環(huán)氧樹脂灌封器件電鍍前處理工藝改進

顧毅欣，朱曉敏，王超，雷雨辰，陳慧賢

（西安微電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710119）

隨著電子系統(tǒng)或電子整機朝多功能、高性能、小型化、低功耗和高可靠方向發(fā)展，以遙感衛(wèi)星為代表的星務(wù)綜合電子系統(tǒng)迫切需要采用系統(tǒng)級集成封裝(SiP)技術(shù)，將高性能處理器、存儲器等器件集成在一個封裝單元內(nèi)，形成塑封低成本信息處理與控制SiP模塊，以便完成衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)的快速處理。如圖1所示，針對該項需求，系統(tǒng)集成商及封裝公司的技術(shù)人員開發(fā)出以堆疊封裝(PoP)技術(shù)為基礎(chǔ)的三維立體封裝工藝。該工藝先將多個功能相同或不同的芯片堆疊在一起，再采用改良的環(huán)氧樹脂對芯片堆疊體進行包封，并在樹脂表面進行金屬化，最終實現(xiàn)芯片引線端子間的電性能互聯(lián)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的平面封裝概念，提高了組裝密度，并實現(xiàn)了低功耗和高傳輸速率，使電子系統(tǒng)或單元產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量成倍減小，已在多個型號的航天器中得到應(yīng)用[1]。其中，環(huán)氧樹脂灌封體表面金屬化是實現(xiàn)立體封裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 環(huán)氧樹脂灌封體表面金屬端子的電導(dǎo)通Figure 1 Electrical interconnection of metallic terminals on surface of epoxy resin potting

非金屬基材表面金屬化要求金屬層具有高導(dǎo)電性、低孔隙率以及與基材結(jié)合牢固。常用的金屬化工藝包括涂覆導(dǎo)電膠、磁控濺射、電鍍等。涂覆導(dǎo)電膠表面不夠平整、美觀，多用于局部導(dǎo)電層修補。磁控濺射的高溫環(huán)境可能會損傷芯片，金屬層結(jié)合力較差[2]，生長速率較低，僅0.5 μm/h左右。相對而言，將化學(xué)鍍與電鍍相結(jié)合，可在非金屬基材表面獲得具有多種功能的組合鍍層，穩(wěn)定性和導(dǎo)電性良好，應(yīng)用前景可觀[3]。

環(huán)氧樹脂封裝元件一般以化學(xué)鍍Ni-P層作為底層，再電鍍Ni和Au。但采用PoP技術(shù)加工所得的環(huán)氧樹脂灌封模塊結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)部包封組件種類較多，最終待鍍表面形成以環(huán)氧樹脂為主材，裸露有金屬引線、有機基板等材料的“餡餅狀結(jié)構(gòu)”，采用常規(guī)化學(xué)鍍+電鍍工藝時，在嚴苛的航天產(chǎn)品考核試驗中常常出現(xiàn)鍍層剝落、鍍層與金屬引線端子脫離、鍍層有裂紋等問題。因此，保證鍍層與基材和引線端子之間的牢固結(jié)合，在高低溫沖擊和高溫存儲等極端環(huán)境下功能正常，是必須解決的問題。舒霞等[4]先對環(huán)氧樹脂封裝元件化學(xué)鍍Ni，再依次電鍍Cu、Ni和Au，得到了結(jié)合力和導(dǎo)電性良好的Ni/Cu/Ni/Au組合鍍層。本文對環(huán)氧樹脂的鍍前處理工藝進行優(yōu)化，以改善環(huán)氧樹脂基材與金屬引線端子和鍍層之間的結(jié)合力。

1 環(huán)氧樹脂灌封體的電鍍

1.1 工藝流程

常規(guī)環(huán)氧樹脂電鍍的工藝流程為：引腳保護→除油→清洗→粗化→清洗→微蝕→預(yù)敏→活化→清洗→化學(xué)鍍鎳→清洗→電鍍鎳→清洗→電鍍金。

但采用該工藝所得的樣品鍍層結(jié)合力較差，且引線端子周圍鍍層存在不連續(xù)的縫隙，在高倍顯微鏡下觀察縫隙寬度約2 ～ 5 μm，經(jīng)過溫度循環(huán)試驗和穩(wěn)態(tài)濕熱試驗后鍍層發(fā)生大面積脫落(見圖2)，縫隙處的鍍層極易斷裂。

圖2 環(huán)氧樹脂灌封體表面組合鍍層的脫落Figure 2 Peeling of composite coating on surface of epoxy resin potting

1.2 性能檢測和表征方法

1.2.1 表面粗糙度

采用ZYGO NewView_9000表面輪廓測量儀觀察粗化及預(yù)處理后灌封體的表面輪廓形貌，并測量粗糙度(Ra)。在每個樣品5個面的頂部、中心和底部3個位置進行測量，取平均值后計算灌封體不同面的表面粗糙度的極差(R)。

1.2.2 鍍層厚度

采用XDAL-FD鍍層厚度測試儀測量組合鍍層的厚度，不同鍍層的厚度要求為：化學(xué)鍍Ni層1.0 ～ 1.5 μm，電鍍 Ni層 2.0 ～ 3.0 μm，電鍍 Au 層 1.5 ～ 2.0 μm，總厚度約 6 μm。

1.2.3 鍍層結(jié)合力

按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》采用劃格法測定鍍層結(jié)合力。使用刀刃為20° ～ 30°的劃格刀，在試樣表面劃出2 mm × 2 mm的方格約25個，劃痕要到達基材表面，觀察劃痕處鍍層是否剝落，并計算未剝落的鍍層面積分數(shù)。

1.2.4 環(huán)境考核試驗

分別按照GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》的方法1010.1和GJB 360B-2009《電子及電氣元件試驗方法》的方法103進行溫度循環(huán)試驗和穩(wěn)態(tài)濕熱試驗，試驗完畢先觀察樣品外觀，再進行劃格試驗。

2 電鍍前處理工藝的改進

2.1 增加噴砂工序

適當(dāng)提高基材粗糙度有利于鍍層與基材牢固結(jié)合，但基材表面粗糙度過大會使部分“凸起”處鍍層過薄，或使“凹坑”更深、更寬，容易導(dǎo)致結(jié)合界面產(chǎn)生缺陷及錨固點減少[5]?？紤]到待鍍環(huán)氧樹脂灌封體的體積較小，內(nèi)部包裹有敏感元件，且封裝尺寸比較特殊，最終選擇噴砂。另外，為了避免噴砂對器件引腳造成損傷，將噴砂安排在引腳保護后及除油前進行。噴砂效果受噴嘴高度、噴砂壓力、工件轉(zhuǎn)速、噴砂時間、磨料顆粒種類和目數(shù)等因素的影響，固定噴嘴高度為 17 cm，選擇白剛玉作為磨料，以樣品表面粗糙度的極差為指標，根據(jù)L9(43)正交表對噴砂工藝進行優(yōu)化，結(jié)果見表1。

表1 正交試驗結(jié)果和極差分析Table 1 Results and range analysis of orthogonal test

從表1可知，不同因素對噴砂后樣品不同面的粗糙度均勻性影響的主次順序為：工件轉(zhuǎn)速 ＞ 噴砂時間 ≈磨料目數(shù) ＞ 噴砂壓力。較優(yōu)的噴砂工藝條件為A3B3C3D2，即：噴砂壓力0.3 ～ 0.35 MPa，工件轉(zhuǎn)速65 Hz，處理時間20 ～ 30 s，磨料目數(shù)80目。

采用上述較優(yōu)工藝進行噴砂后同一灌封體不同面的表面粗糙度的極差≤150 μm，能夠較好地保證立體封裝器件各個面粗糙度的均勻性，但不同灌封體的表面粗糙度范圍較大，為1 400 ～ 2 200 nm。從表2可知，灌封料表面粗糙度在1 500 ～ 2 000 nm范圍內(nèi)時，鍍層的各項性能最好。這是因為Ni-P/Ni/Au鍍層的厚度在6.0 μm左右，一般認為基體的表面粗糙度以不超過鍍層厚度的1/3為宜[6]，因此基體的表面粗糙度應(yīng)小于2.0 μm。進一步細化后最終確定噴砂工藝參數(shù)為：噴砂壓力0.30 ～ 0.32 MPa，工件轉(zhuǎn)速65 Hz，處理時間25 ～ 30 s，采用80目磨料。從圖3可知，在上述條件下噴砂后環(huán)氧樹脂灌封體表面呈均勻的微觀凹凸不平結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于鍍層牢固地鑲嵌。

表2 不同表面粗糙度基體上鍍層的性能Table 2 Properties of coatings electroplated on epoxy potting with different surface roughness

圖3 在較優(yōu)條件下噴砂前(a)、后(b)環(huán)氧樹脂灌封體的表面形貌Figure 3 Surface morphologies of epoxy resin potting before (a) and after (b) being sandblasted

此外，噴砂時砂礫高速噴射至電路表面而產(chǎn)生撞擊，在對電路表面的環(huán)氧樹脂材料進行有效剝離的同時還使其發(fā)生塑性變形，對露出的金屬端子起到一定的磨削作用，使外露金屬端子的凸起高度合適，形狀也從矩形修整為橢圓形(見圖4)，這些都能有效提高鍍層在金屬端子表面的均勻附著。

圖4 在較優(yōu)條件下噴砂前(a)、后(b)金屬引線端子的形貌Figure 4 Morphologies of metal lead terminal before (a) and after (b) being sandblasted under optimal conditions

2.2 等離子粗化工藝的改進

灌封體的主要成分為環(huán)氧樹脂，其中摻雜大量球形SiO2填料，噴砂后會有大量SiO2外露，并形成疏松的過渡層(見圖5)，因此在化學(xué)鍍Ni-P前要對環(huán)氧樹脂灌封體表面進行粗化。原工藝采用鉻酸酐-硫酸體系進行化學(xué)粗化，嚴重影響了產(chǎn)品可靠性。其主要原因是灌封體外露的金屬引線端子的主要成分是鐵鎳合金，在強酸性環(huán)境下會發(fā)生不同程度的咬蝕，使產(chǎn)品電連接失效(見圖6)。

圖5 噴砂后環(huán)氧樹脂灌封體的表面狀態(tài)Figure 5 Surface state of epoxy resin potting after being sandblasted

圖6 金屬引線端子咬蝕現(xiàn)象Figure 6 Biting corrosion of metal lead terminal

采用等離子粗化工藝能夠?qū)Νh(huán)氧樹脂和二氧化硅產(chǎn)生差異化的蝕刻，并且不與金屬發(fā)生反應(yīng)[7]，是一種較好的選擇性粗化工藝。在功率5 000 W，溫度50 °C，CF4、O2、N2的體積流量比1.5∶8.0∶0.5的條件下對灌封體表面進行等離子粗化，圖7和圖8示出了灌封體表面形貌和厚度隨等離子粗化時間的變化情況。從中可知，環(huán)氧樹脂等離子粗化大致分為3個階段。

圖7 等離子粗化不同時間后環(huán)氧樹脂灌封體的表面形貌Figure 7 Surface morphologies of epoxy resin potting after being roughened by plasma etching for different time

圖8 環(huán)氧樹脂灌封體厚度變化量隨等離子粗化時間延長的變化Figure 8 Thickness variation of epoxy resin potting with plasma roughening time

(1) 等離子粗化前期(0 ～ 60 min)：灌封體的厚度變化量緩慢增大，等離子對SiO2的腐蝕能力較差，灌封體表面的包覆層阻礙了等離子體對灌封體表面的進一步咬蝕，其間灌封體逐漸暴露在等離子體下。

(2) 等離子粗化中期(60 ～ 100 min)：灌封體迅速減薄，表面包裹層剝離，灌封體完全暴露，表面樹脂受到不同程度的咬蝕。

(3) 等離子粗化后期( ＞ 100 min)：灌封體的厚度變化趨于平緩，暴露的灌封體表面基本被咬蝕完，形成明顯的凹坑，暴露的二氧化硅再次阻礙等離子對環(huán)氧的咬蝕。

觀察粗化過程灌封體外觀可知，等離子粗化60 ～ 100 min時灌封體表面均勻失光、微暗，說明粗化后灌封料表面帶負電荷，具備良好的親水性[8]。等離子粗化120 min時，表面失去光澤，呈現(xiàn)白色的疏松狀結(jié)構(gòu)，說明粗化過度。因此選擇等離子粗化時間為60 ～ 100 min，圖9為等離子粗化90 min后環(huán)氧樹脂灌封體的表面狀態(tài)。

圖9 等離子粗化后環(huán)氧樹脂灌封體的表面狀態(tài)Figure 9 Surface state of epoxy resin potting after being roughened by plasma etching

2.3 采用改進工藝后的效果

采用改進的工藝對環(huán)氧樹脂灌封體進行前處理后，依次化學(xué)鍍Ni-P、電鍍Ni、Au，灌封體包裹的金屬引線端子規(guī)整，表面鍍層結(jié)合牢固，金屬端子表面鍍層完整連續(xù)。如圖10所示，經(jīng)過500次溫度循環(huán)(低溫-65 °C，高溫150 °C，停留時間≥15 min，轉(zhuǎn)換時間≤1 min)以及1 000 h濕熱試驗(溫度85 °C，相對濕度85%)后，鍍層完整連續(xù)，未見剝落或不連續(xù)現(xiàn)象。

圖10 溫度循環(huán)試驗及穩(wěn)態(tài)濕熱試驗后金屬引線端子表面鍍層的俯視圖(a)和剖面圖(b)Figure 10 Top view (a) and cross-sectional view (b) of coating on metal lead terminal after thermal cycle test and steady-state damp heat test

3 結(jié)語

針對航天型號電子系統(tǒng)高速化、小型化的迫切需求，對環(huán)氧樹脂灌封體的鍍前處理工藝進行改進，保證了Ni-P/Ni/Au鍍層具有良好的結(jié)合力和導(dǎo)電性，所得產(chǎn)品鍍層可以滿足宇航型號產(chǎn)品高可靠應(yīng)用環(huán)境下的使用要求。