鍍銅厚度對裸銅框架抗氧化性能的影響

張胡軍，張進(jìn)兵，安 飛，雷育恒，溫莉珺，劉殿龍，李習(xí)周

（天水華天科技股份有限公司，天水 741000）

1 引言

銅合金由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，已經(jīng)成為集成電路封裝中引線框架的主要材料。近年來，隨著Au、Ag市場價(jià)格的激增，加速了裸銅框架（表面沒有鍍Ag區(qū)域）在封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，銅合金容易被氧化，并且在封裝工藝中，如芯片粘接、絲壓焊、模塑包封等工序，框架要經(jīng)受150～250 ℃的溫度，必然會在其表面形成一層氧化膜。在裸銅框架封裝工藝中，框架的氧化會嚴(yán)重影響絲壓焊的質(zhì)量；而且框架表面的氧化膜也是塑料封裝產(chǎn)品在回流焊工藝中導(dǎo)致分層和裂紋的主要因素之一[1～4]。因此，引線框架的氧化引起了封裝行業(yè)的廣泛關(guān)注。

目前主要采用俄歇能譜分析（AES）、能量色散X射線光譜分析（EDX）及X射線衍射分析（XRD）等方法分析裸銅框架的氧化情況，研究不同溫度對氧化層厚度、氧化物成分和環(huán)氧塑封料（EMC）粘接強(qiáng)度的影響[5～7]。

然而，關(guān)于生產(chǎn)環(huán)境中氧濃度和框架表面鍍銅處理對框架氧化影響的報(bào)道甚少。而且，AES、EDX等檢測方法的制樣麻煩且成本較高。本文采用的雙臂電橋法測量了不同試驗(yàn)條件下裸銅框架的電阻，進(jìn)而分析了不同氧濃度和溫度對裸銅框架氧化的影響，并研究了框架表面鍍銅厚度對裸銅框架氧化程度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和裝置

實(shí)驗(yàn)材料分別為未鍍銅裸銅框架（簡記為LF0）、鍍銅0.5 μm裸銅框架（簡記為LF0.5）和鍍銅1.0 μm裸銅框架（簡記為LF1.0），框架基材為CDA194銅合金，其成分如表1所示。低溫烘箱內(nèi)氣氛與空氣相近，高溫烘箱內(nèi)充氮?dú)獠⑹寡鹾康陀?.1%。測試裝置為雙臂電橋測試電路，原理如圖1所示[8]。

表1 CDA194銅合金成分

圖1 雙臂電橋原理圖

圖1所示的電路中，R1、R2、R3和R4為電路雙臂的電阻；Rs為調(diào)節(jié)電路以達(dá)到平衡的電阻，均采用天水長城電工生產(chǎn)的ZX21型直流多值電阻器；Rx為待測框架的電阻。檢流計(jì)為杭州電表廠生產(chǎn)的J0409型靈敏電流表。根據(jù)雙臂電橋原理，電橋平衡時(shí)（流過檢流計(jì)的電流為0）待測電阻Rx為：

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

將LF0、LF0.5和LF1.0三種框架按照表2所示的條件進(jìn)行處理，然后用圖1所示的電路進(jìn)行電阻測量。為了減小測量誤差和全面反映框架不同區(qū)域的電阻大小，測試范圍覆蓋框架正反兩面的各個部分，重復(fù)測量10次。

表2 烘烤工藝條件

3 結(jié)果與討論

未氧化的裸銅框架的電阻率約為2.5×10-8Ω.m；而氧化產(chǎn)物為半導(dǎo)體材料，電阻率很高，約為5～5 000 Ω.m。因此，通過比較框架氧化前后的電阻率就可以分析框架的氧化情況。由于實(shí)驗(yàn)中采用同一種引線框架，在加工誤差范圍內(nèi)框架的尺寸是相等的，因此框架的電阻率變化可以通過框架的電阻變化來描述，即：

其中，k為一常數(shù)；ρ為框架的電阻率。

對于LF0、LF0.5和LF1.0裸銅框架中的任何一種，如果令未烘烤框架的平均電阻為RNO，低溫烘烤后框架的平均電阻為RLO，高溫烘烤后框架的平均電阻為RHO，則由低溫烘烤造成的框架電阻值的變化為：

高溫烘烤造成的框架電阻值的變化為：

3.1 不同烘烤條件下裸銅框架的氧化程度

實(shí)驗(yàn)測得LF0、LF0.5和LF1.0三種裸銅框架的平均電阻RNO、RLO和RHO，如圖2所示。

圖2 三種框架經(jīng)過不同烘烤處理后的電阻值

從圖2看出，對于LF0、LF0.5和LF1.0中的任意一種框架，經(jīng)過低溫烘烤和高溫烘烤后的框架電阻均大于未烘烤框架的電阻，這是框架發(fā)生氧化后的必然結(jié)果。為了分析不同烘烤條件對框架氧化的影響，根據(jù)圖2結(jié)果計(jì)算得到LF0、LF0.5和LF1.0三種框架的ΔRL和ΔRH，如表3所示。

表3 低溫烘烤和高溫烘烤后框架電阻的增加量

從表3中可以看到：對于任何一種框架，低溫烘烤后框架的電阻值增加量（ΔRL）很小，LF0、LF0.5和LF1.0經(jīng)過低溫烘烤后電阻值增加量分別為1.66 mΩ、0.47 mΩ和0.33 mΩ，這說明低溫烘烤造成的框架氧化很小。對于未鍍銅框架LF0，高溫烘烤造成的框架電阻值的增量為低溫烘烤造成的框架電阻值增量的3.69倍；對于LF0.5，高溫烘烤造成的框架電阻值的增量為低溫烘烤造成的框架電阻值增量的3.34倍；對于LF1.0，高溫烘烤造成的框架電阻值的增量為低溫烘烤造成的框架電阻值增量的1.94倍。由此可見，裸銅框架在氧濃度為0.1%的氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境中，180 ℃條件下烘烤60 min后，其氧化程度大于無氮?dú)獗Ｗo(hù)下100 ℃烘烤60 min后的氧化程度。根據(jù)金屬氧化理論，裸銅框架氧化過程依賴于銅離子和氧原子在氧化膜內(nèi)的擴(kuò)散，并且以銅離子的擴(kuò)散占主導(dǎo)地位。高溫烘烤條件下，氧化環(huán)境為富銅環(huán)境，銅離子充足，并且隨溫度升高，銅離子的遷移率顯著提高，從而加快了框架的氧化速率。而在低溫烘烤條件下，雖然銅離子也較充足，但溫度較低，銅離子的擴(kuò)散較慢。因此，高溫烘烤對裸銅框架造成的氧化程度大于低溫烘烤造成的氧化程度，這與一些實(shí)驗(yàn)研究[5,6]結(jié)果相似。

3.2 框架表面鍍銅厚度對裸銅框架抗氧化性能的影響

對于LF0、LF0.5和LF1.0三種裸銅框架，低溫烘烤和高溫烘烤造成的框架電阻值的變化ΔRL和ΔRH如圖3所示。

圖3 裸銅框架的電阻增量與鍍銅厚度的關(guān)系

圖3展示了ΔRL和ΔRH隨裸銅框架表面鍍銅厚度的變化情況。經(jīng)過低溫烘烤后，LF0.5框架的ΔRL比LF0的ΔRL降低了71.1%，LF1.0框架的ΔRL比LF0.5和LF0的ΔRL分別降低了29.8%和80.1% ；經(jīng)過高溫烘烤后，LF0.5框架的ΔRL比LF0的ΔRL降低了74.4%，LF1.0框架的ΔRL比LF0.5的ΔRL降低了59.2% 。由此可見，相同烘烤條件下，框架電阻的增加量ΔR隨著鍍銅厚度的增加而減小，并且兩種鍍銅框架（LF0.5和LF1.0）的電阻值增量遠(yuǎn)小于未鍍銅框架（LF0）電阻值的增量。這說明鍍銅1.0 μm裸銅框架的抗氧化能力優(yōu)于鍍銅0.5 μm裸銅框架的抗氧化能力，未鍍銅裸銅框架的抗氧化能力最差。這是因?yàn)槁沣~框架表面鍍銅后，表面更加平整光潔，減小了框架與氧氣的接觸面積，從而提高了框架的抗氧化能力。

4 結(jié)論

研究表明，在無氮?dú)獗Ｗo(hù)的環(huán)境中，100 ℃條件下烘烤60 min后，裸銅框架的氧化程度很小。而在氧含量≤0.1%的氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境中180 ℃烘烤60 min后，裸銅框架的氧化程度大于無氮?dú)獗Ｗo(hù)下100 ℃烘烤60 min后的氧化程度。框架表面鍍銅處理能有效提高框架在100～180 ℃范圍內(nèi)的抗氧化能力，并且框架的抗氧化能力隨著鍍銅厚度的增加而增加。這一研究結(jié)果可以為生產(chǎn)中裸銅框架的選擇和烘烤參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

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