引線框架銅帶顯微組織對(duì)電鍍鎳層性能的影響

王云鵬 ，莫永達(dá) ，張嘉凝 ，白依可 ，王苗苗 ，婁花芬

（1.中國(guó)銅業(yè)工程技術(shù)研究院，北京 102209； 2.昆明冶金研究院有限公司北京分公司，北京 102209； 3.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

引線框架是電子信息產(chǎn)業(yè)重要的基礎(chǔ)性材料，主要由銅合金制造，在集成電路中主要起到支撐和固定芯片、連接外部電路并傳遞信號(hào)以及向外導(dǎo)出芯片熱量的作用[1-3]。引線框架材料不僅要求具有較高的強(qiáng)度、硬度以及良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，從應(yīng)用制造領(lǐng)域考慮，還需要其具備一系列優(yōu)良的加工特性，例如冷熱加工性能、刻蝕性能、電鍍性能、釬焊性能、樹(shù)脂的密著性等[4-7]。隨著集成電路的發(fā)展，引線框架材料正在由目前主流的Cu-Fe-P系銅合金逐步轉(zhuǎn)向高強(qiáng)中導(dǎo)Cu-Ni-Si系合金，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr系列合金材料[8-12]。

目前多數(shù)高校、科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)主要關(guān)注引線框架銅材的強(qiáng)度與導(dǎo)電性的匹配情況，對(duì)其在應(yīng)用過(guò)程中的諸多性能往往關(guān)注不多，導(dǎo)致引線框架銅材的生產(chǎn)和應(yīng)用之間存在一定脫節(jié)。由于引線框架銅材對(duì)氧具有較高的親和力，在封裝過(guò)程中容易受到熱氧化的影響，進(jìn)而影響后續(xù)芯片與框架的鍵合性以及框架外引腳與 電路的焊接性[13]，故對(duì)引線框架銅材進(jìn)行電鍍至關(guān)重要[14-15]。引線框架對(duì)電鍍層的厚度、表面品質(zhì)及其與基底的結(jié)合力都有嚴(yán)格要求，但人們對(duì)引線框架的電鍍性能主要聚焦在鍍液配方與電鍍工藝參數(shù)優(yōu)化方面，基底銅合金材料特性對(duì)電鍍的影響尚未引起重視。

本文主要以目前常用的Cu-Fe-P系銅合金作為研究對(duì)象，分析不同組織狀態(tài)的試樣對(duì)電鍍鎳的影響，通過(guò)對(duì)鍍層厚度和表面形貌的分析，探索引線框架銅合金材料影響電鍍性能的規(guī)律和機(jī)制，為銅合金引線框架材料的電鍍提供指導(dǎo)，推動(dòng)材料與其應(yīng)用的緊密結(jié)合。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體材料

采用同一廠家不同加工狀態(tài)的C19400銅合金帶作為研究對(duì)象，尺寸為2 cm × 6 cm，加工狀態(tài)分別為SH、EH、H、H/2和O態(tài)(變形量依次減小)，根據(jù)GB/T 29094-2012《銅及銅合金狀態(tài)表示方法》定級(jí)，分別對(duì)應(yīng)H08、H06、H04、H02和O6態(tài)，各自的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用不同狀態(tài)C19400銅帶的物理性質(zhì) Table 1 Physical properties of C19400 copper strips in different tempers for test

1.2 電鍍Ni工藝

參考工業(yè)中常用的酸性鍍鎳工藝對(duì)不同狀態(tài)銅材電鍍Ni，工藝流程為：裁剪→水洗→電解除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→電鍍Ni→水洗→中和→水洗→烘干。

電鍍?cè)囼?yàn)在1 L自制電鍍槽中進(jìn)行，鍍液由120 g/L NiSO4·6H2O、10 g/L NiCl2·6H2O、40 g/L H3BO3和0.5 g/L十二烷基硫酸鈉配制而成，工藝條件為：溫度55 ℃，電壓5 V，電流密度1.5 ～ 2.0 A/dm2，時(shí)間10 min。基材浸入鍍液的深度為5 cm，與純鎳陽(yáng)極板(純度99.99%)的距離固定為5 cm。

1.3 性能檢測(cè)

采用日本電子JSM-7800F掃描電鏡的背散射電子衍射(EBSD)系統(tǒng)分析電解拋光后銅材的顯微組織；采用德國(guó)馬爾MarSurf PS10觸針式表面粗糙度儀測(cè)量不同試樣的表面粗糙度(Ra)，每個(gè)試樣分別沿軋向與垂直軋向各測(cè)試5次，取平均值；采用德國(guó)蔡司Axio Scope.A1光學(xué)顯微鏡沿拋光截面測(cè)量鍍層厚度，取10次測(cè)量結(jié)果的平均值；利用日本電子JSM-IT300掃描電子顯微鏡和德國(guó)徠卡Leica S9E體視顯微鏡觀察鍍層的表面形貌。

在瑞士萬(wàn)通PGSTAT302N電化學(xué)工作站上檢測(cè)電鍍過(guò)程的陰極極化曲線。采用三電極體系，鉑電極、飽和甘汞電極(SCE)和被研究樣品(暴露面積為1 cm2)分別作為對(duì)電極、參比電極和工作電極，掃描速率為1 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅材的顯微組織結(jié)構(gòu)

從圖1可知，隨變形程度減小，銅材中的顯微組織寬度逐漸減小，小于5°的小角度晶界(圖中白色部分)逐漸減少。SH態(tài)試樣變形量最大，在EBSD圖像中存在部分未解析區(qū)域，可以判斷該區(qū)域有嚴(yán)重的晶格畸變。O態(tài)試樣的變形組織由于經(jīng)過(guò)退火而發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒趨于等軸，內(nèi)部基本沒(méi)有小角度晶粒，出現(xiàn)許多退火孿晶。統(tǒng)計(jì)變形織構(gòu)(包括剪切織構(gòu){123}＜643＞和黃銅織構(gòu){110}＜112＞)與平均晶粒尺寸后發(fā)現(xiàn)，試樣由SH態(tài)至O態(tài)，變形量逐漸減小，平均晶粒尺寸逐漸增大。該結(jié)果與材料初始力學(xué)性能指標(biāo)中硬度的變化對(duì)應(yīng)[16]。

圖1 不同加工狀態(tài)銅材的初始顯微組織、變形織構(gòu)和晶粒尺寸 Figure 1 Initial microstructures, textures, and grain sizes of copper substrates in different tempers

2.2 Ni鍍層的外觀和表面形貌

從圖2可知，SH、H和O態(tài)3種銅材表面均獲得了完整的鍍層，無(wú)漏鍍、起皺、起泡等缺陷，表明銅材的顯微組織對(duì)鍍層外觀基本沒(méi)有影響。觀察Ni鍍層的微觀形貌可知，Ni鍍層由排列緊密的Ni粒子構(gòu)成， Ni粒子沿著基底表面的軋痕排列而呈現(xiàn)出基底的軋制形貌，尤其是O態(tài)試樣表面Ni鍍層還呈現(xiàn)出明顯的孿晶形貌，說(shuō)明Ni鍍層“復(fù)制”了基底材料的表面組織。推測(cè)鍍層的表面粗糙度與基底銅材表面特征有關(guān)，因此測(cè)量了銅材電鍍前后的表面粗糙度，結(jié)果如圖3所示。從中可知，鍍層粗糙度的變化規(guī)律與基底銅材粗糙度的變化規(guī)律一致，并且鍍層的粗糙度均明顯大于基底的粗糙度。變形量較大的銅材電鍍Ni前后的粗糙度增幅小于變形量較小的銅材，O態(tài)試樣電鍍Ni后表面粗糙度的變化最大，Ra提高了43.6%，而SH態(tài)試樣電鍍Ni后的Ra僅提高了15.6%。

圖2 不同銅材表面Ni鍍層的宏觀形貌(上)和微觀形貌(下) Figure 2 Macroscopic (top) and microscopic (bottom) morphologies of Ni coatings electroplated on copper substrates in different tempers

圖3 不同銅材及其表面Ni鍍層的表面粗糙度 Figure 3 Surface roughness of copper substrates in different tempers and nickel coatings electroplated thereon

2.3 Ni鍍層的厚度

由圖4可知，不同基材電鍍Ni后的鍍層厚度差異明顯。隨著銅材變形程度的增大，Ni鍍層厚度逐漸減小，O態(tài)試樣表面Ni鍍層的厚度最大，達(dá)到了6.11 μm，SH態(tài)試樣表面Ni鍍層的厚度最小，僅有3.73 μm。結(jié)合鍍層厚度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ni鍍層厚度的均勻性呈現(xiàn)出與基材表面粗糙度相似的規(guī)律，H/2態(tài)試樣表面 鍍層厚度均勻性最佳，O態(tài)、EH態(tài)和SH態(tài)試樣的鍍層厚度均勻性較差，表明H/2態(tài)試樣表面鍍層較平整。該結(jié)果與基材表面的粗糙度變化對(duì)應(yīng)，可能與銅材表面的軋制紋路和組織變化有關(guān)。

圖4 不同銅材表面鎳鍍層的截面金相照片和厚度 Figure 4 Cross-sectional metallographs and thickness of Ni coatings electroplated on copper substrates in different tempers

2.4 討論

綜上可知，在相同條件下對(duì)不同銅材基底電鍍10 min所得鍍層的表面粗糙度和厚度都存在較大的差異。鍍層會(huì)“復(fù)制”基底的表面形貌，并且鍍層的粗糙度明顯大于基材，大變形量銅材表面電鍍后的粗糙度變化程度小于變形量較小的銅材。鍍層厚度也會(huì)隨基底顯微變形組織的增加而減小。故對(duì)不同銅材試樣電鍍過(guò)程的陰極極化曲線進(jìn)行分析，以進(jìn)一步探尋造成Ni在不同基底材料表面沉積出現(xiàn)差異的原因。

由圖5可知，不同銅材表面的陰極極化效應(yīng)有所不同。在相同電流密度下，SH態(tài)試樣的電位最負(fù)，其次為H試樣，說(shuō)明變形較大的基材表面陰極極化效應(yīng)較強(qiáng)。這是由于試樣經(jīng)過(guò)較大變形后內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，使得材料電導(dǎo)率降低，抑制了鎳離子的還原，導(dǎo)致過(guò)多的電子在表面聚集而電位負(fù)移。陰極極化效應(yīng)較強(qiáng)時(shí)，鎳晶粒的成核速率大于生長(zhǎng)速率，有助于獲得晶粒細(xì)小、排列緊密的鍍層[17-18]。因此，大變形試樣表面鍍層粗糙度的增幅較小。O態(tài)試樣缺陷少，并且含有大量高電導(dǎo)率的退火孿晶[19]，陰極極化效應(yīng)弱，鎳晶粒的生長(zhǎng)速率大于成核速率，在孿晶處尤為明顯，其表面沉積的Ni鍍層晶粒粗大而稀疏，表面粗糙度較大，圖6給出的SEM圖像驗(yàn)證了該推論。另外，鍍層保留了基材的軋制形貌，而且基材表面軋制紋路凸起部位的鍍層厚度較大，如圖6d所示。這是因?yàn)樵陔婂冞^(guò)程中凸起處存在尖端放電現(xiàn)象，釋放的電子更多，沉積的鎳就更多。銅帶軋制紋路越多，鍍層較厚的部位就越多，表面粗糙度也就越大。

圖5 SH、H和O態(tài)銅材表面鎳電沉積的陰極極化曲線 Figure 5 Cathodic polarization curves for nickel electrodeposition on copper substrates in SH, H, and O tempers

圖6 SH、H和O態(tài)試樣表面鎳鍍層的表面形貌及鍍層增厚區(qū)域 Figure 6 Surface morphologies of nickel coatings on copper substrates in SH, H, and O tempers and coating thickening area

3 結(jié)論

雖然電鍍工藝參數(shù)對(duì)引線框架銅材表面鍍層性能的影響較大，但銅材顯微組織對(duì)鍍層表面粗糙度和厚度的影響也不容忽視。通過(guò)對(duì)不同組織狀態(tài)的C19400引線框架銅合金試樣進(jìn)行電鍍Ni，發(fā)現(xiàn)銅合金的顯微組織會(huì)影響Ni鍍層的厚度、表面形貌和粗糙度。在恒電壓下電鍍時(shí)，所得鍍層厚度隨銅合金變形程度的增大而減小。鍍層會(huì)“復(fù)制”基底銅合金的表面粗糙度，變形量較大的銅材在電鍍Ni后其表面粗糙度增幅小于變形量較小的銅材。在電鍍時(shí)應(yīng)結(jié)合基體材料的顯微組織特點(diǎn)來(lái)調(diào)整工藝參數(shù)，以獲得性能較優(yōu)的電鍍層。