銅基引線框架電鍍銅、銀的顯微結(jié)構(gòu)及可焊性

王鋒濤，萬(wàn)海毅，黃斌，唐世輝，宋佳駿，黃重欽，劉薇，欒道成，查五生,

1.四川金灣電子有限責(zé)任公司，四川 遂寧 629000

2.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039

21世紀(jì)以來(lái)，電子工業(yè)已然成為信息化社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)，并且?guī)?dòng)了電子元器件相關(guān)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的高速發(fā)展。電子封裝是半導(dǎo)體集成電路(IC)制造的后段工程，也是實(shí)現(xiàn)芯片固定、保護(hù)和連接的關(guān)鍵工序[1-3]。引線框架作為芯片的重要載體，不僅起到固定、支撐芯片的作用，還承擔(dān)著散熱、功率分配、信號(hào)傳輸?shù)冉巧玔4-5]。為了實(shí)現(xiàn)芯片與引線框架之間的互聯(lián)性，通常要求基島(芯片承載區(qū))與焊錫(釬料)具有良好的焊接性。通過(guò)電鍍?cè)诨谋砻嬷苽淇珊感藻儗邮墙鉀Q這一問(wèn)題的主要方法[6-9]。在IC產(chǎn)品制造與封裝領(lǐng)域，常見(jiàn)的鍍層主要有銅系、鎳系和銀系，其焊接性存在差異[10]。因此，研究不同鍍層的焊接性對(duì)引線框架-芯片封裝技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

本文在自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線上對(duì)銅基引線框架分別電鍍銅和銀，對(duì)比了Cu鍍層和Ag鍍層的微觀結(jié)構(gòu)及它們對(duì)SnPb合金的潤(rùn)濕性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電鍍工藝

引線框架為CuFeP合金材質(zhì)，通過(guò)連續(xù)沖壓成型所得。先依次進(jìn)行除油、酸活化和水洗，再采用全自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線鍍銅和鍍銀，電鍍部位如圖1中白色線框所示。

圖1 Cu基引線框架及其待鍍區(qū)域 Figure 1 Areas to be electroplated on a copper-based lead frame

鍍銅液的主要成分為氰化亞銅和氰化鈉，鍍銀液的主要成分為氰化銀和氰化鉀，電流密度分別約為3.6 A/dm2和1.5 A/dm2，溫度約為50 ℃。

1.2 釬焊試驗(yàn)

如圖2所示，采用質(zhì)量約0.019 g的含Sn 63%的SnPb合金球作為釬焊焊料，將其置于鍍Cu或Ag的基島中間，再一同放入熱處理爐中，以8 ℃/min的升溫速率加熱至220 ℃，保溫5 min，使球狀焊料熔化、鋪展。用游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)測(cè)量鋪展后焊料的最大直徑和最小直徑，求取它們的平均值作為焊料在鍍層表面的覆蓋直徑，以對(duì)比Cu鍍層和Ag鍍層對(duì)焊料的潤(rùn)濕性。

圖2 釬焊試驗(yàn)示意圖 Figure 2 Schematic diagram of brazing test

1.3 微觀結(jié)構(gòu)表征

使用線切割機(jī)分別將鍍層和釬焊試樣沿基島縱向切開(kāi)，對(duì)截面進(jìn)行冷鑲嵌，再用1500#、2000#砂紙和拋光機(jī)對(duì)截面進(jìn)行機(jī)械拋光，接著采用FEI Inspect F50掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層的表面和截面形貌，并用其配備的能譜儀(EDS)分析鍍層的元素分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鍍層的微觀結(jié)構(gòu)分析

從圖3可以看出，Cu鍍層在外觀上與基材基本一致，Ag鍍層則呈白色。從圖4可以看出，與裸銅基體相比，電鍍后基島表面覆蓋了一定厚度的Cu或Ag，結(jié)合EDS面掃結(jié)果可知兩種鍍層元素分布都很均勻。Cu鍍層表面較粗糙，存在微裂紋和孔隙，表明Cu鍍層的致密性較差。相反，Ag鍍層表面光滑細(xì)膩，無(wú)裂紋和孔隙，致密性良好。

圖3 銅基引線框架分別鍍Cu(a)和鍍Ag(b)后的照片 Figure 3 Photos of copper-based lead frame after being electroplated with Cu (a) and Ag (b), respectively

圖4 銅基材(a)、Cu鍍層(b)和Ag鍍層(c)的表面形貌和EDS面掃結(jié)果 Figure 4 Surface morphologies and EDS mapping results of copper substrate (a), Cu coating (b), and Ag coating (c)

從圖5a可以看出，鍍銅后的截面平整連續(xù)且元素分布均勻，基體和Cu鍍層之間沒(méi)有明顯的界面，表明兩者之間的界面結(jié)合良好。從圖5b可以看出，Ag鍍層的厚度約為3 μm，且與基體間的結(jié)合界面平整、連續(xù)，沒(méi)有出現(xiàn)斷層和縫隙，表明電鍍效果良好。

圖5 Cu鍍層(a)和Ag鍍層(b)的截面形貌和EDS線掃結(jié)果 Figure 5 Cross-sectional morphologies and EDS line scanning results of Cu coating (a) and Ag coating (b)

2.2 不同鍍層的焊接性分析

2.2.1 對(duì)釬料的潤(rùn)濕性

通過(guò)釬焊試驗(yàn)進(jìn)一步探究了不同鍍層對(duì)SnPb合金的潤(rùn)濕性，結(jié)果如圖6所示。加熱熔融后的釬料在Cu鍍層和Ag鍍層表面均有一定程度的鋪展，但鋪展程度有差別。Cu、Ag鍍層表面的焊點(diǎn)平均直徑分別為3.19 mm和3.76 mm，即釬料在Ag鍍層表面的鋪展面積大于在Cu鍍層表面的鋪展面積，說(shuō)明Ag鍍層對(duì) SnPb合金的潤(rùn)濕效果優(yōu)于Cu鍍層。

圖6 Cu鍍層(a)和Ag鍍層(b)表面釬料的焊點(diǎn)狀態(tài) Figure 6 Appearance of solder joints on Cu coating (a) and Ag coating (b)

2.2.2 焊接界面的截面形貌

從圖7可知，無(wú)論鍍層存在與否，Cu(或Ag)與Sn之間均表現(xiàn)出了良好的界面結(jié)合，界面沒(méi)有縫隙存在，說(shuō)明焊料在基島表面的擴(kuò)散焊接性較好。但是與裸銅焊接相比，由于鍍層在釬料和基材之間起到了一定的潤(rùn)濕效果，電鍍Cu或Ag之后的基島與焊料之間的結(jié)合界面顯得更加平整光滑，表現(xiàn)出更好的焊接性。

圖7 銅基材(a)、Cu鍍層(b)和Ag鍍層(c)表面焊點(diǎn)的截面形貌 Figure 7 Cross-sectional morphologies of solder joints on copper substrate (a), Cu coating (b), and Ag coating (c)

從圖8可以看出，Cu、Sn元素在界面附近的一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出緩慢變化趨勢(shì)，說(shuō)明兩元素之間發(fā)生了一定程度的互擴(kuò)散，且融合區(qū)寬度不一。鍍Cu和鍍Ag后的界面融合區(qū)寬度分別約為3.8 μm和4.7 μm，均大于裸銅界面的融合區(qū)寬度(約3.0 μm)。這表明焊料在鍍層表面的擴(kuò)散焊接性優(yōu)于在裸銅表面，且Ag鍍層與Sn合金的互擴(kuò)散反應(yīng)能力要強(qiáng)于Cu鍍層。另外，在圖8c的焊接界面沒(méi)有觀察到明顯的Ag鍍層，且Ag元素的強(qiáng)度較低，這可能是因?yàn)锳g和Sn發(fā)生了固溶反應(yīng)，導(dǎo)致Sn元素在界面處大量擴(kuò)散。

圖8 銅基材(a)、Cu鍍層(b)和Ag鍍層(c)表面焊點(diǎn)的截面EDS線掃結(jié)果 Figure 8 Results of EDS line scanning along the depth direction for the solder joints on copper substrate (a), Cu coating (b), and Ag coating (c)

3 結(jié)論

1) Ag在銅基引線框架表面的沉積效果要優(yōu)于Cu，Ag鍍層表面光滑平整，致密性好。

2) 銅基引線框架表面的焊接性與鍍層種類有關(guān)。與Cu鍍層相比，Ag鍍層對(duì)SnPb合金具有更好的潤(rùn)濕效果，焊點(diǎn)覆蓋面積大，結(jié)合界面平整光滑，表現(xiàn)出了更好的焊接性。