陶瓷封裝外殼鍍金層變色原因分析

路聰閣，任宇欣

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

一些陶瓷封裝外殼在長時(shí)間放置或經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后會(huì)出現(xiàn)鍍金層變色現(xiàn)象，影響外觀及使用。某陶瓷外殼主要由氧化鋁瓷體、鎢金屬化陶瓷、鐵鎳合金引線等構(gòu)成，通過共燒方式在瓷體表面和內(nèi)部形成芯區(qū)、焊盤、鍵合指、導(dǎo)電線路等金屬化部位，采用釬焊銀銅焊料將引線與焊盤進(jìn)行組裝，再鍍鎳和鍍金。本文對(duì)其中的鍍金層變色現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 陶瓷外殼鍍金層變色現(xiàn)象

如圖1所示，陶瓷外殼鍍金層表面局部發(fā)紅、發(fā)紫，甚至發(fā)黑。變色部位多出現(xiàn)在引線、封口環(huán)等與陶瓷焊接的部位，從焊接邊緣開始向鍍金層擴(kuò)展。

圖1 陶瓷封裝外殼變色現(xiàn)象Figure 1 Discoloration of gold-electroplated ceramic package surface

2 原因排查

2.1 鍍層表面被沾污所致

鍍層沾污部位具有隨機(jī)性，即外殼表面所有部位的鍍層均有可能被沾污。取1個(gè)變色外殼，在氫氣氛圍下(400 ± 10) °C退火(10 ± 1) min，發(fā)現(xiàn)變色消失，金鍍層外觀恢復(fù)正常。如果是鍍層表面存在污垢，采用該法一般不能將其去除，由此可知金鍍層變色不是表面沾污所致。

2.2 引線基體銹蝕所致

陶瓷封裝外殼所用引線為鐵鎳合金材質(zhì)，變色部位均鍍有鎳和金。金不發(fā)生銹蝕，因此變色多是由鐵鎳合金引線發(fā)生銹蝕引起的。鐵鎳合金一旦發(fā)生銹蝕，腐蝕會(huì)持續(xù)進(jìn)行，使腐蝕產(chǎn)物疏松堆積，最終形成火山口狀形貌。觀察外殼變色部位可知，表面平整，無火山口狀形貌。

另外，將變色外殼浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鹽酸后，變色現(xiàn)象依然存在。因此可排除該因素。

2.3 銀銅焊料擴(kuò)散至外殼表面所致

變色現(xiàn)象均處于陶瓷金屬化焊接部位，并沿鍍金層向外擴(kuò)展。因此變色可能與銀銅焊料流散有關(guān)。

采用德國蔡司EV018掃描電鏡附帶的能譜儀分析外殼變色部位和正常部位金鍍層的元素組成，結(jié)果如圖2和圖3所示。正常部位含有Au和C元素，其中C為干擾元素，可忽略。變色部位除了上述元素，還含有Ag。Ag的來源只有一個(gè)可能，即焊接用的銀銅焊料。此外，變色部位未檢出Ni、Fe等易腐蝕的元素，也無其他異常元素，進(jìn)一步排除外殼銹蝕和鍍層沾污導(dǎo)致變色的可能性。

圖2 外殼引線變色部位的能譜分析結(jié)果Figure 2 Energy-dispersive spectroscopic analysis result of discoloration area on package lead

圖3 外殼引線未變色部位的能譜分析結(jié)果Figure 3 Energy-dispersive spectroscopic analysis result of normal area on package lead

2.4 小結(jié)

Ag和Cu都容易發(fā)生擴(kuò)散和遷移，在一定溫度和濕度條件下，二者會(huì)加快擴(kuò)散并遷移至Au層表面，與空氣中的Cl、S、O等元素反應(yīng)生成黑色或紅色化合物[1]。所以陶瓷外殼在鍍Au前一般會(huì)鍍一層Ni，Ni鍍層對(duì)焊料具有阻擋作用，可有效防止銀銅焊料在鍍Au層表面或內(nèi)部發(fā)擴(kuò)散與遷移。但是焊料流散邊緣存在陶瓷、銀銅焊料、鍍層等多個(gè)接觸界面，不可避免地會(huì)出現(xiàn)孔隙或其他缺陷(見圖4)，這些缺陷部位的Ni層往往不連續(xù)，阻擋作用差，甚至不能起到阻擋作用，Ag和Cu便通過這些缺陷遷移至Au層表面，并發(fā)生氧化和硫化，生成類似于銹跡的色斑。

圖4 引線焊盤邊緣的剖面結(jié)構(gòu)Figure 4 Section structure of the edge between lead and pad

3 預(yù)防措施

(1) 嚴(yán)格控制釬焊工藝參數(shù)，使焊料流散均勻、平滑，減少Ag和Cu的擴(kuò)散和遷移。

(2) 提高Ni過渡層的致密性，具體措施有改進(jìn)電鍍掛具設(shè)計(jì)，以及調(diào)整電鍍時(shí)的電流密度、裝載量、時(shí)間等參數(shù)。

(3) 在外殼使用前及使用過程中，最好將外殼放置于恒溫氮?dú)夤裰?，避免濕熱環(huán)境對(duì)外殼的影響。