氧化鋯陶瓷Cu/Ni/Au鍍層的制備及性能

任 鵬

（比亞迪精密制造有限公司，廣東深圳 518116）

氧化鋯陶瓷是一類先進的新型陶瓷材料，具有高硬度、耐高溫、耐磨損和耐燒蝕等優良的性能，同時具有無電磁干擾，不具備磁性，接收信號能力強的特點。在眾多的陶瓷材料之中，氧化鋯陶瓷具備熱穩定性好、隔熱性好、膨脹系數可調、熱導率低且其熱膨脹系數與金屬相近等優異性能。由于氧化鋯陶瓷具有優良的綜合性能，在微電子和手機通訊等電子工業領域中有著越來越廣泛的應用。

氧化鋯陶瓷用于微電子封裝時，需要與其他材料連接。因此，需要對陶瓷進行金屬化處理，以方便與其它的材料進行連接。目前，陶瓷金屬化的方法主要有化學鍍金屬化、真空濺射法（PVD）金屬化等。

氧化鋯陶瓷的化學穩定性好，普通粗化藥水很難粗化其表面，無法造成陶瓷表面微觀粗糙，難以增大基體的表面積導致直接化學鍍法形成的金屬薄膜附著力不好。PVD 金屬化雖可以形成附著力性能優異的金屬薄膜，但耗時時間長，成本高昂。本實驗采用PVD 法與化學鍍法相結合的方法，先通過PVD 法形成鉻銅打底層，然后采用化學鍍法，在PVD 打底層的基礎上鍍銅鎳金鍍層。該方法既可形成附著力性能優異的鍍層，又可節約成本。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料及試劑

PVD 鍍鉻銅打底的氧化鋯陶瓷棒，陶瓷棒尺寸1.3mm * 1.3mm *3.6mm，PVD 鉻的膜厚在0.1～0.3μm，銅的膜厚在1.5-～2.0μm。氧化鋯陶瓷的成分如表1所示。

表1 氧化鋯陶瓷主要成分（wt.%）

實驗試劑：151 除油粉，PPC-530 化銅，ENCHEM M7-中磷化學鎳，稀硫酸，活化劑，CIRCUM-BRITE807化學金，QP-100封閉劑。

1.2 實驗工藝流程及方法

本實驗主要有前處理，化學銅、活化，化學鎳，化學金以及金保護等，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 氧化鋯陶瓷化學鍍銅鎳金工藝流程

其中，除油采用超聲波除油，超聲波設備為中山勁威超聲波廠提供。除油時間為5min，主要是為了去除PVD 鍍銅的氧化鋯陶瓷棒表面的油污。酸洗的主要成分是10%的稀硫酸，主要目的是除去PVD 銅上的氧化膜，讓后續可以鍍上化學銅，酸洗時間3min。活化是使鍍件表面形成一層具有催化活性的金屬鈀，為化學鍍提供必要條件，使化學鍍能自發進行，增加鍍層結合力。本實驗所用的活化劑是永星化工AD455活化劑，活化時間3min。

1.2.1 化學銅

化學鍍銅的關鍵是配制化學鍍銅溶液，本實驗的化學銅溶液采用永星化工提供的藥水，配方如表2所示。

表2 化學鍍銅鍍液組成

將配好的化學銅溶液進行空氣攪拌以及過濾循環，加熱到50℃，調節pH 至12.5。然后將已完成除油、酸洗的PVD鍍銅氧化鋯陶瓷棒放入槽液中施鍍，施鍍10min 后取出陶瓷棒，完成化學銅。過三聯水洗后然后再進行酸洗，酸洗3min。酸洗后過三聯水洗，然后進入化學鎳槽。

1.2.2 化學鎳

本實驗的化學鎳藥水采用永星化工的NCHEM M7-R 中磷化學沉鎳，開槽配制。如表3所示。

將配制好的化學鎳槽液進行空氣攪拌以及過濾循環，并加熱到75℃，將pH 調至5.0。在此條件下，將經過活化處理的陶瓷棒放入化學鎳槽里，15min 后取出，完成化學鎳。

1.2.3 化學金

本實驗的化學金藥水采用永星化工的CIRCUM-BRITE807化學沉金藥水，開槽配制。如表4所示。

表4 化學鍍金鍍液組成

將配制好的化學鎳槽液進行空氣攪拌以及過濾循環，并加熱到88℃，將pH 調至6.5。在此條件下，將經過化學鎳處理的陶瓷棒放入化學金槽里，60min 后取出，完成化學金。

1.2.4 金保護

為了保護金鍍層不被氧化，提高鍍層性能。在化學金之后進行金保護處理。本實驗所用金保護劑為永星化工的QP-100封閉劑，濃度為100ml/L，溫度為45℃，保護時間2min。

2 可靠性測試

2.1 膜厚測試

將做完化學鍍銅鎳金的陶瓷棒選取12pcs 進行膜厚測試。測試設備：X-RAY 膜厚測試儀

測試方法：每個產品測試三個點，結果取平均值

測試標準：鉻層膜厚0.1～0.3μm；銅層總厚度在1.5～3μm；鎳層厚度1～3μm；金層厚度大于0.5μm 為合格。

測試結果：檢測結果如表5所示。12pcs 樣品各金屬層膜厚全部在要求范圍內。

表5 膜厚測試結果（單位：μm）

2.2 拉拔力測試

將12pcs 做完化學鍍銅鎳金的陶瓷棒進行拉拔力測試。

（1）測試設備：拉拔力測試儀。

（2）測試條件：拉拔速度4mm/min。

（3）測試標準：銅絲斷裂的最大載荷大于150gf，且鍍層不脫離。

（4）測試結果如表6所示。12pcs 樣品測試結果全部為銅線斷裂，未見膜層脫落，且斷裂的最大載荷均大于150gf。

表6 拉拔力測試結果

2.3 水煮測試

將12pcs 做完化學鍍銅鎳金的陶瓷棒進行水煮測試。

（1）測試設備：恒溫水浴鍋。

（2）測試條件：純水，100℃，30min。

（3）測試標準：無明顯腐蝕、起泡、麻點、開裂、變形等不良，用3M 膠帶粘膜層不脫落。

（4）測試結果如圖2 所示。12pcs 樣品水煮測試無腐蝕、起泡、麻點、開裂、變形等不良，3M 膠帶粘膜層無脫落。

圖2 水煮測試結果

2.4 鹽霧測試

將12pcs 做完化學鍍銅鎳金的陶瓷棒進行中性鹽霧測試。

（1）測試設備：鹽霧箱。

（2）測試條件：氯化鈉5%±1%，35℃，24h。

（3）測試標準：外觀無銹蝕、變色，鍍層無起皮、鼓泡、脫落。

（4）測試結果如圖3所示。12pcs 樣品經中性鹽霧測試24h后，鍍層無銹蝕、變色，鍍層無起皮、鼓泡、脫落等不良。

圖3 中性鹽霧測試結果

2.5 可焊性測試

將12pcs 做完化學鍍銅鎳金的陶瓷棒進行可焊性測試。

（1）測試設備：焊錫爐。

（2）測試條件：測試溫度255℃，測試時間5s，JS-808C助焊劑。

（3）測試標準：在30倍顯微鏡下觀看，針孔、不沾錫區域等缺陷不能集中于一處，且缺陷處所占面積不能超過測試面積的5%。

（4）測試結果如圖4所示。12pcs 樣品焊錫后，金屬鍍層區域均能夠全部均勻沾錫，沾錫飽滿，且放大30倍，無漏錫區域。

圖4 可焊性測試結果

3 結論

本文針氧化鋯陶瓷不易直接化學鍍以及全PVD 金屬化的缺點，提出新的工藝技術，先在氧化鋯陶瓷上用PVD 鍍鉻銅層作為打底層，然后以此為基材進行化學鍍銅鎳金，并對產品進行可靠性測試，結果表明，在PVD 鍍鉻銅打底的基礎上進行化學鍍銅鎳金，鍍層性能優異，滿足要求。

PVD 鍍鉻銅的基礎上化學鍍的工藝參數為：化學銅鍍液pH 12.5，溫度50℃，施鍍時間10min；化學鎳鍍液pH5.0，溫度75℃，施鍍時間15min；化學金pH6.5，溫度88℃，施鍍時間60min。該條件下，產品各鍍層厚度滿足要求，Cu/Ni/Au 鍍層具有良好的結合力、耐蝕性以及可焊性，且均能夠達到標準要求。