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氧化铝陶瓷封装外壳电镀爬金缺陷分析与解决

2024-07-05 169 上传者：管理员

摘要：针对焊接框架引线类陶瓷封装外壳电镀后爬金缺陷，采用扫描电子显微镜和能谱仪对电镀前的陶瓷外壳进行了分析。结果表明，在烧结和钎焊过程分别在陶瓷表面上引入了钨粉和焊料，在显微镜下无法筛选去除导致电镀后爬金。在增加了烧结工装的清洗和电镀前处理以及退火后，爬金缺陷得到有效解决。

关键词：
爬金
电镀
缺陷
钎焊
陶瓷封装外壳
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随着电子产品对电路密度和性能要求的不断提高，电子封装材料由热固性塑料、硅酮塑料等有机材料逐渐地向高可靠性的陶瓷材料过渡，其中陶瓷封装外壳，简称陶瓷外壳是一种应用于高频、高可靠性芯片的小型化封装形式[1,2,3]。陶瓷外壳能提供优良的气密性，保护内部芯片不受外界环境影响，延长了芯片的使用寿命[4,5]。另一方面，陶瓷外壳在电、热、机械特性领域极其稳定，具有较高的热导率以及优良的机械强度，不易产生形变和裂纹等现象。陶瓷外壳生产工序主要有：浆料制备、流延落料、打孔开腔、填孔、印刷、层压、热切、烧结[6,7,8,9]、镀镍[10,11,12,13,14]、装架钎焊[15,16]、电镀镍金[17,18,19,20]、成品检验。陶瓷外壳在烧结和装架钎焊过程中容易引入杂质和有机物，在电镀前处理过程中不能去除，在电镀镍金时与金属化区域导通形成金层，导致陶瓷外壳失效，此类现象简称爬金缺陷。该缺陷为陶瓷外壳电镀过程中主要不合格缺陷，该问题亟需得到解决。

本文针对陶瓷外壳电镀后爬金缺陷，采用体视显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪对电镀前后陶瓷外壳的宏观形貌和微观结构进行分析，找出爬金缺陷的原因。在不改变烧结工艺和钎焊工艺的前提下，对烧结引入杂质的承烧板和钎焊后的陶瓷外壳进行清洗处理，以降低爬金缺陷。

1、陶瓷封装外壳的主要制程

陶瓷外壳各功能区采用高温共烧陶瓷（HTCC）工艺制备而成（如图1所示），随后利用模具将外壳需要的金属零部件进行定位装配，然后通过高温钎焊的方式将引线与瓷件焊接成型。

图1陶瓷封装外壳各功能区

钎焊后进行电镀前处理，首先超声除油处理，去除表面的油污和脏污；随后进行3连纯水洗，将除油液清洗干净；接着进行酸洗处理，去除金属化区域的氧化物；酸洗后进行3连纯水洗，最后进行电镀镍和电镀金操作，镀金结束后再进行3连纯水洗、热水洗和烘干。

2、电镀爬金缺陷分析

陶瓷外壳QFP系列、DFP系列等焊接框架引线类产品，其特点为金属化连接区需要通过焊料焊接引线框架，如图2左侧所示，QFP系列红色为框架引线，蓝色为焊料片，白色为陶瓷外壳，红色与白色重合位置为焊接位置，焊接结束之后焊料因为浸润性关系，在融化后会收缩至焊盘内，如图2右侧所示。由于焊料浸润性和脏污会造成镀金层出现延边爬镀等缺陷，这使得连接区之间相互连接，导致外壳失效。

图2陶瓷外壳钎焊示意图

陶瓷外壳按照常规工艺进行电镀后，在10倍显微镜下发现部分陶瓷外壳存在爬金缺陷，如图3所示，爬金比例在20%左右。从图中可以看出爬金缺陷大部分位于背部连接区棱边之间，由于该缺陷导致外观不满足检验指导书中金属化斑点不应大于绝缘间隙宽度50%的要求。

图3电镀爬金缺陷照片

发现该缺陷后对钎焊的产品逐一进行了检查，挑选了几只连接区附着脏污的产品，发现电镀后脏污对应的区域出现了爬金现象，如图4所示，说明爬金现象与脏污有关。

图4电镀前、后爬金缺陷照片

随后在20倍体视显微镜下将连接区脏污陶瓷剔除其余陶瓷进行电镀镍金，电镀后爬镀比例为15%，说明连接区除了宏观的脏污以外还存在微观的脏污。随机抽取数只采用日本株式会社日立公司的SU3500形扫描电子显微镜附带的能谱仪分析连接区间的元素组成，结果如图5所示，从图中可以看出连接区域的主要组成为W、Ag、O、Al、Pd；其中Al和O为陶瓷本身的组成；而W是浆料的主要组成，占比最高为83.55 wt.%，其来源是在烧结前摆放生胚时，承烧板上残留的钨粉引入的；Ag、Cu是焊料的组成，占比10.51 wt.%。

图5连接区内爬金区域照片和能谱分析图

3、电镀爬金解决方案

3.1增加烧结工装的清洗工艺

陶瓷外壳烧结工序是将热切下来的生瓷单体摆放在承烧板上，在高温气氛推板炉内进行，是陶瓷与钨金属在高温氮-氢气氛下进行共烧的过程。烧结后承烧板表面会残留部分钨浆，如处理不干净，会污染下一批烧结的陶瓷外壳。

对于烧结后承烧板上残留的钨浆和杂质，可通过喷砂去除表面的脏污和残留的钨浆，保证承烧板的洁净度，喷砂处理前后试样如图6所示。

3.2电镀前对陶瓷外壳进行前处理和退火

前处理工艺是将陶瓷外壳浸泡在高锰酸钾与氢氧化钠的混合溶液中清洗2 min，然后取出陶瓷外壳快速浸泡在50%的盐酸溶液中5 min，以上操作结束后按照正常电镀流程进行除油、酸洗等步骤。

前处理清洗机理是因为高锰酸钾为强氧化剂，广泛用于制作防腐剂、消毒剂、水质净化以及漂白剂。高锰酸钾可以与银铜焊料反应，氧化银铜焊料的同时，不与产品表面的基材-氧化铝、可伐、镍磷合金发生反应，生成的氧化银和氧化铜溶解于氢氧化钠溶液中，而陶瓷基体表面的焊料量少，引线钎焊处焊料量大且具有包角。故可以通过控制氧化时间去除背部连接区间残留的微量银铜焊料，同时引线处的焊料量多会在引线焊接处形成一层薄薄的氧化膜，然后采用盐酸溶液快速还原引线处的焊料包角，保证引线钎焊处不受影响，不影响陶瓷外壳的结合力。

前处理后将陶瓷外壳放置在650℃高温氮-氢气氛下进行退火处理，将引线上的焊料全部还原回来，使得陶瓷表面颜色一致。

4、改进效果

选取同一批次的陶瓷外壳，采用改进后的工艺进行电镀，改进前后外观对比如图7所示，改进后的电镀外观与改进前的电镀外观无明显差异，连接区之间的爬金比例明显降低且连续电镀3批陶瓷外壳爬金比例在1%以内。针对改进后的陶瓷外壳进行相关可靠性试验，试验结果合格，说明该工艺不会对陶瓷外壳性能造成影响，可用于批量生产。

图6样品喷砂前后对比

图7改进前后电镀外观照片

5、结论

本文针对焊接框架引线类陶瓷外壳在制造过程中引入的杂质造成的爬金缺陷进行了分析，并给出了相应解决措施：

(1）通过对烧结前承烧板进行喷砂处理，可解决陶瓷表面附着钨浆的问题，该工艺能有效地满足外壳的生产需求。

(2）在不影响陶瓷外壳外观和性能的前提下，电镀前增加一道前处理和退火操作，可将电镀爬金比例控制在1%以内，提高了电镀工序的产出率。

参考文献:

[1]黄庆红.电子元器件封装技术发展趋势[J].电子与封装, 2010, 10(6):8-11.

[2]李春发.半导体封装技术的现状和展望[J].半导体情报, 1983(5):1-17.

[4]袁永举. DIP封装器件密封失效机理研究[J].电子工艺技术, 2018, 39(4):209-211.

[5]张志庆,张玉,刘旭. TO型陶瓷封装外壳可靠性研究[J].电子质量, 2022(11):32-36.

[6]马佳进,罗钱,李晨辉,等.碳酸铝铵热解制备纳米氧化铝以及陶瓷烧结[J].化学与生物工程, 2023, 40(11):12-19.