自動(dòng)電鍍線拉片速率對(duì)引線框架鍍層微觀結(jié)構(gòu)和釬焊性的影響

王鋒濤，萬海毅，黃斌，唐世輝，蔡擎, ，王宗元，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）

近年來，隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，集成電路元件在各類工業(yè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色，也加快了半導(dǎo)體芯片高密度封裝的技術(shù)革新。集成電路封裝是通過裝片、鍵合、塑封、固化等多道工序?qū)⑿酒庋b在引線框架上，以實(shí)現(xiàn)固定安裝、密封保護(hù)等作用，從而完成內(nèi)部芯片與外部電路的連接[1-2]。其中，裝片/鍵合是實(shí)現(xiàn)芯片/焊絲和引線框架具有良好擴(kuò)散焊接性的關(guān)鍵步驟。因此，通常要求在引線框架表面做電鍍處理，使連接區(qū)域表面潔凈且具有較好的焊接活性[3-6]。鍍銅引線框架是目前應(yīng)用廣泛的一種封裝材料。由于在電鍍過程中電鍍參數(shù)會(huì)直接影響鍍層的致密性、微觀結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，并最終決定了焊接質(zhì)量，因此電鍍工藝的優(yōu)化研究對(duì)集成電路性能的穩(wěn)定具有重要意義[6-10]。

本文在自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線上對(duì)銅基引線框架進(jìn)行鍍銅，研究了不同拉片速率對(duì)基島(芯片承載區(qū))表面鍍層微觀形貌以及對(duì)Sn–Pb合金釬焊性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍銅工藝

引線框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，基材為CuFeP合金，連續(xù)沖壓成形。采用全自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線鍍銅，電鍍前 進(jìn)行除油、酸活化和水洗表面處理。鍍銅液為氰化亞銅和氰化鈉的復(fù)合溶液，電流約為30 A，溫度約為50 °C，拉片速率分別為8、10和12 m/min。

圖1 Cu基引線框架Figure 1 Copper-based lead frame

1.2 釬焊試驗(yàn)

采用質(zhì)量約為0.038 g的Sn–Pb合金球(含Sn 63%)作為釬焊焊料，將其置于鍍銅后的基島中間，隨后放于熱處理爐中，以8 °C/min的速率加熱至220 °C，保溫5 min，使球狀焊料熔化、鋪展，如圖2所示。測(cè)量鋪展區(qū)域最大直徑和最小直徑后取其平均值，以對(duì)比不同拉片速率下鍍層的釬焊性。

圖2 釬焊性試驗(yàn)示意圖Figure 2 Schematic diagram of brazability test

1.3 微觀結(jié)構(gòu)表征

采用線切割方法將釬焊試樣沿基島縱向切開，獲取截面后進(jìn)行冷鑲嵌制得試樣，并使用1500#、2000#砂紙以及拋光機(jī)對(duì)截面進(jìn)行機(jī)械拋光。利用配備有能譜儀(EDS)的Inspect F50型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層表面和截面的形貌，分析其元素分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉片速率對(duì)鍍層形貌的影響

從圖3可看出，以8 m/min拉片速率電鍍的鍍層表面平整均勻，顆粒之間結(jié)合較為緊密，沒有明顯的凹坑和縫隙，EDS面掃描結(jié)果顯示Cu元素分布均勻。以10 m/min拉片速率電鍍的鍍層表面存在明顯 孔隙和層狀結(jié)構(gòu)(如圖3b中白色虛線框所示)，表明顆粒粘結(jié)不夠完整，鍍層致密性較差。當(dāng)拉片速率提高至12 m/min，由于過快，而Cu離子來不及沉積和結(jié)晶析出，因此合金表面幾乎未形成明顯的鍍層。

圖3 不同拉片速率下所得鍍層的表面SEM形貌和EDS譜圖Figure 3 SEM morphology and EDS spectrum of the surface of coating electroplated at different feeding rates

2.2 拉片速率對(duì)焊點(diǎn)大小的影響

進(jìn)一步探究不同拉片速率下基島表面對(duì)Sn–Pb合金釬焊性的影響，如圖4所示。在自身重力作用下，熔融后的Sn–Pb球均能不同程度地鋪展在合金表面。結(jié)合表1可知，8 m/min拉片速率下焊點(diǎn)鋪展面積最大，12 m/min拉片速率下焊點(diǎn)鋪展效果最差。這說明良好的鍍層形貌有利于提高Sn–Pb合金的潤(rùn)濕效果。

圖4 不同拉片速率下鍍銅后相同質(zhì)量釬料焊點(diǎn)的形貌Figure 4 Morphologies of welding spots with the same amount of solder on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

表1 不同拉片速率下鍍銅后焊點(diǎn)的平均直徑Table 1 Average diameter of welding spot on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

2.3 拉片速率對(duì)焊點(diǎn)截面形貌的影響

從圖5可以看出，不同拉片速率下Cu–Sn界面連接光滑，沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，說明焊料與基島表面具有較好的結(jié)合性。但是，相對(duì)于12 m/min，在8 m/min和10 m/min的拉片速率下，由于鍍層的存在，釬料與基島的結(jié)合界面更為平整，這為芯片粘接提供了更好的潤(rùn)濕效果。

圖5 不同拉片速率下鍍銅后焊點(diǎn)的截面形貌Figure 5 Cross-sectional morphologies of welding spots on lead frame island after being electroplated with copperat different feeding rates

圖6為截面結(jié)合處附近的EDS能譜，譜線1為Cu元素的分布，譜線2為Sn元素的分布。可以看出，Cu元素與Sn元素在截面的融合區(qū)發(fā)生了互擴(kuò)散。10 m/min拉片速率下的互擴(kuò)散融合區(qū)寬度約為4 μm，稍大于8 m/min拉片速率時(shí)的融合區(qū)寬度(約3.5 μm)。這主要是因?yàn)?0 m/min拉片速率下所得鍍層的致密性較差，Sn液滲透后擴(kuò)散界面更大。12 m/min拉片速率下基島表面沒有鍍層出現(xiàn)，且存在較多孔洞，元素?cái)U(kuò)散深度更大。

圖6 不同拉片速率下鍍銅后焊點(diǎn)截面的EDS譜圖Figure 6 EDS spectra of cross section of welding spot on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

3 結(jié)論

(1) 自動(dòng)電鍍線的拉片速率顯著影響引線框架電鍍銅的效果。拉片速率越大，銅沉積時(shí)間越短，銅鍍層的致密性越差，但拉片速率過低會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。

(2) 在8 m/min的拉片速率下，基島表面鍍層平整，顆粒結(jié)合緊密，表現(xiàn)出較好的微觀結(jié)構(gòu)特征，此時(shí)鍍層與Sn–Pb合金之間的釬焊性較好，焊點(diǎn)鋪展面積大，結(jié)合界面平整光滑。