电沉积纯锡镀层的锡晶须生长与控制研究

摘要

锡晶须是一种具有很高机械强度的细丝状金属单晶，可随着时间的推移在锡镀层表面形成并缓慢生长，给电子器件造成致命的短路故障甚至酿成灾难。电子工业无铅化过程中，用纯锡镀层替代锡铅镀层绝非易事，其中最棘手的问题就是容易引发锡晶须生长。本文系统研究了纯锡镀层工艺参数和镀层结构设计对锡晶须生长的影响。针对锡晶须生长的两个关键影响因素分别采取了镀Ni阻挡层方法和交替电沉积锡镀层制备非柱状晶结构的方法对锡晶须生长进行抑制，主要研究结论如下：
　　（1）界面扩散形成Sn-Cu金属间化合物和锡镀层的柱状晶粒结构是影响纯锡镀层锡晶须生长的两个关键因素。
　　（2）在55℃/85% RH湿热存储8000小时，C194合金电沉积光亮锡镀层表面倾向于生长密度较小的锡晶须，而FeNi42合金电沉积光亮锡表面则倾向于生长密度较大的小丘；C194与 FeNi42电沉积亚光锡镀层表面均倾向于生长锡晶须。
　　（3）纯锡镀层截面微结构分析表明，衬底材料影响锡晶须/小丘生长的主要原因是界面形成的金属间化合物不同。C194合金镀光亮锡的界面主要形成层状Cu6Sn5，而FeNi42合金镀光亮锡的界面仅形成较少的片状Ni3Sn4。镀Ni阻挡层后，界面形成了相同的金属间化合物 Ni3Sn4，因而有效地抑制了小丘/锡晶须的生长。
　　（4）采用氨基磺酸镍镀液电沉积 Ni阻挡层控制锡晶须生长的方法应用于IC封装时，其后道工艺流程可能引起可靠性问题。Ni阻挡层厚度应控制在0.5-1μm之间以保证锡镀层的机械稳定性，同时有效地抑制锡晶须生长。回流焊对锡晶须生长有明显的抑制作用。同时采用Ni阻挡层和回流焊对锡晶须生长的控制效果最好。
　　（5）交替电沉积电流密度不同的光亮锡或者亚光锡的制备工艺不能形成多层锡结构；但是，交替电沉积光亮锡和亚光锡镀层可以形成多层锡结构。以亚光锡作为底层交替电沉积多层（三层以上）厚度均匀的光亮锡/亚光锡镀层可形成非柱状晶结构。湿热存储和冷热冲击测试的实验结果都表明非柱状晶结构有利于抑制锡晶须生长。
　　（6）交替电沉积层数增加有利于增加非柱状晶结构的阻断效应。层数减少（双层）时，阻断效应减弱，小丘/锡晶须生长易受顶层晶粒结构影响，顶层晶粒结构为光亮锡则易形成小丘/锡晶须，顶层晶粒结构为亚光锡则不易形成小丘/锡晶须。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1锡晶须对电子封装可靠性的威胁

1.2锡晶须的研究现状

1.3论文研究意义与主要研究内容

第二章 实验材料与方法

2.1电沉积工艺

2.2锡晶须生长的测试方法

2.3锡晶须的表征与分析方法

第三章 单层锡的锡晶须形成与生长

3.1纯锡镀层微结构表征

3.2金属间化合物的形成对锡晶须形成与生长的影响

3.3锡镀层晶粒结构对锡晶须形成与生长的影响

3.4本章小结

第四章 IC引线框架表面锡晶须生长的镍阻挡层控制

4.1复合镀层的显微组织

4.2镍阻挡层厚度对锡晶须生长的影响

4.3回流焊对锡晶须生长的影响

4.4本章小结

第五章 多层锡的锡晶须形成与生长

5.1交替电沉积光亮锡镀层的锡晶须生长

5.2交替电沉积亚光锡镀层的锡晶须生长

5.3交替电沉积光亮锡/亚光锡镀层的锡晶须生长

5.4本章小结

第六章 全文总结与研究展望

6.1本论文的主要结论

6.2本论文的创新点

6.3研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及其他成果