铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性_王锋涛.pdf

50 【电子技术【电子技术/Electronic Technology】DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.03.009 铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性 王锋涛1，万海毅2，黄斌1，唐世辉1，宋佳骏1，黄重钦1，刘薇2，栾道成2，查五生2,*1.四川金湾电子有限责任公司，四川 遂宁 629000 2.西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039 摘要：摘要：在自动电镀线上对铜基引线框架表面分别镀铜和镀银。通过扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析及钎焊试验对比了 Cu 镀层和 Ag 镀层的微观形貌、元素分布和焊接性。结果表明，银在引线框架基岛表面具有更好的沉积效果，所得 Ag 镀层平整光滑，结构致密。焊点在 Ag 镀层表面覆盖直径大于 Cu 镀层，表现出更好的焊接性。关键词：关键词：引线框架；电镀；铜；银；微观结构；焊接性 中图分类号：中图分类号：TQ153.2 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)03 0050 05 Microstructure and weldability of copper and silver coatings electroplated on copper-based lead frame WANG Fengtao 1,WAN Haiyi 2,HUANG Bin 1,TANG Shihui 1,SONG Jiajun 1,HUANG Zhongqin 1,LIU Wei 2,LUAN Daocheng 2,ZHA Wusheng 2,*1.Sichuan Jinwan Electronics Co.,Ltd.,Suining 629000,China 2.School of Materials Science and Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China Abstract:Electroplating of copper and silver was conducted respectively on the surface of copper-based lead frame on an automatic production line.The micromorphologies,elemental distribution,and weldability of Cu and Ag coatings were compared by scanning electron microscopy(SEM),energy-dispersive spectroscopy(EDS),and brazing testing.The results showed that the deposition of silver on the paddle of lead frame was better than that of copper,and the electroplated Ag coating was smooth and compact.The diameter of solder joint formed on Ag coating was larger than that on Cu coating,indicating that silver coating has better weldability.Keywords:lead frame;electroplating;copper;silver;microstructure;weldability 21 世纪以来，电子工业已然成为信息化社会的支柱产业，并且带动了电子元器件相关设计与制造技术的高速发展。电子封装是半导体集成电路(IC)制造的后段工程，也是实现芯片固定、保护和连接的关键工序1-3。引线框架作为芯片的重要载体，不仅起到固定、支撑芯片的作用，还承担着散热、功率分配、信号传输等角色4-5。为了实现芯片与引线框架之间的互联性，通常要求基岛(芯片承载区)与焊锡(钎料)具有良好的焊接性。通过电镀在基材表面制备可焊性镀层是解决这一问题的主要方法6-9。在 IC 产品制造与封装领域，常见的镀层主要有铜系、镍系和银系，其焊接性存在差异10。因此，研究不同镀层的焊接性对引线框架芯片封装技术的发展具有重要意义。本文在自动电镀生产线上对铜基引线框架分别电镀铜和银，对比了 Cu 镀层和 Ag 镀层的微观结构及它们对 SnPb 合金的润湿性。1 实验实验 1.1 电镀工艺电镀工艺 引线框架为 CuFeP 合金材质，通过连续冲压成型所得。先依次进行除油、酸活化和水洗，再采用全自动电镀生产线镀铜和镀银，电镀部位如图 1 中白色线框所示。收稿日期：收稿日期：20220826 修回日期：修回日期：20221227 基金项目：基金项目：四川省科技成果转移转化示范区项目(半导体大功率器件用引线框架制造技术产业化)。第一作者：第一作者：王锋涛（1964），男，硕士，工程师，研究方向为机械制造。通信作者：通信作者：查五生（1963），男，博士，教授，研究方向为金属材料及其成型技术。引用格式：引用格式：王锋涛,万海毅,黄斌,等.铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性J.电镀与涂饰,2023,42(3):50-54.WANG F T,WAN H Y,HUANG B,et al.Microstructure and weldability of copper and silver coatings electroplated on copper-based lead frame J.Electroplating&Finishing,2023,42(3):50-54.铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性 51 图图 1 Cu 基引线框架及其待镀区域基引线框架及其待镀区域 Figure 1 Areas to be electroplated on a copper-based lead frame 镀铜液的主要成分为氰化亚铜和氰化钠，镀银液的主要成分为氰化银和氰化钾，电流密度分别约为 3.6 A/dm2和 1.5 A/dm2，温度约为 50。1.2 钎焊试验钎焊试验 如图 2 所示，采用质量约 0.019 g 的含 Sn 63%的 SnPb 合金球作为钎焊焊料，将其置于镀 Cu 或 Ag 的基岛中间，再一同放入热处理炉中，以 8/min 的升温速率加热至 220，保温 5 min，使球状焊料熔化、铺展。用游标卡尺(精度为 0.02 mm)测量铺展后焊料的最大直径和最小直径，求取它们的平均值作为焊料在镀层表面的覆盖直径，以对比 Cu 镀层和 Ag 镀层对焊料的润湿性。图图 2 钎焊试验示意图钎焊试验示意图 Figure 2 Schematic diagram of brazing test 1.3 微观结构表征微观结构表征 使用线切割机分别将镀层和钎焊试样沿基岛纵向切开，对截面进行冷镶嵌，再用 1500#、2000#砂纸和抛光机对截面进行机械抛光，接着采用 FEI Inspect F50 扫描电子显微镜(SEM)观察镀层的表面和截面形貌，并用其配备的能谱仪(EDS)分析镀层的元素分布。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 不同镀层的微观结构分析不同镀层的微观结构分析 从图 3 可以看出，Cu 镀层在外观上与基材基本一致，Ag 镀层则呈白色。从图 4 可以看出，与裸铜基体相比，电镀后基岛表面覆盖了一定厚度的 Cu 或 Ag，结合 EDS 面扫结果可知两种镀层元素分布都很均匀。Cu镀层表面较粗糙，存在微裂纹和孔隙，表明 Cu 镀层的致密性较差。相反，Ag 镀层表面光滑细腻，无裂纹和孔隙，致密性良好。从图 5a 可以看出，镀铜后的截面平整连续且元素分布均匀，基体和 Cu 镀层之间没有明显的界面，表明两者之间的界面结合良好。从图 5b 可以看出，Ag 镀层的厚度约为 3 m，且与基体间的结合界面平整、连续，没有出现断层和缝隙，表明电镀效果良好。(a)(b)图图 3 铜基引线框架分别镀铜基引线框架分别镀 Cu(a)和镀)和镀 Ag(b)后的照片)后的照片 Figure 3 Photos of copper-based lead frame after being electroplated with Cu(a)and Ag(b),respectively 铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性 52 (a)(b)(c)图图 4 铜基材(铜基材(a)、)、Cu 镀层(镀层(b)和)和 Ag 镀层(镀层(c)的表面形貌和)的表面形貌和 EDS 面扫结果面扫结果 Figure 4 Surface morphologies and EDS mapping results of copper substrate(a),Cu coating(b),and Ag coating(c)(a)(b)图图 5 Cu 镀层(镀层(a)和)和 Ag 镀层(镀层(b)的截面形貌和)的截面形貌和 EDS 线扫结果线扫结果 Figure 5 Cross-sectional morphologies and EDS line scanning results of Cu coating(a)and Ag coating(b)铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性 53 2.2 不同镀层的焊接性分析不同镀层的焊接性分析 2.2.1 对钎料的润湿性对钎料的润湿性 通过钎焊试验进一步探究了不同镀层对 SnPb 合金的润湿性，结果如图 6 所示。加热熔融后的钎料在Cu 镀层和 Ag 镀层表面均有一定程度的铺展，但铺展程度有差别。Cu、Ag 镀层表面的焊点平均直径分别为3.19 mm 和 3.76 mm，即钎料在 Ag 镀层表面的铺展面积大于在 Cu 镀层表面的铺展面积，说明 Ag 镀层对 SnPb 合金的润湿效果优于 Cu 镀层。(a)(b)图图 6 Cu 镀层(镀层(a)和)和 Ag 镀层(镀层(b)表面钎料的焊点状态)表面钎料的焊点状态 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焊接界面的截面形貌 从图 7 可知，无论镀层存在与否，Cu(或 Ag)与 Sn 之间均表现出了良好的界面结合，界面没有缝隙存在，说明焊料在基岛表面的扩散焊接性较好。但是与裸铜焊接相比，由于镀层在钎料和基材之间起到了一定的润湿效果，电镀 Cu 或 Ag 之后的基岛与焊料之间的结合界面显得更加平整光滑，表现出更好的焊接性。(a)(b)(c)图图 7 铜基材(铜基材(a)、)、Cu 镀层(镀层(b)和)和 Ag 镀层(镀层(c)表面焊点的截面形貌)表面焊点的截面形貌 Figure 7 Cross-sectional morphologies of solder joints on copper substrate(a),Cu coating(b),and Ag coating(c)铜基引线框架电镀铜、银的显微结构及可焊性 54 从图 8 可以看出，Cu、Sn 元素在界面附近的一定范围内呈现出缓慢变化趋势，说明两元素之间发生了一定程度的互扩散，且融合区宽度不一。镀 Cu 和镀 Ag 后的界面融合区宽度分别约为 3.8 m 和 4.7 m，均大于裸铜界面的融合区宽度(约 3.0 m)。这表明焊料在镀层表面的扩散焊接性优于在裸铜表面，且 Ag 镀层与Sn 合金的互扩散反应能力要强于 Cu 镀层。另外，在图 8c 的焊接界面没有观察到明显的 Ag 镀层，且 Ag 元素的强度较低，这可能是因为 Ag 和 Sn 发生了固溶反应，导致 Sn 元素在界面处大量扩散。(a)(b)(c)图图 8 铜基材(铜基材(a)、)、Cu 镀层(镀层(b)