高密度陶瓷外殼電鍍漲金等離子清洗解決方案

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-07-20

高密度陶瓷封裝外殼是一種應(yīng)用于集成化、小型化要求的封裝形式，具備較多的輸入和輸出端口，端口間距窄，為生產(chǎn)制造帶來諸多難點]。圖1是幾種常見的高密度陶瓷封裝外殼。這類外殼在裝配釬焊過程中不可避免地存在異質(zhì)沾污，電鍍鎳金時容易在鍵合間形成金層，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致鍵合間連通，外殼失效，這就是所謂的漲金問題。該問題的解決是陶瓷封裝外殼鍍覆行業(yè)中最關(guān)鍵的一項技術(shù)，然而目前幾乎沒有這方面的研究報道。

圖 1 幾種常見高密度陶瓷封裝外殼

本文針對某型號高密度陶瓷封裝外殼出現(xiàn)的漲金失效問題，采用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和X射線鍍層厚度測試儀對失效樣品進行分析，得出此類外殼漲金失效的原因。隨后針對這種失效模式，在不改變陶瓷組件和釬焊工藝的情況下，通過引入適合的等離子清洗工藝和優(yōu)化釬焊生產(chǎn)過程，令漲金比例大幅下降，并且不影響外殼絕緣電阻、引線抗疲勞等可靠性指標(biāo)。

高密度陶瓷封裝外殼的主要制程

某型號高密度陶瓷封裝外殼的結(jié)構(gòu)如圖2所示，含240個引出端。該類外殼采用高溫共燒陶瓷(HTCC)工藝制成陶瓷組件。利用裝配治具，將外殼所需的金屬零件定位裝配后，通過高溫釬焊的方式將金屬引線與瓷件焊接成型，鍵合間距均為120μm。釬焊完成后，陶瓷外殼經(jīng)除油、酸洗、活化和去離子水清洗后依次電鍍鎳、金。電鍍鎳采用低應(yīng)力氨基磺酸鎳體系鍍液，電鍍金采用日本田中貴金屬工業(yè)株式會社生產(chǎn)的鍍金液。根據(jù)GJB1420B–2011《半導(dǎo)體集成電路外殼通用規(guī)范》中3.7.4條的規(guī)定和用戶要求，控制鎳層厚度為1.27~8.90μm，表面金層厚度為1.27~5.70μm。

圖 2 某型號高密度陶瓷封裝外殼示意圖

電鍍漲金問題分析

高密度陶瓷封裝外殼按照常規(guī)工藝電鍍后，產(chǎn)品的鍍層厚度和可靠性都滿足技術(shù)要求，但在采用NikonSMZ800N高倍顯微鏡觀察時發(fā)現(xiàn)存在較大比例的漲金失效問題，漲金位置在陶瓷鍵合指之間的陶瓷表面(見圖3)

圖 3 外殼的漲金位置

逐一檢查陶瓷外殼制造各工序后的陶瓷外殼表面，發(fā)現(xiàn)在裝配釬焊后陶瓷表面已有一定程度的異質(zhì)沾污(見圖4)。

圖 4 釬焊后部分瓷件沾污的照片

為驗證該類污染在鍍覆清洗后是否無法去除，并最終造成漲金失效，分別在釬焊后和電鍍后采用SMZ800N高倍顯微鏡對同一樣品的3個位置進行拍攝，結(jié)果見圖5。在位置1可看到，釬焊后瓷件表面附著一些沾污，這些沾污在電鍍后仍然存在。而在位置2和3可看到，當(dāng)這些沾污與陶瓷金屬化鍵合指相連時，電鍍后即產(chǎn)生了漲金現(xiàn)象。這說明釬焊后的異質(zhì)污染是導(dǎo)致外殼漲金的根源，并且普通的電鍍前處理清洗工藝無法徹底去除這些沾污。

圖 5 釬焊后和電鍍后瓷件不同位置的沾污情況

采用JEOLJSM-5900掃描電鏡(SEM)附帶的能譜儀(EDS)分析沾污處的成分，結(jié)果見圖6和表1。沾污區(qū)域的主要成分為C、O、Al、Si，其中Al和Si是陶瓷本身的成分，即沾污的主要元素組成為C或C和O。由表1可以看出，沾污程度較輕的區(qū)域(圖6中區(qū)域4、5和6)中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.92%~4.32%，這部分沾污應(yīng)該采用常規(guī)清洗方法就可去除。但沾污嚴(yán)重區(qū)域(圖6中區(qū)域1、2和3)中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達24.66%~36.77%，采用常規(guī)清洗方法難以去除。

圖 6 采用能譜儀分析瓷件沾污部位的編號
表 1 瓷件沾污區(qū)域的元素組成

綜上可知，高密度陶瓷封裝外殼的漲金問題與裝配和釬焊過程中引入的異質(zhì)沾污有密切關(guān)聯(lián)，這些沾污可能是有機物或石墨污染，并且C含量越高，其去除難度越高。因此，解決外殼漲金問題的關(guān)鍵在于規(guī)避異質(zhì)污染物的引入和尋找可高效地將其去除的方法。

電鍍漲金問題等離子清洗解決方案和效果

鍍覆前對陶瓷件進行退火和等離子清洗
鍍覆前，先在200°C下對陶瓷件退火處理5~10min，以便將瓷件吸附或者裝架釬焊過程中帶來的污染物氧化，令污染物在后續(xù)的化學(xué)清洗過程中更容易被去除。

在退火后，增加O2和Ar氣氛的等離子清洗，等離子清洗是一種干法物理化學(xué)清洗技術(shù)，它是利用低真空狀態(tài)下高頻電場的作用，產(chǎn)生輝光放電，將工藝氣體電離成離子流，轟擊工件表面，達到清洗的目的。利用O2的氧化性同時對污染物進行物理轟擊和進一步的化學(xué)氧化，繼而利用Ar的大原子結(jié)構(gòu)特性對污染物及生成的氧化物進行物理轟擊，使得陶瓷件表面更加潔凈并且提高陶瓷基底的親水性能。進行等離子清洗后再電鍍,鍍層與基體的結(jié)合更良好。

改進效果
取10個高密度陶瓷封裝外殼，采用改進的工藝路徑進行裝配釬焊和電鍍。從圖7可知，金屬化鍵合指之間的輕微石墨污染得以有效去除，焊接區(qū)域附近的異質(zhì)污染不再出現(xiàn)，電鍍后無漲金失效問題。

圖 7 采用等離子清洗改善方案的電鍍前(a)、后(b)瓷件的照片

高密度陶瓷封裝外殼作為封裝小型化、集成化的重要載體，具備廣泛的應(yīng)用前景。但由于其包含了上百個輸入和輸出端口，端口間距狹窄，在設(shè)計及工藝操作方面的難度都很大。本文針對某型號240端口高密度封裝外殼，對其制造過程中存在的鍵合間異質(zhì)污染所造成的漲金失效問題進行了分析，并給出了等離子清洗解決方案，在不影響高密度陶瓷外殼可靠性的情況下，令漲金失效問題得以解決。