自動電鍍線拉片速率對引線框架鍍層微觀結構和釬焊性的影響

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任公司，四川 遂寧 629000； 2.西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039）

近年來，隨著電子信息產業的高速發展，集成電路元件在各類工業領域中扮演著重要的角色，也加快了半導體芯片高密度封裝的技術革新。集成電路封裝是通過裝片、鍵合、塑封、固化等多道工序將芯片封裝在引線框架上，以實現固定安裝、密封保護等作用，從而完成內部芯片與外部電路的連接[1-2]。其中，裝片/鍵合是實現芯片/焊絲和引線框架具有良好擴散焊接性的關鍵步驟。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用廣泛的一種封裝材料。由于在電鍍過程中電鍍參數會直接影響鍍層的致密性、微觀結構等性質，并最終決定了焊接質量，因此電鍍工藝的優化研究對集成電路性能的穩定具有重要意義[6-10]。

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

1 實驗

1.1 鍍銅工藝

引線框架結構如圖1所示，基材為CuFeP合金，連續沖壓成形。采用全自動電鍍生產線鍍銅，電鍍前 進行除油、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

采用質量約為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。測量鋪展區域最大直徑和最小直徑后取其平均值，以對比不同拉片速率下鍍層的釬焊性。

圖2 釬焊性試驗示意圖Figure 2 Schematic diagram of brazability test

1.3 微觀結構表征

采用線切割方法將釬焊試樣沿基島縱向切開，獲取截面后進行冷鑲嵌制得試樣，并使用1500#、2000#砂紙以及拋光機對截面進行機械拋光。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 結果與討論

2.1 拉片速率對鍍層形貌的影響

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，顆粒之間結合較為緊密，沒有明顯的凹坑和縫隙，EDS面掃描結果顯示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 孔隙和層狀結構(如圖3b中白色虛線框所示)，表明顆粒粘結不夠完整，鍍層致密性較差。當拉片速率提高至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 拉片速率對焊點大小的影響

進一步探究不同拉片速率下基島表面對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。結合表1可知，8 m/min拉片速率下焊點鋪展面積最大，12 m/min拉片速率下焊點鋪展效果最差。這說明良好的鍍層形貌有利于提高Sn–Pb合金的潤濕效果。

圖4 不同拉片速率下鍍銅后相同質量釬料焊點的形貌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 拉片速率對焊點截面形貌的影響

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

圖5 不同拉片速率下鍍銅后焊點的截面形貌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?？梢钥闯?，Cu元素與Sn元素在截面的融合區發生了互擴散。10 m/min拉片速率下的互擴散融合區寬度約為4 μm，稍大于8 m/min拉片速率時的融合區寬度(約3.5 μm)。這主要是因為10 m/min拉片速率下所得鍍層的致密性較差，Sn液滲透后擴散界面更大。12 m/min拉片速率下基島表面沒有鍍層出現，且存在較多孔洞，元素擴散深度更大。

圖6 不同拉片速率下鍍銅后焊點截面的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 結論

(1) 自動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，銅沉積時間越短，銅鍍層的致密性越差，但拉片速率過低會導致生產效率低下。

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