電子封裝用硅鋁合金鍍金黑點分析

田陽，楊洋，唐勇剛，呂濱草，李枘，高天樂

成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司，四川 成都 611731

微波T/R(發(fā)射/接收)組件對小型化、高功率密度、高集成度、高可靠性等方面的技術要求越來越高[1]，新的封裝材料和集成工藝不斷涌現(xiàn)。高硅鋁合金封裝材料因具備密度低，熱膨脹系數(shù)與微波組件內(nèi)部芯片和基板相匹配，以及機械加工性能良好等優(yōu)點，在航空航天、電子器件等領域獲得較為廣泛的應用[2]。

作為封裝材料，硅鋁合金經(jīng)電鍍后才能與其他電子器件連接。電鍍主要有兩個作用：一是改善材料的表面性能，提高對焊料的浸潤性；二是鍍層作為阻擋層能夠阻止焊料的滲透，保證材料的穩(wěn)定性。硅鋁合金通常在化學鍍中間鍍層后再鍍Ni或Au[3-4]。硅鋁合金腔體鍍Au后與低溫共燒陶瓷(LTCC)基板焊接，經(jīng)絲焊、帶焊完成信號互連，最后通過激光封焊來實現(xiàn)腔體氣密封裝。

1 問題描述

某微波T/R組件選用噴射沉積法制備的 Si質(zhì)量分數(shù)為 42%的硅鋁合金作為微波腔體，其電鍍工藝流程為：除油→粗化→超聲清洗→浸Zn→堿性化學預鍍Ni→化學鍍Ni→水洗→鍍Au→烘干。鍍Au后發(fā)現(xiàn)腔體表面出現(xiàn)細小的黑點(見圖1a)，在Zeiss Stemi 2000體視顯微鏡下可見黑點呈散點狀分布(如圖1b所示)。在同一生產(chǎn)線上采用相同工藝對Si質(zhì)量分數(shù)為50%的硅鋁合金微波腔體電鍍時卻并未出現(xiàn)上述故障。

圖1 故障件鍍Au層的外觀(a)和微觀形貌(b)Figure 1 Appearance (a) and micromorphology (b) of defective Au-coated part

2 缺陷分析

2.1 基底組織的初步分析

先采用400目金相砂紙徹底磨掉表面鍍層，露出硅鋁合金基底，未發(fā)現(xiàn)明顯的疏松組織或孔洞；繼續(xù)采用1 000目砂紙拋光，在Zeiss Axio Imager A2m金相顯微鏡下依舊未發(fā)現(xiàn)明顯的疏松組織或其他缺陷，如圖2所示。因此排除基底材料缺陷這一因素。

圖2 缺陷區(qū)域基體的外觀(a)和金相照片(b)Figure 2 Appearance (a) and metallographic images (b) of the substrate at defective area

2.2 Au鍍層的表面形貌和成分分析

采用Hitachi SU1510掃描電鏡觀察缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的Au鍍層形貌。從圖3可知，正常區(qū)域Au鍍層致密、完整，晶粒尺寸均勻。缺陷區(qū)Au鍍層雖也基本覆蓋完整，但晶粒堆積較散亂，高低不平，存在開裂和孔隙，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。

圖3 無缺陷區(qū)(a)和缺陷區(qū)(b)的Au鍍層表面形貌Figure 3 Surface morphologies of Au coatings at normal area (a) and defective area (b)

如圖4所示，采用掃描電鏡附帶的能譜儀對鍍層正常區(qū)域和缺陷區(qū)域進行分析，結果列于表1。

表1 無缺陷區(qū)和缺陷區(qū)的鍍層元素組成Table 1 Elemental compositions of Au coatings at normal areas and defective area

圖4 無缺陷區(qū)(a)和缺陷區(qū)(b)能譜分析的取樣點Figure 4 Normal areas (a) and defective areas (b) to be analyzed by EDS

從表1可知，鍍層表面的主要成分為Au，含少量C和O，缺陷區(qū)僅C和O的含量略高于無缺陷區(qū)，無其他元素存在。

2.3 Au鍍層的金相截面分析

基體表面狀態(tài)對鍍層結構和形貌具有重要影響，在缺陷區(qū)斷面取樣打磨拋光后，使用金相顯微鏡觀察鍍層和基體的橫截面形貌。從圖5a可知，硅鋁合金的微觀組織主要由深灰色的初晶硅和淺灰色的鋁基體組成，初晶硅呈現(xiàn)不規(guī)則的塊狀，均勻分布在鋁基體中，部分連接成網(wǎng)狀結構，部分彌散分布。鍍層均勻地覆蓋在基體表面，從外到內(nèi)依次為鍍層、粗化所得的富Si層和基材，部分硅顆粒凸起，比基體表面高出約20 μm，使樣品表面局部不平整。

從圖5b的高倍圖可看出，黑點的縱剖面(見箭頭所示)是由硅顆粒和鍍層組成的疏松結構，鍍層不再連續(xù)，內(nèi)部包覆的硅顆粒有脫落跡象。疏松結構僅分布在表面鍍層中，并未滲透到基體內(nèi)部，說明黑點不是材料內(nèi)部組織疏松或孔洞缺陷，而是電鍍過程中硅顆粒脫落形成的孔洞[5]。

圖5 鍍金硅鋁合金缺陷區(qū)的斷面金相形貌Figure 5 Cross-sectional metallographs of gold-coated Si-Al alloy at defective area

2.4 原因分析

噴射沉積所得硅鋁合金的微觀形貌與Si含量密切相關。Si質(zhì)量分數(shù)為27%時，大部分Si相呈球形，并彌散分布在鋁基體中；Si質(zhì)量分數(shù)為42%時，部分Si相開始連接并形成網(wǎng)狀結構，部分仍彌散分布，容易脫落；Si質(zhì)量分數(shù)為50%時，Si相能夠形成較為完整的三維網(wǎng)狀結構，并且具備一定的強度[6]。

本批次硅鋁合金T/R組件所用的粗化液由700 ～ 800 mL/L硝酸和150 ～ 200 mg/L氟化銨組成，粗化時間2 ～ 4 min。粗化過程中基體會發(fā)生一定的腐蝕，有大量Si顆粒脫落并附著于表面。因T/R組件結構較為復雜，后續(xù)超聲清洗時Si顆粒若未被除盡則會繼續(xù)松散地附著，電鍍Au后才脫落而留下坑洞，最終形成黑點缺陷。

3 改進措施

采取以下措施后，鍍金黑點缺陷得到控制，未再出現(xiàn)類似故障。

(1) 控制前處理粗化過程的腐蝕程度，將硝酸添加量降低至500 ～ 600 mL/L，處理時間縮短為1 ～ 3 min。

(2) 將超聲清洗時間從原先的5 ～ 10 min延長至10 ～ 15 min，并對清洗后材料表面狀態(tài)按批次進行抽檢。