鎳鈷合金鍍層對(duì)陶瓷封裝外殼抗高溫變色能力的影響

路聰閣 *，劉圣遷

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050000；2.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050000）

陶瓷封裝外殼通常采用Ni/Au 鍍層體系，采用鎳鍍層作金層的底層。陶瓷封裝外殼鍍層應(yīng)具有一定的高溫應(yīng)力承受能力，必須通過不同等級(jí)的高溫考核，以保證芯片粘結(jié)、引線鍵合以及封蓋的可靠性。如果鍍層過薄，結(jié)合力不好或者純度不高，都會(huì)在高溫作用下產(chǎn)生發(fā)花、變色、起皮、起泡等現(xiàn)象[1]。隨著電子科技的發(fā)展，陶瓷封裝外殼的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)陶瓷封裝外殼的抗高溫性能要求越來越高。

在陶瓷封裝外殼的使用過程中，有的需要滿足在350 °C 空氣氣氛下保溫2 h 不變色的要求。采用Ni/Au 鍍層體系時(shí)，鍍層在上述條件下會(huì)變?yōu)楹稚?，鍵合性能也會(huì)受到嚴(yán)重影響。從20 世紀(jì)90 年代起，一些國家先后在陶瓷封裝中采用Ni-Co 合金代替Ni 底鍍層，認(rèn)為Ni-Co 合金可以提高陶瓷封裝的抗高溫變色能力。本文主要研究了陶瓷封裝外殼在高溫條件下發(fā)生變色的原因和機(jī)理，并比較了Ni 層、Ni-Co 合金鍍層以及Ni/Ni-Co合金復(fù)合鍍層作為底鍍層對(duì)陶瓷封裝外殼抗高溫變色能力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 陶瓷封裝外殼

樣品為雙列直插(DIP)類陶瓷封裝外殼，如圖1 所示。外殼的尺寸為12 cm × 8 cm × 12 cm，不同部位的材質(zhì)不同，外殼引線及封口環(huán)基體材料為可伐合金，鍵合指及管芯基體材料為鎢金屬化，外層為Ni/Au 鍍層。

圖1 雙列直插類陶瓷封裝外殼Figure 1 Shell for dual inline ceramic packaging

1.2 電鍍

1.2.1 鍍鎳和鍍鎳-鈷

1.2.2 鍍金

KAu(CN)26 ～ 8 g/L，K3C6H5O780 ～ 120 g/L，H3C6H5O710 ～ 20 g/L，溫度50 ～ 70 °C，電流密度0.1 ～ 0.5 A/dm2。

1.3 性能檢測(cè)

采用德國蔡司EVO MA18 能譜儀(EDS)分析鍍層成分(電壓20 kV，電流200 pA)，使用英國牛津X-Max 20 掃描電鏡(SEM)觀察鍍層表面形貌，使用德國菲希爾XDLM237 X 射線熒光鍍層測(cè)厚儀測(cè)量管芯部位的鍍層厚度。高溫試驗(yàn)在國營青島無線電專用設(shè)備廠生產(chǎn)的L4514-1/RZQ 高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行，溫度350 °C，保溫時(shí)間2 h，空氣氣氛。

2 結(jié)果與討論

2.1 外殼鍍層變色原因

外殼鍍層發(fā)生變色并非金層本身氧化所致，而是由于鍍金層下的其他鍍層或基體材料發(fā)生氧化，生成的產(chǎn)物附著或擴(kuò)散于鍍金層表面，從而引起金層表面“變色”。對(duì)DIP 類陶瓷封裝外殼進(jìn)行鍍Ni/Au，管芯部位的鎳層、金層厚度分別為4 μm 和1.5 μm。高溫試驗(yàn)后，外殼鍍層整體變?yōu)楹稚I合性能變差，出現(xiàn)難鍵合的狀態(tài)。圖2 所示為外殼封口環(huán)及管芯的SEM 照片及EDS 分析結(jié)果。

圖2 Ni 作底層時(shí)封裝外殼不同部位的SEM 照片和EDS 譜圖Figure 2 SEM image and EDS spectra of ceramic package surface using Ni coating as underlayer at different parts

由圖2 可知，外殼發(fā)生變色是由底鍍層中的鎳擴(kuò)散到鍍金層表面發(fā)生氧化所致，與基體的材質(zhì)無關(guān)。由于鍍金層較薄，難以達(dá)到十分致密的程度，鎳在高溫下能夠穿過金層向外擴(kuò)散，并在鍍金層表面與空氣中的氧結(jié)合生成氧化鎳，隨著氧化鎳不斷增多，外殼整體發(fā)生變色。鍍金層達(dá)到一定厚度時(shí)，可以抑制鎳的擴(kuò)散。將本工藝的外殼鍍金層加厚至3.5 μm 以上時(shí)，可以有效防止外殼整體變色，但同時(shí)也極大地提高了成本，浪費(fèi)了金。因此需要開發(fā)能夠抑制鎳擴(kuò)散的新型鍍層。

2.2 Ni-Co 合金鍍層對(duì)外殼抗高溫變色能力的影響

鍍鎳液中加入鈷鹽，調(diào)整pH 后進(jìn)行電鍍，鎳鈷合金鍍層的鈷含量隨電流密度增大而降低，這是由于Ni-Co合金沉積屬于異常共沉積[2]。選取在電流密度1.5 A/dm2下制備的鍍層，測(cè)得鍍層鈷含量在10% ～ 40%范圍內(nèi)。鍍Ni-Co 4.2 μm、Au 1.5 μm，高溫試驗(yàn)后外殼未發(fā)生變色，圖3 為此時(shí)外殼鍍層的SEM 照片和EDS 分析結(jié)果。

圖3 Ni-Co 合金作底層時(shí)封裝外殼的SEM 照片和EDS 譜圖Figure 3 SEM image and EDS spectra of ceramic package surface using Ni-Co alloy coating as underlayer

由圖3 可知，當(dāng)?shù)族儗訛镹i-Co 合金鍍層時(shí)，鎳并未擴(kuò)散到金層表面形成氧化鎳而引起外殼變色。這是由于底層中加入鈷后，鈷代替了部分鎳原子的位置，形成置換式固溶體，從而使鎳原子脫離原來的位置向外擴(kuò)散所需的能量升高，擴(kuò)散受阻。

2.3 Ni/Ni-Co 合金鍍層對(duì)外殼抗高溫變色能力的影響

由于Ni-Co 合金鍍層較脆，因此將Ni 鍍層與Ni-Co 合金鍍層組成復(fù)合鍍層，使之滿足外殼抗高溫變色的要求。外殼先鍍2.5 μm 厚的Ni 層打底，再鍍上約1 μm 厚的Ni-Co 合金，Au 層厚度為1.5 μm，隨后在350 °C空氣氣氛下保溫2 h，結(jié)果顯示外殼未發(fā)生變色。對(duì)外殼鍍層進(jìn)行SEM 及EDS 分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 Ni/Ni-Co 合金作底層時(shí)封裝外殼的SEM 照片和EDS 譜圖Figure 4 SEM image and EDS spectra of ceramic package surface using Ni/Ni-Co alloy coating as underlayer

由圖4 可知，當(dāng)Ni-Co 合金底鍍層達(dá)到1 μm 厚時(shí)，就能起到防止外殼變色的作用。這是由于最底層鎳先擴(kuò)散到Ni-Co 合金鍍層中優(yōu)先形成Ni-Co 合金，抑制了鎳擴(kuò)散到金層。

3 結(jié)論

(1) 陶瓷封裝外殼在350 °C 空氣氣氛下保溫2 h 發(fā)生變色是由于鎳擴(kuò)散到鍍金層表面形成氧化鎳所致。

(2) 底鍍層為鎳鈷合金鍍層或鎳/鎳鈷合金復(fù)合鍍層時(shí)，可有效阻止鎳的擴(kuò)散，從而提高陶瓷封裝外殼的抗高溫變色能力。

[1] 王占華, 沈卓身, 薛潤東.陶瓷外殼芯腔表面變色原因分析[J].半導(dǎo)體技術(shù), 2002, 27 (10): 13-15, 42.

[2] RUSSO J S.Nickel-cobalt diffusion barrier coating [J].Plating and Surface Finishing, 1994, 81 (7): 63-64.