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        銅基引線框架電鍍銅、銀的顯微結(jié)構(gòu)及可焊性

        2023-03-03 11:04:58王鋒濤萬(wàn)海毅黃斌唐世輝宋佳駿黃重欽劉薇欒道成查五生
        電鍍與涂飾 2023年3期
        關(guān)鍵詞:界面

        王鋒濤,萬(wàn)海毅,黃斌,唐世輝,宋佳駿,黃重欽,劉薇,欒道成,查五生,

        1.四川金灣電子有限責(zé)任公司,四川 遂寧 629000

        2.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610039

        21世紀(jì)以來(lái),電子工業(yè)已然成為信息化社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè),并且?guī)?dòng)了電子元器件相關(guān)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的高速發(fā)展。電子封裝是半導(dǎo)體集成電路(IC)制造的后段工程,也是實(shí)現(xiàn)芯片固定、保護(hù)和連接的關(guān)鍵工序[1-3]。引線框架作為芯片的重要載體,不僅起到固定、支撐芯片的作用,還承擔(dān)著散熱、功率分配、信號(hào)傳輸?shù)冉巧玔4-5]。為了實(shí)現(xiàn)芯片與引線框架之間的互聯(lián)性,通常要求基島(芯片承載區(qū))與焊錫(釬料)具有良好的焊接性。通過(guò)電鍍?cè)诨谋砻嬷苽淇珊感藻儗邮墙鉀Q這一問(wèn)題的主要方法[6-9]。在IC產(chǎn)品制造與封裝領(lǐng)域,常見(jiàn)的鍍層主要有銅系、鎳系和銀系,其焊接性存在差異[10]。因此,研究不同鍍層的焊接性對(duì)引線框架-芯片封裝技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

        本文在自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線上對(duì)銅基引線框架分別電鍍銅和銀,對(duì)比了Cu鍍層和Ag鍍層的微觀結(jié)構(gòu)及它們對(duì)SnPb合金的潤(rùn)濕性。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 電鍍工藝

        引線框架為CuFeP合金材質(zhì),通過(guò)連續(xù)沖壓成型所得。先依次進(jìn)行除油、酸活化和水洗,再采用全自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線鍍銅和鍍銀,電鍍部位如圖1中白色線框所示。

        圖1 Cu基引線框架及其待鍍區(qū)域 Figure 1 Areas to be electroplated on a copper-based lead frame

        鍍銅液的主要成分為氰化亞銅和氰化鈉,鍍銀液的主要成分為氰化銀和氰化鉀,電流密度分別約為3.6 A/dm2和1.5 A/dm2,溫度約為50 ℃。

        1.2 釬焊試驗(yàn)

        如圖2所示,采用質(zhì)量約0.019 g的含Sn 63%的SnPb合金球作為釬焊焊料,將其置于鍍Cu或Ag的基島中間,再一同放入熱處理爐中,以8 ℃/min的升溫速率加熱至220 ℃,保溫5 min,使球狀焊料熔化、鋪展。用游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)測(cè)量鋪展后焊料的最大直徑和最小直徑,求取它們的平均值作為焊料在鍍層表面的覆蓋直徑,以對(duì)比Cu鍍層和Ag鍍層對(duì)焊料的潤(rùn)濕性。

        圖2 釬焊試驗(yàn)示意圖 Figure 2 Schematic diagram of brazing test

        1.3 微觀結(jié)構(gòu)表征

        使用線切割機(jī)分別將鍍層和釬焊試樣沿基島縱向切開(kāi),對(duì)截面進(jìn)行冷鑲嵌,再用1500#、2000#砂紙和拋光機(jī)對(duì)截面進(jìn)行機(jī)械拋光,接著采用FEI Inspect F50掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層的表面和截面形貌,并用其配備的能譜儀(EDS)分析鍍層的元素分布。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同鍍層的微觀結(jié)構(gòu)分析

        從圖3可以看出,Cu鍍層在外觀上與基材基本一致,Ag鍍層則呈白色。從圖4可以看出,與裸銅基體相比,電鍍后基島表面覆蓋了一定厚度的Cu或Ag,結(jié)合EDS面掃結(jié)果可知兩種鍍層元素分布都很均勻。Cu鍍層表面較粗糙,存在微裂紋和孔隙,表明Cu鍍層的致密性較差。相反,Ag鍍層表面光滑細(xì)膩,無(wú)裂紋和孔隙,致密性良好。

        圖3 銅基引線框架分別鍍Cu(a)和鍍Ag(b)后的照片 Figure 3 Photos of copper-based lead frame after being electroplated with Cu (a) and Ag (b), respectively

        圖4 銅基材(a)、Cu鍍層(b)和Ag鍍層(c)的表面形貌和EDS面掃結(jié)果 Figure 4 Surface morphologies and EDS mapping results of copper substrate (a), Cu coating (b), and Ag coating (c)

        從圖5a可以看出,鍍銅后的截面平整連續(xù)且元素分布均勻,基體和Cu鍍層之間沒(méi)有明顯的界面,表明兩者之間的界面結(jié)合良好。從圖5b可以看出,Ag鍍層的厚度約為3 μm,且與基體間的結(jié)合界面平整、連續(xù),沒(méi)有出現(xiàn)斷層和縫隙,表明電鍍效果良好。

        圖5 Cu鍍層(a)和Ag鍍層(b)的截面形貌和EDS線掃結(jié)果 Figure 5 Cross-sectional morphologies and EDS line scanning results of Cu coating (a) and Ag coating (b)

        2.2 不同鍍層的焊接性分析

        2.2.1 對(duì)釬料的潤(rùn)濕性

        通過(guò)釬焊試驗(yàn)進(jìn)一步探究了不同鍍層對(duì)SnPb合金的潤(rùn)濕性,結(jié)果如圖6所示。加熱熔融后的釬料在Cu鍍層和Ag鍍層表面均有一定程度的鋪展,但鋪展程度有差別。Cu、Ag鍍層表面的焊點(diǎn)平均直徑分別為3.19 mm和3.76 mm,即釬料在Ag鍍層表面的鋪展面積大于在Cu鍍層表面的鋪展面積,說(shuō)明Ag鍍層對(duì) SnPb合金的潤(rùn)濕效果優(yōu)于Cu鍍層。

        圖6 Cu鍍層(a)和Ag鍍層(b)表面釬料的焊點(diǎn)狀態(tài) Figure 6 Appearance of solder joints on Cu coating (a) and Ag coating (b)

        2.2.2 焊接界面的截面形貌

        從圖7可知,無(wú)論鍍層存在與否,Cu(或Ag)與Sn之間均表現(xiàn)出了良好的界面結(jié)合,界面沒(méi)有縫隙存在,說(shuō)明焊料在基島表面的擴(kuò)散焊接性較好。但是與裸銅焊接相比,由于鍍層在釬料和基材之間起到了一定的潤(rùn)濕效果,電鍍Cu或Ag之后的基島與焊料之間的結(jié)合界面顯得更加平整光滑,表現(xiàn)出更好的焊接性。

        圖7 銅基材(a)、Cu鍍層(b)和Ag鍍層(c)表面焊點(diǎn)的截面形貌 Figure 7 Cross-sectional morphologies of solder joints on copper substrate (a), Cu coating (b), and Ag coating (c)

        從圖8可以看出,Cu、Sn元素在界面附近的一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出緩慢變化趨勢(shì),說(shuō)明兩元素之間發(fā)生了一定程度的互擴(kuò)散,且融合區(qū)寬度不一。鍍Cu和鍍Ag后的界面融合區(qū)寬度分別約為3.8 μm和4.7 μm,均大于裸銅界面的融合區(qū)寬度(約3.0 μm)。這表明焊料在鍍層表面的擴(kuò)散焊接性優(yōu)于在裸銅表面,且Ag鍍層與Sn合金的互擴(kuò)散反應(yīng)能力要強(qiáng)于Cu鍍層。另外,在圖8c的焊接界面沒(méi)有觀察到明顯的Ag鍍層,且Ag元素的強(qiáng)度較低,這可能是因?yàn)锳g和Sn發(fā)生了固溶反應(yīng),導(dǎo)致Sn元素在界面處大量擴(kuò)散。

        圖8 銅基材(a)、Cu鍍層(b)和Ag鍍層(c)表面焊點(diǎn)的截面EDS線掃結(jié)果 Figure 8 Results of EDS line scanning along the depth direction for the solder joints on copper substrate (a), Cu coating (b), and Ag coating (c)

        3 結(jié)論

        1) Ag在銅基引線框架表面的沉積效果要優(yōu)于Cu,Ag鍍層表面光滑平整,致密性好。

        2) 銅基引線框架表面的焊接性與鍍層種類(lèi)有關(guān)。與Cu鍍層相比,Ag鍍層對(duì)SnPb合金具有更好的潤(rùn)濕效果,焊點(diǎn)覆蓋面積大,結(jié)合界面平整光滑,表現(xiàn)出了更好的焊接性。

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