自动电镀线拉片速率对引线框架镀层微观结构和钎焊性的影响

王锋涛，万海毅，黄斌，唐世辉，蔡擎, ，王宗元，查五生,

（1.四川金湾电子有限责任公司，四川 遂宁 629000； 2.西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039）

近年来，随着电子信息产业的高速发展，集成电路元件在各类工业领域中扮演着重要的角色，也加快了半导体芯片高密度封装的技术革新。集成电路封装是通过装片、键合、塑封、固化等多道工序将芯片封装在引线框架上，以实现固定安装、密封保护等作用，从而完成内部芯片与外部电路的连接[1-2]。其中，装片/键合是实现芯片/焊丝和引线框架具有良好扩散焊接性的关键步骤。因此，通常要求在引线框架表面做电镀处理，使连接区域表面洁净且具有较好的焊接活性[3-6]。镀铜引线框架是目前应用广泛的一种封装材料。由于在电镀过程中电镀参数会直接影响镀层的致密性、微观结构等性质，并最终决定了焊接质量，因此电镀工艺的优化研究对集成电路性能的稳定具有重要意义[6-10]。

本文在自动电镀生产线上对铜基引线框架进行镀铜，研究了不同拉片速率对基岛(芯片承载区)表面镀层微观形貌以及对Sn–Pb合金钎焊性的影响。

1 实验

1.1 镀铜工艺

引线框架结构如图1所示，基材为CuFeP合金，连续冲压成形。采用全自动电镀生产线镀铜，电镀前 进行除油、酸活化和水洗表面处理。镀铜液为氰化亚铜和氰化钠的复合溶液，电流约为30 A，温度约为50 °C，拉片速率分别为8、10和12 m/min。

图1 Cu基引线框架Figure 1 Copper-based lead frame

1.2 钎焊试验

采用质量约为0.038 g的Sn–Pb合金球(含Sn 63%)作为钎焊焊料，将其置于镀铜后的基岛中间，随后放于热处理炉中，以8 °C/min的速率加热至220 °C，保温5 min，使球状焊料熔化、铺展，如图2所示。测量铺展区域最大直径和最小直径后取其平均值，以对比不同拉片速率下镀层的钎焊性。

图2 钎焊性试验示意图Figure 2 Schematic diagram of brazability test

1.3 微观结构表征

采用线切割方法将钎焊试样沿基岛纵向切开，获取截面后进行冷镶嵌制得试样，并使用1500#、2000#砂纸以及抛光机对截面进行机械抛光。利用配备有能谱仪(EDS)的Inspect F50型扫描电子显微镜(SEM)观察镀层表面和截面的形貌，分析其元素分布。

2 结果与讨论

2.1 拉片速率对镀层形貌的影响

从图3可看出，以8 m/min拉片速率电镀的镀层表面平整均匀，颗粒之间结合较为紧密，没有明显的凹坑和缝隙，EDS面扫描结果显示Cu元素分布均匀。以10 m/min拉片速率电镀的镀层表面存在明显 孔隙和层状结构(如图3b中白色虚线框所示)，表明颗粒粘结不够完整，镀层致密性较差。当拉片速率提高至12 m/min，由于过快，而Cu离子来不及沉积和结晶析出，因此合金表面几乎未形成明显的镀层。

图3 不同拉片速率下所得镀层的表面SEM形貌和EDS谱图Figure 3 SEM morphology and EDS spectrum of the surface of coating electroplated at different feeding rates

2.2 拉片速率对焊点大小的影响

进一步探究不同拉片速率下基岛表面对Sn–Pb合金钎焊性的影响，如图4所示。在自身重力作用下，熔融后的Sn–Pb球均能不同程度地铺展在合金表面。结合表1可知，8 m/min拉片速率下焊点铺展面积最大，12 m/min拉片速率下焊点铺展效果最差。这说明良好的镀层形貌有利于提高Sn–Pb合金的润湿效果。

图4 不同拉片速率下镀铜后相同质量钎料焊点的形貌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 不同拉片速率下镀铜后焊点的平均直径Table 1 Average diameter of welding spot on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

2.3 拉片速率对焊点截面形貌的影响

从图5可以看出，不同拉片速率下Cu–Sn界面连接光滑，没有出现开裂现象，说明焊料与基岛表面具有较好的结合性。但是，相对于12 m/min，在8 m/min和10 m/min的拉片速率下，由于镀层的存在，钎料与基岛的结合界面更为平整，这为芯片粘接提供了更好的润湿效果。

图5 不同拉片速率下镀铜后焊点的截面形貌Figure 5 Cross-sectional morphologies of welding spots on lead frame island after being electroplated with copperat different feeding rates

图6为截面结合处附近的EDS能谱，谱线1为Cu元素的分布，谱线2为Sn元素的分布。可以看出，Cu元素与Sn元素在截面的融合区发生了互扩散。10 m/min拉片速率下的互扩散融合区宽度约为4 μm，稍大于8 m/min拉片速率时的融合区宽度(约3.5 μm)。这主要是因为10 m/min拉片速率下所得镀层的致密性较差，Sn液渗透后扩散界面更大。12 m/min拉片速率下基岛表面没有镀层出现，且存在较多孔洞，元素扩散深度更大。

图6 不同拉片速率下镀铜后焊点截面的EDS谱图Figure 6 EDS spectra of cross section of welding spot on lead frame island after being electroplated with copper at different feeding rates

3 结论

(1) 自动电镀线的拉片速率显著影响引线框架电镀铜的效果。拉片速率越大，铜沉积时间越短，铜镀层的致密性越差，但拉片速率过低会导致生产效率低下。

(2) 在8 m/min的拉片速率下，基岛表面镀层平整，颗粒结合紧密，表现出较好的微观结构特征，此时镀层与Sn–Pb合金之间的钎焊性较好，焊点铺展面积大，结合界面平整光滑。