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        自動電鍍線拉片速率對引線框架鍍層微觀結構和釬焊性的影響

        2021-12-01 01:15:30王鋒濤萬海毅黃斌唐世輝蔡擎王宗元查五生
        電鍍與涂飾 2021年21期
        關鍵詞:鍍銅引線釬焊

        王鋒濤,萬海毅,黃斌,唐世輝,蔡擎, ,王宗元,查五生,

        (1.四川金灣電子有限責任公司,四川 遂寧 629000; 2.西華大學材料科學與工程學院,四川 成都 610039)

        近年來,隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,集成電路元件在各類工業(yè)領域中扮演著重要的角色,也加快了半導體芯片高密度封裝的技術革新。集成電路封裝是通過裝片、鍵合、塑封、固化等多道工序?qū)⑿酒庋b在引線框架上,以實現(xiàn)固定安裝、密封保護等作用,從而完成內(nèi)部芯片與外部電路的連接[1-2]。其中,裝片/鍵合是實現(xiàn)芯片/焊絲和引線框架具有良好擴散焊接性的關鍵步驟。因此,通常要求在引線框架表面做電鍍處理,使連接區(qū)域表面潔凈且具有較好的焊接活性[3-6]。鍍銅引線框架是目前應用廣泛的一種封裝材料。由于在電鍍過程中電鍍參數(shù)會直接影響鍍層的致密性、微觀結構等性質(zhì),并最終決定了焊接質(zhì)量,因此電鍍工藝的優(yōu)化研究對集成電路性能的穩(wěn)定具有重要意義[6-10]。

        本文在自動電鍍生產(chǎn)線上對銅基引線框架進行鍍銅,研究了不同拉片速率對基島(芯片承載區(qū))表面鍍層微觀形貌以及對Sn–Pb合金釬焊性的影響。

        1 實驗

        1.1 鍍銅工藝

        引線框架結構如圖1所示,基材為CuFeP合金,連續(xù)沖壓成形。采用全自動電鍍生產(chǎn)線鍍銅,電鍍前 進行除油、酸活化和水洗表面處理。鍍銅液為氰化亞銅和氰化鈉的復合溶液,電流約為30 A,溫度約為50 °C,拉片速率分別為8、10和12 m/min。

        圖1 Cu基引線框架Figure 1 Copper-based lead frame

        1.2 釬焊試驗

        采用質(zhì)量約為0.038 g的Sn–Pb合金球(含Sn 63%)作為釬焊焊料,將其置于鍍銅后的基島中間,隨后放于熱處理爐中,以8 °C/min的速率加熱至220 °C,保溫5 min,使球狀焊料熔化、鋪展,如圖2所示。測量鋪展區(qū)域最大直徑和最小直徑后取其平均值,以對比不同拉片速率下鍍層的釬焊性。

        圖2 釬焊性試驗示意圖Figure 2 Schematic diagram of brazability test

        1.3 微觀結構表征

        采用線切割方法將釬焊試樣沿基島縱向切開,獲取截面后進行冷鑲嵌制得試樣,并使用1500#、2000#砂紙以及拋光機對截面進行機械拋光。利用配備有能譜儀(EDS)的Inspect F50型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層表面和截面的形貌,分析其元素分布。

        2 結果與討論

        2.1 拉片速率對鍍層形貌的影響

        從圖3可看出,以8 m/min拉片速率電鍍的鍍層表面平整均勻,顆粒之間結合較為緊密,沒有明顯的凹坑和縫隙,EDS面掃描結果顯示Cu元素分布均勻。以10 m/min拉片速率電鍍的鍍層表面存在明顯 孔隙和層狀結構(如圖3b中白色虛線框所示),表明顆粒粘結不夠完整,鍍層致密性較差。當拉片速率提高至12 m/min,由于過快,而Cu離子來不及沉積和結晶析出,因此合金表面幾乎未形成明顯的鍍層。

        圖3 不同拉片速率下所得鍍層的表面SEM形貌和EDS譜圖Figure 3 SEM morphology and EDS spectrum of the surface of coating electroplated at different feeding rates

        2.2 拉片速率對焊點大小的影響

        進一步探究不同拉片速率下基島表面對Sn–Pb合金釬焊性的影響,如圖4所示。在自身重力作用下,熔融后的Sn–Pb球均能不同程度地鋪展在合金表面。結合表1可知,8 m/min拉片速率下焊點鋪展面積最大,12 m/min拉片速率下焊點鋪展效果最差。這說明良好的鍍層形貌有利于提高Sn–Pb合金的潤濕效果。

        圖4 不同拉片速率下鍍銅后相同質(zhì)量釬料焊點的形貌Figure 4 Morphologies of welding spots with the same amount of solder on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

        表1 不同拉片速率下鍍銅后焊點的平均直徑Table 1 Average diameter of welding spot on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

        2.3 拉片速率對焊點截面形貌的影響

        從圖5可以看出,不同拉片速率下Cu–Sn界面連接光滑,沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,說明焊料與基島表面具有較好的結合性。但是,相對于12 m/min,在8 m/min和10 m/min的拉片速率下,由于鍍層的存在,釬料與基島的結合界面更為平整,這為芯片粘接提供了更好的潤濕效果。

        圖5 不同拉片速率下鍍銅后焊點的截面形貌Figure 5 Cross-sectional morphologies of welding spots on lead frame island after being electroplated with copperat different feeding rates

        圖6為截面結合處附近的EDS能譜,譜線1為Cu元素的分布,譜線2為Sn元素的分布??梢钥闯觯珻u元素與Sn元素在截面的融合區(qū)發(fā)生了互擴散。10 m/min拉片速率下的互擴散融合區(qū)寬度約為4 μm,稍大于8 m/min拉片速率時的融合區(qū)寬度(約3.5 μm)。這主要是因為10 m/min拉片速率下所得鍍層的致密性較差,Sn液滲透后擴散界面更大。12 m/min拉片速率下基島表面沒有鍍層出現(xiàn),且存在較多孔洞,元素擴散深度更大。

        圖6 不同拉片速率下鍍銅后焊點截面的EDS譜圖Figure 6 EDS spectra of cross section of welding spot on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

        3 結論

        (1) 自動電鍍線的拉片速率顯著影響引線框架電鍍銅的效果。拉片速率越大,銅沉積時間越短,銅鍍層的致密性越差,但拉片速率過低會導致生產(chǎn)效率低下。

        (2) 在8 m/min的拉片速率下,基島表面鍍層平整,顆粒結合緊密,表現(xiàn)出較好的微觀結構特征,此時鍍層與Sn–Pb合金之間的釬焊性較好,焊點鋪展面積大,結合界面平整光滑。

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