電流密度對疊層片式磁珠的電鍍效果的影響

宋 杰，李春霞,2，錢媛媛，朱建華，歐陽辰鑫,3

?

電流密度對疊層片式磁珠的電鍍效果的影響

宋 杰1，李春霞1,2，錢媛媛1，朱建華1，歐陽辰鑫1,3

（1. 深圳振華富電子有限公司，廣東 深圳 518109；2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院，廣東 深圳 518172；3. 哈爾濱工業(yè)大學 深圳研究生院 材料科學與工程學院，廣東 深圳 518055）

以2012型的疊層片式磁珠作為研究對象，研究分析了電鍍過程中電流密度對磁珠的鍍層形貌、顯微結(jié)構(gòu)及電性能一致性的影響。結(jié)果表明，當鍍Ni電流較小時，Ni層易附著在磁體端銀上擴散，影響產(chǎn)品的外觀。當鍍Sn電流較大時，Sn層晶核在磁體表面迅速形成并快速生長，出現(xiàn)Sn層的嚴重擴散。配合采用較大鍍鎳電流（10 A）和較小鍍錫電流（6 A）有利于防止端頭鍍層的擴散，改善產(chǎn)品外觀形貌、并有助于提高阻抗一致性。

疊層片式磁珠；電鍍；電流密度；鍍層形貌；鍍層厚度；電性能

隨著電子產(chǎn)品向小型化、輕量化和集成化的方向發(fā)展，疊層片式磁珠（Multi-layer Chip Bead, MLCB）因其尺寸小、成本低、集成度高、可表面貼裝（Surface Mounted Technology, SMT）等性能得到了廣泛研究與應用[1-5]。為了滿足SMT的工藝要求，MLCB的端電極通常采用三層電極結(jié)構(gòu)，即內(nèi)層電極銀（Ag）層、中間層鎳（Ni）層和最外層錫（Sn）層[6-8]。Ag層包覆在MLCB的引出端上，保證內(nèi)外電極的良好連接。Ni層包覆在基底Ag層上。在老化時，Ni層阻擋錫焊料向內(nèi)擴散，增強附著力，提高耐焊性。在MLCB進行表面貼裝時，Ni層阻擋高溫焊料的熱浸蝕，避免潮氣水分子進入元件內(nèi)部。Sn層則賦予元件的表面貼裝性能。Ag層是通過涂覆、燒滲方式制備[9-10]；Ni和Sn層是通過電鍍的方式制備。電鍍過程中，通過元器件的電鍍電流對產(chǎn)品外觀、結(jié)構(gòu)和電性能等有一定的影響。

Ni和Sn的電鍍是眾多企業(yè)制作MLCB的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝。該工藝中的Ni層和Sn層的質(zhì)量影響到產(chǎn)品的焊接性能和可靠性[11]。谷卿[6]研究了片式電感元件的三層電鍍的制備工藝及其質(zhì)量控制；有人報道了Sn層電鍍的焊接失效分析。但是目前為止，有關(guān)電鍍電流對小尺寸MLCB的電鍍效果的影響卻鮮有研究。本實驗中，對2012尺寸疊層片式磁珠的電鍍生產(chǎn)過程進行研究，重點考察不同鍍Ni和鍍Sn的電流值對產(chǎn)品鍍層厚度、外觀形貌、顯微結(jié)構(gòu)和電性能一致性的影響。

1 實驗

本文中，選取同批次生產(chǎn)5萬只尺寸為2012（2.0 mm×1.2 mm×1.0 mm）的未電鍍的疊層片式磁珠（代號MLCB2012F601）作為實驗樣品，目標電鍍后最終產(chǎn)品的標稱阻抗值為600 Ω（±25%）。

所有樣品電鍍前均進行相同條件下的端頭活化預處理。在同樣的鍍籃和鍍槽中進行電鍍實驗，鍍籃中分別裝載樣品和800 mL的導電珠（直徑為0.7 mm）。實驗過程中，鍍Ni和鍍Sn的電流范圍均為4~12 A，分別取4，6，8，10和12 A進行對比實驗。電流密度的計算是電流值除以樣品面積與導電珠面積之和，電流密度計算值如表1所示。

表1 電流密度的計算值

Tab.1 The calculation values of current density

電鍍工藝流程按正常工藝進行，除油→水洗→活化→水洗→鍍鎳→水洗→鍍錫→水洗→超聲清洗→干燥→電性能測試。實驗過程中每間隔一段時間從鍍籃中取樣觀察。當鍍層厚度達到要求時即停止電鍍進入下一流程環(huán)節(jié)，Ni層厚度要求是大于1.5 μm，Sn層厚度要求是大于5 μm。所有實驗在同一條電鍍生產(chǎn)線（振華亞普精密機械，UP-PL24）上進行。

采用鍍層測試儀（Oxford CMI9000）測試實驗樣品的鍍層厚度，利用射頻網(wǎng)絡分析儀（Agilent E4991A）測量實驗樣品的阻抗值，同時利用金相顯微鏡（Leica DM2700M）考察樣品的外觀形貌，利用掃描電子顯微鏡（Hitachi S—4700）表征樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍Ni電流對MLCB的影響

圖1為不同鍍Ni電流條件下Ni層厚度隨電鍍時間的變化。圖中數(shù)據(jù)顯示，Ni層厚度隨著電鍍時間的延長而增加。值得指出的是，電鍍電流越大，Ni層厚度增加越快，達到鍍層厚度要求的時間越短。當采用鍍Ni電流較小時，達到1.5 μm的鍍層厚度需要耗時150 min，但如果鍍Ni電流增大到12 A時，獲得相同厚度鍍層則僅需60 min?？紤]到電鍍生產(chǎn)效率，可以采用大電流密度來鍍Ni，減少電鍍耗時。

圖1 不同鍍Ni電流下Ni層厚度隨電鍍時間的變化

圖2為不同鍍Ni電流對Ni層的微觀結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品外觀形貌的影響。電鍍鎳難以產(chǎn)生完美的連續(xù)鍍層[13]，通常會或多或少都存在一定的孔隙，當鎳層較薄時更為明顯，如圖2（a）。隨著電鍍電流的增加，Ni層結(jié)晶的晶粒逐漸增大，氣孔明顯減少，組織結(jié)構(gòu)更加致密、平整。從產(chǎn)品形貌外觀來看，容易發(fā)現(xiàn)當電鍍電流較小，Ni層在鐵氧體上有明顯的擴散（爬鍍），如圖2（a）和（b）。主要原因是，當電鍍電流較小時，達到Ni層厚度要求的電鍍時間較長，從而導致Ni層附著在磁體端銀上擴散面積較大；而當電鍍電流較大時，Ni在端電極銀層上迅速堆積，阻止了擴散現(xiàn)象的出現(xiàn)，相應的SEM分析結(jié)果中亦有密集堆積感[9]。鍍鎳層的擴散會直接影響到后續(xù)錫層的電鍍效果以及產(chǎn)品的外觀合格率?；趯i層的顯微結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品外觀形貌的分析，并結(jié)合電鍍生產(chǎn)效率，鍍Ni過程宜采用較大的電鍍電流，如10 A和12 A。

2.2 鍍Sn電流對MLCB的影響

圖3表明了不同鍍Sn電流下Sn鍍層厚度隨電鍍時間的變化趨勢。Sn鍍層厚度隨電鍍時間的變化規(guī)律與鍍Ni過程類似，Sn鍍層厚度隨電流密度和電鍍時間的增加而增厚。電流值越高時，鍍層增厚速率越快，達到目標要求鍍層厚度時所需的時間越短。

圖4為鍍Ni電流為10 A時不同鍍Sn電流對Sn層的微觀結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品外觀的影響。Sn鍍層附著在Ni層上生長，隨著電鍍電流的增加，Sn鍍層結(jié)晶的晶粒逐漸增大。從產(chǎn)品外觀形貌上看，當電鍍電流較大時，Sn鍍層在鐵氧體上有明顯的擴散（爬鍍），如圖4（d）和（e）。這是由于當電鍍電流達到能吸附磁體的勢能時，Sn鍍層晶核在磁體表面迅速形成并快速生長，從而導致Sn層在Ni層邊緣進一步蔓延，造成嚴重擴散。盡管采用大電流鍍Sn可以減少電鍍時間，但為了保證產(chǎn)品的外觀良率，需采用較小的鍍Sn電流，如4 A和6 A。

圖2 不同鍍Ni電流下Ni層微觀結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品外觀

2.3 電鍍電流密度對MLCB電性能的影響

根據(jù)2.2節(jié)與2.3節(jié)的實驗分析結(jié)果，采用鍍Ni電流10 A和12 A、鍍Sn電流4 A和6 A進行組合搭配，對阻抗一致性進行對比分析。圖5為四種電鍍條件下制得產(chǎn)品的阻抗分布情況。各組樣品的阻抗值均在350~850 Ω范圍內(nèi)波動，目標合格產(chǎn)品的阻抗值為600 Ω（±25%），即450 Ω至750 Ω。表2給出了各組合樣品阻抗值在600 Ω（±25%）范圍內(nèi)的占比情況。對比可見，電鍍組合Ni（10 A）+Sn（6 A）條件下樣品的阻抗值在標稱值附近較集中，占比為84.6%。

圖3 不同鍍Sn電流下Sn層厚度隨電鍍時間的變化

電流密度是影響MLCB電性能的一個關(guān)鍵因素。疊層片式磁珠的本體為軟磁鐵氧體材料，其磁性能往往會隨疊加直流磁場的變化而變化，其中最明顯的就是磁導率的變化，電鍍過程中所施加的電流等效施加了一個直流偏磁場。因此，采用不同的電流密度，MLCB的磁導率和阻抗值都會有不同的變化，相對應的電性能參數(shù)亦隨之改變。實驗中較小的電流形成的磁場不足以改變樣品的磁性能，較大的電流（超過12 A時）又會使樣品的磁性能劣化，導致樣品的阻抗值偏移[11]。

綜合對鍍層厚度、外觀形貌、鍍層結(jié)構(gòu)和阻抗值一致性的研究分析，批量生產(chǎn)中優(yōu)先選取鍍Ni電流10 A和鍍Sn電流6 A作為電鍍條件。

圖4 不同鍍Sn電流下Sn層微觀結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品外觀（鍍Ni電流10 A）

圖5 不同電鍍條件下樣品阻抗值分布情況

表2 不同電鍍條件下制得樣品阻抗值的占比情況

Tab.2 The proportion of impedance for each samples under different electroplating conditions

3 結(jié)論

采用三層電極結(jié)構(gòu)制備MLCB的端電極，研究了電鍍電流對小尺寸MLCB的鍍層厚度、外觀相貌及微觀結(jié)構(gòu)、電性能的影響，結(jié)論如下：

（1）電鍍電流越大，鍍層厚度增加越快，達到鍍層厚度要求的時間越短，相應的電鍍效率越高；

（2）當鍍Ni電流較小時，Ni層易附著在磁體端銀上擴散，影響產(chǎn)品的外觀。當鍍Sn電流較大時，Sn層晶核在磁體表面迅速形成并快速生長，出現(xiàn)Sn層的嚴重擴散，影響產(chǎn)品的最終外觀；

（3）綜合考慮產(chǎn)品的外觀和電性能的一致性，可采用較大電流鍍鎳和較小電流鍍錫，如鍍鎳采用10 A（電流密度0.10 A/dm2），鍍錫采用6 A（電流密度0.06 A/dm2）。

[1] 韓全志. LTCC 鐵氧體疊層片式器件及材料的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài) [J]. 磁性材料及器件, 2009, 40(6): 1-11.

[2] CAO J L, WANG X H, ZHANG L, et al. Functional degradation of NiCuZn-based multilayer chip inductors during nickel electroplating [J]. Mater Lett, 2002, 57(2): 386-391.

[3] 張藥西, 孫承永. 疊層片式磁珠的特性及其應用 [J]. 電子元器件應用, 2000, 12(2): 7-12.

[4] 戴正立. 片式電感器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [J]. 電子元器件應用, 2000, 12(12): 56-58.

[5] ZHANG Y, WANG H, SUN Y, et al. Copper electroplating technique for efficient manufacturing of low-cost silicon interposers [J]. Microelectron Eng, 2016, 150(25): 39-42.

[6] 谷卿. 疊層片式電感三層電鍍[J]. 電鍍與涂飾, 2002, 25(5): 7-10.

[7] 羅維, 張學年. 片式元件三層鍍技術(shù) [C]//全國電子電鍍學術(shù)研討會論文集. 北京: 中國電子學會, 2004: 319-321.

[8] CAO J L, WANG X H, ZHANG L, et al. Lateral growth of coating on Co2Z ferrite during electroplating of multilayer chip inductors [J]. Ceram Int, 2003, 29(3): 327-331.

[9] HILI K, FAN D, GUZENKO V A, et al. Nickel electroplating for high-resolution nanostructures [J]. Microelectron Eng, 2015, 141: 122-128.

[10] 張尹, 李基森, 齊坤, 等. 片式電子元器件中無鉛可焊鍍層的研究[J]. 中國表面工程, 2005, 18(2): 1-3.

[11] 肖鑫. 鍍鎳層針孔與麻點的原因分析及解決[J]. 電鍍與涂飾, 2001, 20(1): 58-61.

（編輯：陳渝生）

Influences of current density on electroplating properties of multi-layer chip bead

SONG Jie1, LI Chunxia1,2, QIAN Yuanyuan1, ZHU Jianhua1, OUYANG Chenxin1,3

(1. Shenzhen Zhenhuafu Electronics Co., Ltd, Shenzhen 518109, Guangdong Province, China; 2.Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, Guangdong Province, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, Guangdong Province, China)

Multi-layer chip bead with a size of 2.0 mm×1.2 mm (2012 type) was used as the targeted sample. The influences of current density on the morphology of cladding layer, microstructure and consistence of electric performance were investigated. Experimental results show that the diffusion of Ni layer is easy to be found on the terminal electrodes when low level of Ni electroplating current is used, which destroys the products’ outlook. While, Sn grains can form and grow quickly when using high level of Sn electroplating current, which leads to severe diffusion phenomenon. The spread of cladding layer can be retarded, morphology of beads can be improved and the consistence of impedance can be enhanced when using Ni electroplating current of 10 A and Sn electroplating current of 6 A.

multi-layer chip bead; electroplating; current density; morphology of cladding layer; thickness of cladding layer; electrical properties

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.005

TB321

A

1001-2028（2016）11-0021-04

2016-09-20

歐陽辰鑫

國防科工局基礎(chǔ)科研項目資助；深圳市海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（No. 20150303084059）

歐陽辰鑫（1989－），男，江西九江人，博士，主要從事磁性材料和復合材料的研究，E-mail: cxouyang@foxmail.com ；

宋杰（1976－），男，河南周口人，主要從事電鍍工藝和磁性材料研究，E-mail: sptsj@163.com 。

2016-10-28 14:04:39

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1404.005.html