割使用. 否. 是. 是. 是. 2.2.4 雷射基本要素 本研究使用的雷射為脈衝式Nd:YAG，如圖2-3所示。主要組成元件激發機構、 雷射介質以及共振器三部分。激發機構主要是提供外在能量，將雷射介質使較低 能階的電子激發到較高能階上，以便產生雷射；雷射介質必須能產生受激輻射的 現象外，還必須被激發成粒子數反轉分佈，目的就是使介質釋放的光子比介質吸 收的光子還多；共振器主要是使受激輻射過程後，所產生的光子在其內部，沿著 一定的方向來回地通過雷射介質，使受激輻射過程無數次進行，可以瞬間獲得大 量同一特性的光子[14]。. 圖2-3 脈衝式Nd:YAG雷射器組成元件示意圖[14] 13.
(24) Nd:YAG雷射採高壓、高強度脈衝光激發晶體，其中實際引起雷射者為Nd3＋ 離子。釹(Nd)元素的電子組態為4d104f45s25p66s2，經光泵浦照射，吸收能量激發後， 會形成四能級的躍遷系統，如圖2-4，四能階中壽命較長的亞穩態所產生的受激輻 射波長恰為1.064μm。而其他能階的躍遷由於能階壽命過短無法形成粒子反轉，輻 射強度低於閥值反轉密度，所輻射的光會被共振腔內的介質所吸收，因此不至於 有其他波長的光被輸出，所獲得的光束便具有相當高的單色性[13]。. 圖2-4 Nd:YAG雷射為四能級躍遷系統圖[13] 本實驗所採用形式為二維成像系統的雙橢圓柱型聚光腔，內部包含兩支燈管， 分別位於兩橢圓腔體的外側焦軸，所聚焦形成的成像位置恰好在中間的雷射棒上。 光泵浦所發出的光源，便可有效地聚集在雷射晶體上，誘導粒子數反轉，產生受 激輻射過程，再由光學共振腔放大輸出。整個過程如圖2-5[14]。. 圖2-5 雷射形成過程圖[14] 14.
(25) 2.2.5 Nd:YAG 雷射之機構 雷射係一種利用高能量密度光束進行銲接之加工製程，和電子束銲接（EBW） 類似，兩者皆屬於高功率、高能量密度之精密技術。使用的差別上電子束必須在 真空環境下操作，而雷射可以在大氣中進行。圖2-6為雷射示意圖[14]。. 圖2-6 雷射示意圖[14] 由於雷射銲接其光束具有高能量密度能沿著深度方向均勻分佈，能輕易將銲 道融透。當雷射功率密度達到106W/cm2以上，會使金屬表面產生高壓金屬蒸汽會 在熔融金屬中形成鑰孔（Key hole）效應；當功率密度小於106W/cm2則會形成傳導 式銲接，如圖2-7所示[14]。. 圖2-7 傳導式與鑰孔式銲接示意圖[14] 15.
(26) 2.2.6 雷射之控制參數 在諸多雷射參數中，依使用設備不同，能調整與改變的參數也有不一樣的限 制，所控制的參數如脈衝能量、脈衝頻率、脈衝形式等。圖2-8所表示，脈衝式雷 射器的能量輸出模式與參數種類[15]。. 圖2-8 脈衝式雷射器的能量輸出模式圖[15]. 一、雷射輸出功率 為重要的參數，功率的大小直接影響材料的深度、寬度，雷射功率密度需要 高於最低限閾值(Thewshold)，但是過高又會使表面過於粗糙，甚至出現龜裂情形， 其輸入的熱量不同，會影響過程中是否產生缺陷[16]。雷射輸出能量須配合光學聚 焦系統的聚焦程度，產生不同的密度[17][18]。. 二、脈衝頻率 指單位時間內雷射射出的脈衝次數，單位為Hz。Eric Sicard的研究中表示，雷 射的脈衝頻率，將會影響深度以及氮化的效果，如圖2-9表示[19]，同時也是決定 重疊率與熔深的主要因素之一。. 16.
(27) 圖2-9 雷射脈衝與深度、氮化程度的關係圖[19]. 三、脈衝寬度 一般雷射銲接的脈衝時間約在1ms 至10ms 之間，脈衝時間會影響到材料的入 熱量。在相同參數下，改變脈衝時間會有不同熔深。一般脈衝寬度越短則銲點真 圓度越高；相反的脈衝寬度越長，銲點真圓度越差。. 四、峰值功率 使用Nd:YAG脈衝式雷射時，在開始瞬間會激發出具有數kW之脈衝峰值功率 (PK)。此具有高功率、高能量密度的光束會迅速將母材加熱至熔點以上，整個光波 會穿透到與銲深幾乎相同之深度，最後再利用其餘的能量將銲點繼續熔化擴大。 因此峰值功率的大小也是影響深度主要的因素。若改由固定峰值功率大小，增加 脈衝總能量，雖可提高深度，但影響較不明顯。而且會因總能量增加，融熔金屬 不穩定流動，有氣化、空洞的現象產生[20]。. 五、聚焦深度與聚焦點 從雷射輸出的平行光，其強度的橫截面並非均勻一致的，而是中心強度最高， 外緣較低的高斯分佈（Gaussian distribution），透過光學透鏡聚焦成較小直徑的光 17.
(28) 束，以獲得較大的能量密度。聚焦光點的大小(d)由波長和物鏡的數值孔徑 （Numerical aperture）所決定，參考圖2-10[14]。. 2 z (depth of focus). D Optical Axis d (spot diameter) f Focal Plane. 圖2-10 雷射光的聚焦示意圖[14]. 則光點大小. 其中. d 0.61. NA n sin ~. 聚焦深度 z. NA. 公式2-2.1. n D 2f. z ~ 0.6. 公式2-2.2. NA2. 公式2-2.3. 假設物鏡的數值孔徑為NA，雷射波長為λ，則短焦距(f)或短波長(λ)所聚焦的 光點小則聚焦深度短，熱量集中，適合較小較薄零件之銲接。欲提高雷射光密度， 可採用短焦距透鏡，如圖2-11表示[14]。本研究聚焦位置取在表面，使熱量集中， 直接對鋁合金表面進行雷射氮化。. 18.
(29) 圖2-11 雷射聚焦位置示意圖[14] 六、保護氣體 根據文獻表示，雷射氮化時所使用氣體為氮氣、氨氣或是氮氣加氫氣[2、21]， 每種氣體都有不同的特性，對於氮化的程度也有所差異。本次雷射實驗中使用到 氮氣、氨氣，以兩種氣體作為比較，再以相同的吹氣角度，進行雷射氮化實驗， 期望達到所需要的氮化層厚度，以及減少晶格缺陷等問題。. 七、雷射重疊率 (Overlap) 由於重疊率必須衡量雷射器的輸出性能、雷射光束的擴束程度、工件銲點尺寸、 以及加工的速度限制，因此重疊率並無法由單一因素加以設定。一般計算方式通 常以直徑為基礎，利用單一銲點直徑與下個銲點重疊的比例情況來估算，如圖2-12 所示，其公式如下[22]：. Overlap %,PER＝. PER：搭接率； TF：脈衝時間(脈衝頻率倒數)； TP：脈衝經歷的時間； V：銲接走速； W：銲點直徑。 19.
(30) 圖2-12 脈衝式雷射銲點重疊率示意圖[22]. 2.3 雷射氮化 陶瓷材料擁有高強度、耐腐蝕、抗氧化、低密度、高熱傳導率、低膨脹係數 及絕緣特性等優點，如果能使此材料增加在鋁或是鋁合金的表面上，提高鋁表面 的硬度以及熱傳率，甚至達到絕緣的特性，能使鋁合金的用途更廣泛。 傳統的氣相沉積法、氣體滲氮、離子氮化等技術也用於製備氮化層，但所需 要處理的時間週期過長、滲氮層組織難以控制，且需要對工件持續高溫加熱等缺 點；而脈衝式雷射氣體氮化，由於氮化時間短，可以在小區域內進行氮化處理、 氮化過程可控，所製作出的氮化層與基材結合牢固、材料不易受熱變形，且製作 所需時間短，氮化層的厚度可達到幾微米，甚至能在非真空下直接使用保護氣體 製作[7]。是目前新興的一種新氮化技術，因此國外對此新興的技術已投入不少研 究。. 20.
(31) 2.3.1 雷射氮化之原理 雷射氮化是將雷射光束聚焦到金屬表面上，同時控制氣體在工作範圍內，當 雷射脈衝至金屬表面時，溫度瞬間達到1eV，使金屬表面液化、汽化，而在高溫下 與氮氣接觸，氮分子容易與鋁合金元素化合，溫度則在下個脈衝之前冷卻，生成 氮化物而形成氮化層，這個作用時間約幾百微米秒之內完成；當雷射脈衝能量達 到，會在金屬表面產生高壓金屬蒸氣，則金屬表面與氣體產生反應後，形成的新 的氮化層，如圖2-13所示[23]。. 圖2-13 脈衝式雷射氮化過程概要圖[23] C. Meneau等人[24]在1998年利用雷射氮化在重疊率90%的情況下，成功製作出 的氮化鋁層，所製作出的氮化鋁層，擁有極佳的耐磨性，適合用在各種汽車、飛 機引擎外殼，增加使用壽命。隨後Eric Sicard等人[25]，利用準分子在90%重疊率 下，進行雷射氮化，製作出200奈米厚的氮化鋁層，並且提出起始雷射功率需要高 於最低限閾值，且能量越大製作出的厚度就越深；但若是雷射功率過大，則反而 增加鋁表面的粗糙度，會使後續還得多一道加工手續。T.M. Yue等人，則在2005 年使用Nd:YAG在重疊率50%下，進行雷射氮化，在鋁合金7075的表面上，獲得300 微米厚的氮化鋁層，並且與基材完整的結合，同時也達到耐腐蝕的效果[21]。. 21.
(32) 2.3.2 雷射氮化之優點 1.. 高能量密度、速度快，製備時間短，而且無須添加塗料。. 2.. 氮化層與基材能牢固結合，且厚度可達到幾百微米。. 3.. 熱影響區因熱輸入量低而較為狹窄，避免材料發生收縮與變形。. 4.. 可直接在大氣中進行，材料使寸不受到設備上的限制。. 5.. 透過聚焦鏡集中光束，因此定位精準，搭配自動化系統，可以準確的控 制空間操作。. 6.. 雷射汙染較小，材料氮化過程較清潔。. 2.4 氮化鋁的特性及熱傳導原理 2.4.1 氮化鋁的特性 氮化鋁屬於共價鍵化合物，六方晶形,纖維鋅礦型結構，晶格常數a0 =3.111Å， c0=4.980Å，基本結構是以一個鋁原子為中心，周圍環繞四個氮原子堆疊而成的變 形四形體，其中除了<001>方向的鋁-氮鍵較長外，其餘三個鋁-氮的鍵長相等，如 圖2-14所示[26]。晶體呈白色或灰白色，密度為3.26g/cm3，無熔點，在2450℃昇華， 熱硬度很高，即使在分解溫度前也不軟化變形。. 圖2-14 氮化鋁結構示意圖[26]. 22.
(33) 在2000℃以內的非氧化性氣氛中具有良好的穩定性，其室溫強度雖不如氧化 鋁，但高溫強度比氧化鋁高，通常隨溫度升高，強度不發生變化，熱膨脹係數比 氧化鋁低，但導熱率是氧化鋁的2倍，因此氮化鋁具有優異的抗熱震性；還有許多 優異的特性如化學穩定性高、機械強度高，不但能應用在半導體上作為絕緣層與 封裝材料使用，也是積體電路構裝得最佳材料之一[27]。它的基本性能如下表 2-9[28]。 表2-8 氮化鋁的物理與化學特性表[27]. 2.4.2 氮化鋁的熱傳導原理 氮化鋁的眾多特性中，以高熱傳導最受注目，因此關於氮化鋁的熱傳導率， 國內外都已做了大量研究。氮化鋁為共價鍵化合物，其本身為絕緣體，晶格中沒 有自由電子，因此不存在電子散射，其主要是藉由晶格的震動來傳遞能量。將晶 格震動之彈性波比擬為聲子(phonon)之運動，並以其材料中兩次折射間所走之平均 距離稱為平均自由路徑(λ)。熱傳導率和平均自由路徑之關係可由2-1式表示[29]。. 23.
(34) k=c．v．λ/3 k : 熱傳導率。 c : 單位體積材料之比熱。 v : 聲子之速率。 λ : 平均自由路徑。 從2-1式可以看出，氮化鋁的熱傳導率K與聲子的平均自由路徑λ成正比，當平 均自由路徑高時，則聲子在材料中運動所受到的阻礙較小，熱傳導率也相對提高。 當陶瓷材料中存在缺陷時，會降低平均自由路徑，因而導致材料的熱傳導率降低。 氮化鋁的熱傳導率理論上可以達到320W/(m．K)，但是由於氮化鋁缺陷，如晶 格中的缺陷、空位、晶界、孔洞、雜質原子等原因。在Watari等的研究結果顯示， 有晶格的缺陷存在，在低溫時熱傳導率會隨著溫度增加而增加，在達到約300K時 為最高熱傳導率，之後隨著溫度增加而下降，其熱傳導率與溫度的關係如圖 2-15[30]。. 圖2-15 氮化鋁的熱傳導率與溫度間之關係圖[30] 主要原因是鋁在空氣中容易氧化，表面形成氧化鋁(Al2O3)薄膜，氧容易進入 氮化鋁之晶格中並取代氮的位置，形成鋁金屬空位(vacancy)[31]，使聲子發生散射； 同時氧所造成的空位，會使聲子的散射截面增大，導致氮化鋁基板熱傳導率下降。 另外材料中的雜質或製作過程中之汙染都是造成晶格缺陷的原因[32][33]。由於缺 陷所造成的問題，使得氮化鋁實際上熱傳導率約下降為200W/(m．K)。因此如何因 應與降低晶格缺陷，提升氮化鋁熱傳導率，為氮化鋁製作的主要關鍵。 24.
(35) 2.5 田口方法 二次大戰後日本工業產品的品質形象並不好，因此日本人亟思改進之道。於 是日本電信實驗室進行一計畫致力改良日本的電信通訊系統，當時田口玄一 （Genichi Taguchi）博士於研發部門中負責提高生產力的工作。就在這個時候田口 發展了他所謂的品質工程的基本原理。田口方法發明至今，已受到全世界工業界 和學術界的肯定和遵崇，至今已得過四次戴明獎。田口方法是一種用來改善品質 的工程方法，在日本稱為品質工程（Quality engineering），而在西方國家稱之為 田口方法（Taguchi method）或穩健設計（Robust design）。至今，利用田口方法 成功改善的廠商以超過數萬家，其中包括日本豐田汽車、日本精工舍、美國全錄 （Xerox）以及福特汽車等。而台灣要邁入已開發國家，化工、紡織、機械、電子 以及半導體產業先後利用田口方法來改善生產品質，如今已有豐碩的成果[34]。. 2.5.1 品質的定義 田口博士認為一個產品的品質定義為『指產品出廠後帶給整個社會（包括製 造商、消費者以及社會大眾）的損失，並稱為品質損失（Quality loss），越少的品 質損失代表越高的品質』。由此觀念提供了下面三個有效工具，作為研究開發人 員的參考準則。 一、損失函數：做為評價品質之水準，且以金錢為單位可和成本作比較。 二、參數設計：不增加製造成本下，利用因素之非線性的影響而使得特性的偏差 減少之設計方法（又稱二階段設計）。 三、允差設計：使用變異數分析（ANOVA）以了解各因素之影響程度，配合要因 之成本，進而設定各因素之公差，以獲得最適品質[35]。 其中以參數設計最能見效，能在有限的開發時間內使產品設計人員，全力改 善成本、品質、交貨日期上的問題，以期達到競爭力。其中要能達到技術三要素 [36][37][38]： 25.
(36) （一）、先行性：在產品企畫之前，對於產品機能提供給設計人員充分的預測。 即在產品設計之前，先行技術開發研究。 （二）、泛用性：為改善特定產品或生產方法而作之研究，因多數產品為商品群， 若一一研究對開發人員造成很大的困擾。若能開發出一製程只需修改其中的參數， 就可以達到不同產品的設計。 （三）、再現性：在實際生產時的最適設計下的產品在開發完成後，產品能即時 導入市場或現場，使得工作現場與實驗室所獲得的品質能夠一致。. 2.5.2 品質特性的內涵 品質特性是田口方法中用以評估產品品質的測度（Measure），其特性可以區 分為靜態（Static）與動態(Dynamic)。 一、靜態特性（目標值固定） （一）、計量特性（Measure Characteristic）：能以連續尺度測量者。 1.望小特性（Smaller-the-better）：產品的品質特性越小越好，目 標值為非負趨近零，如磨耗、有害成分、真圓度、噪音的音量。 2.望大特性（Larger-the-better）：產品的品質特性越大越好，目標 值為無窮大且非負，如抗拉強度、熱處理後度、壽命等。 3.望目特性（Nominal-the-better）：當產品的品質特性為一特性目 標，如尺寸、壓力。 （二）、計數特性（Attribute Characteristic）：不能以連續尺度測量者。 二、動態特性。 在輸入與輸出之間存在著一個函數關係為其理想時，我們稱他為動態特性。 以汽車為例，為提高車速而踩加速裝置，由於加速裝置而使車速變化，輸入則是 加速裝置的踏板。踩踏板的距離與車速之間，存在一個比例關係。 動態特性的種類可區分為：零點比例式、基準點比例式及一次式。輸入與輸出之 26.
(37) 間的函數不相同，其SN比求法亦不同。 （一）、零點比例式：特性值會通過原點，即以信號零為校正基準。如：游 標卡尺、體重機。 （二）、基準點比例式：特性值會通過某個基準點，即有一標準元件作為校 正用，此特性值不一定會通過原點。 （三）、一次式：特性值一定不會通過原點，但會和特性軸（y軸）有一交點。 如色彩調整鈕。. 2.5.3 參數分類 對於任何一個產品與製成，設計者可以先繪出參數圖，如圖 2-3.1，將會影響 特性值的因素納入考慮。 一、. 控制因素：為了接近理想機能的目標值，設計者能自由選擇控制因素的中 心值與水準數，以求得最適之特性值。如：尺寸、材質、時間、電壓、速 度等因素。. 二、. 信號因素：輸入 M 與輸出 y 間有函數關係為其理想，且輸入 M 可以容易調 整，則輸入 M 稱為信號因素（在動態特性才會考慮使用）。如輸入電流、 頻率、汽車煞車踏板距離等。. 三、. 誤差因素：產品惡化、環境及人為偏差之影響，而導致理想機能產生偏差。 此因素是不容易控制或是必須花費高成本控制的參數，但可以在實驗室裡 模擬並可以取其水準影響。如環境溫度、濕度變化、磁場影響。. 2.5.4 信號雜音比 (SN 比) 在電子通信的領域中，以信號強度S與雜音N的比值，定名為SN比，用來顯現 此通信訊號的優劣。其原始定義為S/N＝PS/PN，其中PS為信號強度，工程人員希望 此值越大越好；PN為雜音強度，此值希望越小越好。在田口方法中，田口博士以 27.
(38) 品質損失為基底，SN比越大表示品質損失越小，因此SN比挑選極大化的原則就能 找出產品品質損失最低的因素水準組合[39][40]。 一、望小特性之SN比計算公式：. 10 log10 2. 公式2-1. 其中 為SN比的值，單位為分貝（dB）. 1 n. n. 2 yi 2 i 1. 公式2-2. n為個數，yi為測量值 二、望大特性之SN比計算公式. 10 log10 2. 公式2-3. 其中 為SN比的值，單位為分貝（dB）. 2 . 1 n 1 n i 1 yi 2. 公式2-3. n為個數，yi為測量值. 三、望目特性之SN比計算公式. 10 l o g10[. 2 ] 2. 公式2-5. 其中 為SN比的值，單位為分貝（dB）. 1 n yi n i 1. 公式2-6 28.
(39) 2 . n 1 ( yi u ) 2 n 1 i 1. 公式2-7. 其中n為同組實驗個數，yi為回應值，μ為回應值平均值函數。 將望目、望小及望大特性三種特性值整理後，可得表2-9。. 表 2-9 SN 比歸納表 問題型態. 觀察值之範圍. 望小特性. 0 y. 望大特性. 0 y. 理想值. SN 比. 0. 10 log10[ yi 2 ]. 1 n. 1 n. 0 y. i 1. n. 10 log10[ . . 10 log10[ 望目特性. n. 非零、有限. i 1. 1 ] yi 2. 2 ] 2. 1 n yi n i 1 n 1 2 ( yi u ) 2 n 1 i 1. 2.5.5 直交表（Orthogonal attay） 在田口方法中直交表為參數設計的主要工具。使用直交表可以檢查產品在下 游的再現性，在實驗室的條件下進行改善研究時所獲得的最適水準組合，在下游 大規模生產條件是否達到所要的需求。所以在日本主要是以實物設計，並已實際 製程與生產方法來進行研究，使其再現性良好。而且使用直交表有下面幾個好處： 一、實驗次數較少。 二、由直交表實驗所得之結論，在整個實驗範圍裡都是成立。. 29.
(40) 三、有良好的再現性 四、分析簡單。各因素的效果只要簡單的計算平均值就可以得到。 五、可以用來檢核各因素的效果與總效果是否相同。 C. 田口博士將直交表的表示法定為La( b )，L代表方格、a代表實驗次數（直交 表之列數）、b代表各因素之水準數、c代表因數個數。若使用L4（23）之直交表， 只需作4次實驗；若使用排列組合要得到最適參數則必須作8次的實驗（三個因素 兩個水準需一一搭配）。如表2-10及2-11所示。 表 2-10 兩個水準排列所需的實驗次數表 次數. A. B. C. 結果. 1. 1. 1. 1. y1. 2. 1. 1. 2. y2. 3. 1. 2. 1. y3. 4. 1. 2. 2. y4. 5. 2. 1. 1. y5. 6. 2. 1. 2. y6. 7. 2. 2. 1. y7. 8. 2. 2. 2. y8. 表 2-11 使用 L4（23）直交表所需之實驗次數表 次數. A. B. C. 結果. 1. 1. 1. 1. y1. 2. 1. 2. 2. y2. 3. 2. 1. 2. y3. 4. 2. 2. 1. y4. 30.
(41) 直交表的型態分為兩水準系列、三水準系列、主效果行及混合型。 一、兩水準系列有：L4（23）、L8（27）、L16（215） 二、三水準系列有：L9（34）、L27（313） 三、主效果型：L12（211） 四、混合型：L18（21 X 37）、L36（211 X 312） 在眾多的直交表中各因素間存在交互作用，所以當要作因素間的變更時，應 當注意因素間的交互作用。. 2.5.6 數據解析與分析 經過實驗後取到不同特性值，根據我們所需的品質特性（望小或望大特性） 進行 SN 比計算。計算後製作 SN 比補助表與補助圖，找出最適因素與水準值與重 要因素排序。 找到最適因素與水準此時再進行一次『確認實驗』，主要是確認所選的最適 條件是否具有再現性。通常都使用『半要因推定』作為最適條件的推估，若有再 現性則可認為此最適條件能在市場（工廠）中，達到品質目標。一般不使用全要 因推定，因為全要因推估的的值太過理想，對品質工程並無太大助益。 田口方法中，當推估現行條件與最適條件之增益值與實際確認實驗中現行與 最適條件之增益值，兩者差異越小，表示其再現性越高。其差值超過 30％以上， 即代表實驗再現性不佳。若推估與確認實驗增益值之差小於 30％以下，此最適條 件在量產的工廠中，其目標品質能夠再現[41]。. 2.5.7 變異數（ANOVA）分析 變異數分析（Analysis of Variance）主要是運用統計的分法來判斷每個因素對 實驗的影響，進而瞭解哪些因素主要影響實驗的成果。變異數分析如表 2-12。. 31.
(42) 表 2-12 變異數分析表 自由度 Df. 變動 S. 變異數 V. 純變動 S’. 貢獻率 ρ. DfA、B、C. SA、B、C. VA、B、C. S’ A、B、C. ρA、B、C. e. Dfe. Se. Ve. Se’. ρe. 總和. TDf. ST ’. SeT’. 100%. 要因 A B C. 一、. 自由度（Df）：一般而言要因的自由度等於其水準數減 1。. 二、. 變動（S）：某一實驗之數據減掉平均值後的平方總和。. SA＝. nr n y y 2 L n 1. 公式 2-8. 其中 n 是代表幾組實驗，r 代表幾個實驗數據，L 代表 A 因素的水準數。. n. ST’＝ i 1. 三、. r. y j 1. 2 ij. n r . y. 2. 公式 2-9. 變異數（V）：不論因子水準平均數是否相等，變異數的隨機誤差是不偏 估計值。. V＝. S Df. 四、. 公式 2-10 純變動（S’）：由一因子所引起的變異包含某些誤差量。. S’＝S–(Df х Ve) 五、. ρ＝. S' ST ’. 公式 2-11. 貢獻率（ρ）：用明確的數據來顯示要因的重要性。. х 100％. 公式 2-12 32.
(43) 第三章 研究設計與實施 本研究目的為探討氮化鋁層製作參數與其特性，依照研究目的與文獻分析的 結果，建立起研究架構，並直交表來設計實驗參數，經由實驗設計找出雷射氮化 的製程與參數。蒐集資料後進行分析，以獲得充分且有效的實徵數據，有助於探 討鋁合金5052氮化層之特性。. 3.1 實驗設計流程 本研究的實施步驟依序說明如下，可參照圖3-1所表示： 1.. 蒐集相關文獻、期刊，資料整理及分析。. 2.. 確定研究題目、目的、方法，並建立研究架構。. 3.. 蒐集國內外有關雷射氣體氮化及其相關的文獻，並分析、整理。. 4.. 擬定研究計畫。. 5.. 準備實驗試驗材料及設備準備。. 6.. 透過直交表方法來設計實驗參數。. 7.. 進行雷射氣體氮化，分別填充反應氣體氮氣、氨氣。. 8.. 對製作出的組織層之金相組織觀察、SEM觀察、EDS、XRD、EPMA之定性定 量及成分分析。. 9.. 透過田口方法來設計參數，找出雷射氣體氮化的最適參數設計。. 10. 整理數據與資料分析。 11. 歸納結論並提出建議。. 33.
(44) 圖3-1 研究架構圖. 34.
(45) 3.2 前置實驗 3.2.1 實驗試片及前處理 本研究所採用的鋁合金5052，其主要材料成分如表3-1所示。實驗試片尺寸為 10cm×10cm×1mm板材。在進行雷射氮化前，先以先砂紙把鋁合金表面氧化層（Al2O3） 去磨除，並以丙酮除去表面油漬後，再使用超音波震盪清洗乾淨。清洗主要是避 免表面上所吸附的油汙、粉塵以及氧化物等雜質，提升氮化品質，避免造成晶格 缺陷以及干擾試片的測量等等。 表 3-1 鋁合金 5052 之主要成份表 成分 Mg. Cr. Si. Cu. Zn. Mn. Fe. Al. 2.56. 0.27. 0.12. 0.07. 0.05. 0.03. 0.03. Bal.. 規格 5052. 3.2.2 製作原理 圖 3-2 為實驗設備示意圖，首先將鋁合金板材放置在工作平面上，調整機械手 臂使雷射光束聚焦至鋁合金表面，導入反應氣體至自製的金屬罩內，確認反應氣 體以 45 度角吹至雷射聚焦處後，同時啟動機械手臂控制器及雷射控制器，進行雷 射氮化。當雷射的高能量密度聚焦至鋁表面時，表面瞬間產生液態金屬熔池，同 時因雷射產生的高溫，使氣體迅速分解生成原子狀的氮，原子狀態下的氮其反應 性很強，會立刻和鋁合金元素化合。氮原子則由鋁表面向內部滲透，氮化層因氮 原子擴散作用慢慢向鋁合金內部成長。當鋁合金從熔融狀態凝固下來時，形成表 面組織層和擴散層。隨著機械手臂的移動，使脈衝式雷射所產生的組織層達到所 需要範圍，機械手臂設定移動路徑如圖 3-3 所示。最後對製作出的組織層進行金相 組織觀察、SEM 觀察、EDS、XRD、EPMA 之定性定量及成分分析。再透過田口 方法來設計參數，找出雷射氣體氮化的最適參數設計。. 35.
(46) 圖3-2 實驗設備示意圖. 圖3-3 機械手臂設定移動路徑圖. 3.2.3 實驗設備裝置 本實驗在非真空狀態下使用採無預熱、無填料以ROFIN starweld 40W低功率 Nd：YAG脈衝式雷射銲接機搭配FANUC Robot LR Mate200i六軸機械手臂進行鋁 合金的雷射表面氮化，如圖3-4至3-7所示，並以氮氣、氨氣當作反應氣體，分別進 行不同雷射參數之氮化處理。脈衝式雷射氣體氮化流程圖，如圖3-8所示。 36.
(47) 圖3-4 FANUC Robot LR Mate200i六軸機械手臂圖. 圖3-5 六軸機械手臂控制器圖. 圖3-6 ROFIN starweld 40W雷射銲接機圖 37.
(48) 圖3-7 雷射氣體製作氮化鋁系統圖. 圖3-8 脈衝式雷射氣體氮化流程圖. 3.3 鋁合金雷射表面氮化之參數設計 為獲得銲接品質最佳的參數，參考文獻中提到影響鋁合金雷射氮化的參數例 如，雷射輸出功率、重疊率(所謂的重疊率是以雷射速度、脈衝頻率為主要因素)、 脈衝寬度、提供的氣體種類…等等的雷射氮化參數[2,9-12]。故本研究選定之實驗參 數如表3-2所示。主要參數為雷射功率、雷射速度、脈衝頻率、脈衝寬度。採用田 口方法，如表3-3、3-4、3-5所表示，來規劃主要因素與水準值，配合田口方法中 L9直交表，選定4個因素。用田口方法修正參數，可減少實驗次數，短時間內即可 38.
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