國產(chǎn)與進(jìn)口管殼金鎳鍍層質(zhì)量特性分析

張明杰，高 成，傅成城，黃姣英

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國產(chǎn)與進(jìn)口管殼金鎳鍍層質(zhì)量特性分析

張明杰，高 成，傅成城，黃姣英

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

國產(chǎn)金鎳體系管殼在鑒定檢驗(yàn)中，常出現(xiàn)腐蝕、掉字等鍍層質(zhì)量問題，直接影響器件的封裝可靠性。結(jié)合鍍層常見質(zhì)量問題，分析鍍層的厚度、結(jié)構(gòu)等影響因素；利用掃描電鏡和能譜分析，從外觀、厚度、結(jié)合力、耐熱性、結(jié)構(gòu)和成分六方面，進(jìn)行了國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品的鍍層質(zhì)量特性分析；選取國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品各10只，開展?jié)駸嵩囼?yàn)和鹽霧試驗(yàn)，分析Au/Ni管殼的薄弱環(huán)節(jié)和抗腐蝕性能。結(jié)果表明，國產(chǎn)管殼相比進(jìn)口管殼的不足，主要表現(xiàn)在打標(biāo)方式不成熟、金層厚度較為單薄、鍍層結(jié)構(gòu)不夠合理、材料純度相對較低等方面；在打印標(biāo)記處和平行焊縫處，管殼的抗腐蝕性能較弱。

金鎳鍍層；管殼；質(zhì)量特性；薄弱環(huán)節(jié)；抗腐蝕；可靠性

鍍層對于元器件封裝有著不可替代的作用，金鍍層具有優(yōu)異的耐蝕性及易焊性，適合做電子元器件的保護(hù)層。由于金層容易與印刷板上的銅層相互遷移形成合金，通常采用鎳層做銅與金之間的擴(kuò)散阻擋層，因此Au/Ni鍍層體系在器件制造、封裝工藝方面應(yīng)用十分廣泛[1-2]。目前，在微電子、光電子等領(lǐng)域中，軍用電子元器件外殼多為陶瓷、金屬等封裝，這些封裝也多采用Au/Ni鍍層體系，Au鍍層為鍍層的最外層，Ni鍍層作為鍍金層的底鍍層。鍍層不僅提高了元器件在使用環(huán)境中抗變色、抗氧化和耐腐蝕的抗蝕性能，而且提高了元器件的諸多工作性能[3]。

近年來，在軍用電子器件鑒定檢驗(yàn)中，國產(chǎn)新研器件，特別是使用國產(chǎn)鍍金管殼的器件，在耐溶劑、鹽霧、濕熱試驗(yàn)等后腐蝕、掉字等質(zhì)量問題嚴(yán)重，通過率較低。鍍層的腐蝕不僅僅會破壞外觀、光潔度，還會導(dǎo)致表面粘接性降低，接觸不良等。鍍層只有具有較高的質(zhì)量才能滿足國家軍用標(biāo)準(zhǔn)對其的考核指標(biāo)，承研承制單位普遍在工藝要求方面采取了提高鍍金層厚度的措施，但由于影響鍍層質(zhì)量的因素較為復(fù)雜，質(zhì)量問題仍然存在[4]，國內(nèi)外文獻(xiàn)中也很少對此類問題進(jìn)行分析。

本文從結(jié)構(gòu)和工藝的角度對鍍層常見質(zhì)量問題進(jìn)行了分析，選取了國產(chǎn)與進(jìn)口Au/Ni鍍層管殼樣品，通過試驗(yàn)對比分析國產(chǎn)與進(jìn)口電子元器件管殼鍍層的質(zhì)量特性和耐腐蝕性能，并尋找質(zhì)量差距。

1 影響鍍層質(zhì)量因素及分析

1.1 影響因素

(1) 鍍層厚度

鍍層厚度影響鍍層應(yīng)力及鍍層孔隙率，從而影響鍍層質(zhì)量。鍍層厚度，尤其是鍍鎳層厚度的增加，會增大鍍層應(yīng)力，引起蓋板變形，在外界壓力下，這種變形會使鍍層產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致基體材料暴露引起蓋板銹蝕[5]；且鍍層本身應(yīng)力很大，鍍覆太厚則會出現(xiàn)“爆皮”現(xiàn)象。而鍍層厚度減薄則會使鍍層孔隙率增大，也導(dǎo)致銹蝕[6-7]。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，鍍層孔隙率與鍍層厚度成反比，隨著鍍層厚度的增加，孔隙率降低速度先快后慢，直到飽和。當(dāng)鍍層厚度在1 μm以下時，金層孔隙率很高；當(dāng)鍍層厚度為3 μm時，孔隙率較少；達(dá)到一定厚度時，孔隙有可能減少到幾乎沒有[8]。

(2) 鍍層結(jié)構(gòu)

目前，Au/Ni體系鍍層主要有單層鍍鎳、金鎳雙鍍和交叉電鍍等結(jié)構(gòu)。多層交叉電鍍避免了孔穴的疊加效應(yīng)，因此這種結(jié)構(gòu)的樣品抗鹽霧能力很強(qiáng)。多層交叉電鍍結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：基板上面是鎳層，上面再鍍金，進(jìn)行多次交叉。鍍鎳層能夠有效地提高抗鹽霧能力，外表面的金層則用于保護(hù)鎳層。

圖1 交叉鍍層結(jié)構(gòu)

進(jìn)口質(zhì)量等級高的元器件基本上都是交叉電鍍的多層結(jié)構(gòu)，國內(nèi)重點(diǎn)工程上使用的元器件鍍層也采用多層結(jié)構(gòu)[9]。交叉鍍層的技術(shù)難點(diǎn)在于需要多次換掛具，如果界面處理不好，容易起皮、起泡。

(3) 鍍層缺陷

鍍層有缺陷必然不能很好地保護(hù)金屬基材，各類元器件中普遍存在的鍍層缺陷主要有不均勻、不完整、不嚴(yán)密等，此類缺陷的原因主要來自工藝[10]。

一是鍍前工藝不良會影響鍍層結(jié)合力，導(dǎo)致鍍層易從基體金屬表面上剝離[11]。鍍層結(jié)合力是指鍍層與基體金屬或中間鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，即單位表面積的鍍層從基體金屬或中間鍍層上剝離所需要的力，一般采用膠帶牽引試驗(yàn)進(jìn)行測試。

二是電鍍工藝影響鍍層本身的致密性和雜質(zhì)含量等指標(biāo)，從而影響其抗腐蝕性能，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，抗鹽霧能力強(qiáng)的樣品鍍層覆蓋均勻、致密，無明顯的凹坑和凸起。

三是元器件管殼和引腳與玻璃的封裝工藝一般是先燒結(jié)后電鍍，由于元器件結(jié)構(gòu)、形狀較為復(fù)雜，可能使得腳根部位鍍層不完整、有裂縫。

四是電鍍之后的元器件管殼可能會在其他加工工序中受到熱、機(jī)械等應(yīng)力的作用，使得玻璃體脆裂，導(dǎo)致鍍層裂縫的產(chǎn)生或擴(kuò)大。

1.2 鍍金層常見質(zhì)量問題及分析

(1) 金層顏色異常

鍍金層的顏色與正常的金層顏色不一致，出現(xiàn)這種問題的因素主要是鍍層缺陷，即因電鍍工藝不良致鍍層存在雜質(zhì)。出現(xiàn)這種問題的具體原因可能是：a、鍍金原材料含雜質(zhì)；b、鍍金液老化；c、硬金鍍層中合金含量發(fā)生變化；d、鍍金電流或電流密度過大。

(2) 鍍層起皮起泡

在外殼電鍍生產(chǎn)過程中，有時會出現(xiàn)鍍層起泡現(xiàn)象，主要是鍍鎳層起泡；在鍍后檢驗(yàn)鍍層結(jié)合力時，有時會遇到焊線孔在壓扁時鍍層有起皮現(xiàn)象，有時在高溫檢測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)金層有極細(xì)小的鼓泡現(xiàn)象發(fā)生。出現(xiàn)這種問題的具體原因可能是：a、鍍前處理不徹底，各工序間的清洗不夠充分；b、基體鍍前活化不完全；c、鍍鎳溶液中的雜質(zhì)過多；d、底鍍層或中間鍍層內(nèi)應(yīng)力過大。

(3) 耐鹽霧性能差

耐鹽霧性能差這一問題的成因比較復(fù)雜，鍍金層厚度過薄、孔隙較多等結(jié)構(gòu)問題、結(jié)合力差等鍍層缺陷問題，都有可能導(dǎo)致鍍金層的抗鹽霧性能較差，而具體造成這些特性較差的原因大多由工藝問題導(dǎo)致。

2 國產(chǎn)與進(jìn)口管殼鍍層特性分析

2.1 外觀分析

根據(jù)調(diào)研和對比樣品的外觀，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)鍍金管殼的標(biāo)識更多使用油墨打標(biāo)的方式，而進(jìn)口管殼更多使用激光打標(biāo)的方式，這是由于國外環(huán)保要求，且激光刻蝕工藝相對成熟。目前，油墨打標(biāo)主要在國內(nèi)老產(chǎn)品和定型產(chǎn)品上，這種打標(biāo)方法易受有機(jī)溶劑影響、有污染、抗腐蝕性差，常常出現(xiàn)標(biāo)識不清的情況。

2.2 厚度分析

國軍標(biāo)對管殼的金層厚度沒有具體規(guī)定，對于引線鍍金，國外1.3 mm×0.0254 mm，國內(nèi)1.27 mm× 0.0254 mm；對于鍍鎳層，規(guī)定鎳的厚度為1.3~8.9 μm。

管殼的鍍層厚度數(shù)據(jù)采用X射線熒光測厚儀測得，選用國產(chǎn)和進(jìn)口管殼各5種型號，每種型號選取2個樣品，在管殼正面中心選取一點(diǎn)進(jìn)行測試，測得外層金層和鎳層的厚度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各型號管殼樣品鍍層厚度

Tab.1 The coating thicknesses of the cap samples μm

測試結(jié)果表明，國產(chǎn)管殼1#存在鍍金層過薄的現(xiàn)象，可能帶來鍍層致密性不足的問題，導(dǎo)致管殼抗腐蝕性能降低。對于其余9種型號的國內(nèi)外管殼，雖國產(chǎn)鍍金層厚度略薄于進(jìn)口，但這種金層厚度的差異十分細(xì)微。而鎳層厚度數(shù)據(jù)則較為分散，薄的鍍層不足1 μm，較厚的鍍層達(dá)10 μm。

2.3 結(jié)合力分析

對選用的管殼樣品進(jìn)行鍍層結(jié)合力檢查，使用3M5413聚酰亞胺膠帶，粘接并拉脫3次膠帶，國產(chǎn)和進(jìn)口管殼鍍層均未發(fā)生剝離。試驗(yàn)結(jié)果表明，國產(chǎn)和進(jìn)口管殼在結(jié)合力方面全部合格。

2.4 耐熱性分析

根據(jù)GJB1941—94《金電鍍層規(guī)范》中對鍍層耐熱性試驗(yàn)的規(guī)定，樣品在（260±14）℃下放置至少30 min，鍍層以不出現(xiàn)氣泡、褪色或可見的白色結(jié)晶膜為合格。

對國產(chǎn)和進(jìn)口管殼遵循上述試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行耐熱性試驗(yàn)。實(shí)際試驗(yàn)溫度為260℃，時間為2.4 h。試驗(yàn)后觀察管殼鍍層，2只國產(chǎn)器件出現(xiàn)顏色加深的現(xiàn)象，這是由于管殼表面涂覆的保護(hù)劑受熱造成的，而其他各個型號管殼未發(fā)現(xiàn)氣泡、顏色變化等現(xiàn)象。耐熱性試驗(yàn)結(jié)果表明，鍍層表面未出現(xiàn)氣泡、褪色或可見的白色結(jié)晶膜，國產(chǎn)與進(jìn)口管殼的耐熱性試驗(yàn)全部合格。

2.5 結(jié)構(gòu)分析

選取國產(chǎn)和進(jìn)口各個型號的管殼各一只，對樣品進(jìn)行截取、鑲嵌、磨研、拋光等處理，然后使用掃描電鏡觀察，國產(chǎn)1#至5#管殼樣品的鍍層的微觀結(jié)構(gòu)如圖2(a)~(e)所示。

圖2 掃描電鏡下國產(chǎn)管殼鍍層結(jié)構(gòu)

從微觀結(jié)構(gòu)可以觀察到，試驗(yàn)樣品中國產(chǎn)1#和國產(chǎn)5#鍍層存在均勻性和連續(xù)性較差的問題，國產(chǎn)2#的外層金存在不純的問題，使用雙鍍層結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)3#和使用交叉鍍層結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)4#鍍層均勻性和連續(xù)性比較好。

使用掃描電鏡觀察5種進(jìn)口型號管殼鍍層的微觀結(jié)構(gòu)如圖3(a)~(e)所示，從微觀結(jié)構(gòu)可以看出，5只進(jìn)口管殼中4只采用的Au-Ni-Au-Ni的交叉鍍結(jié)構(gòu)，且進(jìn)口3#、進(jìn)口4#、進(jìn)口5#鍍層的連續(xù)性和均勻性較好，進(jìn)口1#的雙鍍層存在外層金較薄且不夠平整的問題，進(jìn)口2#采用雙鍍層的結(jié)構(gòu)，但在激光打標(biāo)處出現(xiàn)金層變薄的現(xiàn)象，會導(dǎo)致抗腐蝕性能降低。

圖3 掃描電鏡下進(jìn)口管殼鍍層結(jié)構(gòu)

就整體而言，國產(chǎn)管殼鍍層的質(zhì)量參差不齊，與質(zhì)量較為穩(wěn)定的進(jìn)口管殼鍍層存在差距。

2.6 成分分析

通過能譜對管殼鍍層的各層成分進(jìn)行分析，得到國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品鍍金層金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。通過能譜對管殼鍍層的各層成分進(jìn)行分析，得到國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品鍍鎳層鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示。

表2 國產(chǎn)與進(jìn)口管殼鍍金層金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.2 The gold mass fractions of gold-plating on domestic and imported caps

表3 國產(chǎn)與進(jìn)口管殼鍍鎳層鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.3 Nickel mass fractions of nickel-plating on domestic and imported caps

通過能譜分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在最外鍍金層部分，國產(chǎn)管殼鍍金層的金含量明顯低于進(jìn)口管殼的金含量，有4只國產(chǎn)管殼金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于90%。對于鍍鎳層，國產(chǎn)與進(jìn)口鎳層鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在97%以上，進(jìn)口3#~5#的鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99%以上。

通過能譜對管殼基板成分進(jìn)行分析，得到樣品基板材料各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表4所示。通過能譜分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品的基板材質(zhì)存在一定差異。

表4 國產(chǎn)與進(jìn)口管殼基板元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.4 The element mass fractions of substrates on domestic and imported caps w/%

進(jìn)口5只管殼和國產(chǎn)4#的基板材料為鐵鈷鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%，17%，29%的B4J29可伐合金，其中國產(chǎn)4#管殼的能譜圖如圖4所示。

可伐合金因含鈷成分故較為耐磨，同時還具有熱膨脹系數(shù)小、穩(wěn)定性好的優(yōu)良特性。而除國產(chǎn)4#外，其他國產(chǎn)管殼全部為鐵鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%，40%的鐵鎳合金。據(jù)調(diào)研了解，在可靠性要求不太高的場合，國內(nèi)廠商為降低成本，會使用GB4J42（鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)約58%，鎳約42%）代替GB4J29，使用該材料的基板的可焊性較差。

圖4 國產(chǎn)管殼4#能譜分析

Fig.4 The energy spectrum analysis of domestic caps 4#

3 國產(chǎn)與進(jìn)口管殼鍍層抗腐蝕性能研究

3.1 濕熱試驗(yàn)

GJB1941—94《金電鍍層規(guī)范》中對于鍍金層濕熱試驗(yàn)規(guī)定采用GJB360B中的試驗(yàn)方法，濕熱試驗(yàn)是遵照GJB360B的穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)進(jìn)行的。試驗(yàn)中的實(shí)際試驗(yàn)條件為溫度40℃，濕度93%，試驗(yàn)選取每個型號管殼2只，共20只進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時間設(shè)置為10 d。

濕熱試驗(yàn)后進(jìn)口管殼5#外觀如圖5所示，經(jīng)過10 d的濕熱試驗(yàn)后觀察到，試驗(yàn)樣品表面未發(fā)生腐蝕。

圖5 濕熱試驗(yàn)后進(jìn)口管殼5#外觀

3.2 鹽霧試驗(yàn)

GJB1941—94《金電鍍層規(guī)范》中對于鍍金層抗腐蝕的鹽霧試驗(yàn)規(guī)定采用GJB360B中的試驗(yàn)方法，故鹽霧試驗(yàn)遵照GJB360B的中性鹽霧試驗(yàn)。

中性鹽霧試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，pH值實(shí)測是6.9，溫度35 ℃，鹽霧沉降率實(shí)測值為1.28 mL/h，試驗(yàn)周期24 h和96 h。鹽霧試驗(yàn)延續(xù)使用濕熱試驗(yàn)使用的國產(chǎn)和進(jìn)口管殼各5種型號，每種型號選取2個樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后，國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品均發(fā)生了不同程度的腐蝕，進(jìn)口管殼5#在進(jìn)行24 h鹽霧試驗(yàn)和96 h鹽霧試驗(yàn)后的外觀分別如圖6(a)和(b)所示。

圖6 鹽霧試驗(yàn)后進(jìn)口管殼5#外觀

鹽霧試驗(yàn)后觀察到，國產(chǎn)與進(jìn)口管殼抗腐蝕性能較弱的地方有兩個，分別是打印標(biāo)記和平行焊縫處，且國產(chǎn)和進(jìn)口使用油墨打印標(biāo)記的管殼標(biāo)記都存在不同程度的掉字。

打印標(biāo)記處腐蝕較為嚴(yán)重，是因?yàn)閷τ谑褂眉す獯驑?biāo)的器件，激光打標(biāo)會使標(biāo)記區(qū)域的鍍層變薄，這可能會降低管殼的抗腐蝕性能。平行焊縫處抗腐蝕性能較弱的原因是，蓋板縫焊后焊邊保護(hù)鍍層損傷，使基材暴露在鹽溶液環(huán)境下，形成原電池腐蝕。平行縫焊封蓋集成電路在潮濕、鹽霧等各種惡劣環(huán)境下出現(xiàn)的焊邊銹蝕，是影響集成電路長期可靠性的重要隱患。

4 結(jié)論

國產(chǎn)和進(jìn)口管殼鍍層的質(zhì)量特性如下：

(1) 國產(chǎn)鍍金管殼的標(biāo)識更多采用油墨打標(biāo)的方式，而進(jìn)口產(chǎn)品激光刻蝕工藝相對成熟，多采用激光打標(biāo)；

(2) 國產(chǎn)管殼鍍金層樣品中存在金層厚度略薄于進(jìn)口管殼樣品的現(xiàn)象；

(3) 國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品結(jié)合力試驗(yàn)和耐熱性試驗(yàn)均合格，無明顯差距；

(4) 國產(chǎn)管殼樣品多采用鍍Au-Ni雙層結(jié)構(gòu)，部分樣品鍍層均勻性和連續(xù)性較差，鍍金純度不高，而進(jìn)口管殼樣品中多采用交叉鍍Au-Ni-Au-Ni結(jié)構(gòu)，連續(xù)性和均勻性較好；

(5) 國產(chǎn)管殼樣品管殼金層和鎳層純度低于進(jìn)口管殼樣品，國外質(zhì)量等級高的管殼基板成分是可伐合金，國內(nèi)有些情況下使用GB4J42代替GB4J29；

(6) 國產(chǎn)與進(jìn)口管殼樣品經(jīng)10 d的濕熱試驗(yàn)，表面均未發(fā)生腐蝕，經(jīng)鹽霧試驗(yàn)表現(xiàn)出打印標(biāo)記處和平行焊縫處兩個抗腐蝕性能較弱的地方。

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（編輯：陳渝生）

Quality analysis of gold and nickel plating for domestic and imported caps

ZHANG Mingjie, GAO Cheng, FU Chengcheng, HUANG Jiaoying

(School of Reliability and Systems Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Domestic gold-nickel plating caps occur corrosion and marks desquamate frequently in qualification. This issue can directly influence on the reliability of the electronic component device package. Influences of thickness and structure of plating on quality were analyzed, with the common quality problems in projects. The appearance, thickness, adhesion, thermostability, structure and composition were compared by using metallographic examination and energy spectrum analysis. 20 samples(domestic and imported 10 pieces, respectively) were tested in humid heat test and salt spray test. The weak link and anti-corrosion performance of gold-nickel plating caps were analyzed. The results indicate that the plating quality of domestic caps are weaker than those of imported in respects of marking methods, gold-plating thickness, plating structure and purity. Markers and parallel welding seams are easy to be corroded.

gold-nickel plating; cap; quality features; weak link; anti-corrosion; reliability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.020

TN406

A

1001-2028（2017）08-0111-06

2017-05-01

黃姣英

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 61376042）

黃姣英（1977－），女，湖南邵陽人，高級工程師，主要從事元器件可靠性評價、測試和分析的研究，E-mail: huangjy@buaa.edu.cn ；張明杰（1994－），男，吉林白山人，研究生，研究方向?yàn)殡娮釉骷煽啃?，E-mail: zmj@buaa.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-07-31 11:33

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1133.020.html