电子元器件及其封装材料镀层的电子显微研究

摘要

电子行业的发展对表面处理和电镀的要求不断提高。镀层的质量问题对元器件的可靠性和使用寿命有较大影响，目前对于电镀的研究主要集中于电镀工艺改进、镀液配方等方面，而镀层微观研究较为缺乏。本文采用电子显微分析与实验相结合的方法，对电子元件与封装材料中所涉及的镀层缺陷和由此引发的元器件质量问题进行研究，对相关的典型微观案例进行探讨，主要涉及引线框架镀铜层、镀金层和化学镀镍层，具体研究内容和结果如下：
　　（1）镀层的电子显微分析方法研究。针对镀层位于表面且厚度处于微纳米级的特点，进行微观分析方法的研究。探讨了研究过程中扫描电镜二次电子与背散射电子成像模式的合理选择；为了提升镀层表面碳元素测定的准确性，探讨了加速电压对表面碳成分分析的影响，明确了镀层最佳研究参数。
　　（2）引线框架镀铜层变色问题的微观研究。采用微观分析方法与模拟实验相结合的方式，针对封装材料引线框架表面镀铜层经常出现变色斑点的现象进行研究。首先，收集300个引线框架变色点进行电子显微分析，在此基础上进行变色类型的分类。主要为镀铜层形貌变化、碳酸钾盐在镀层上生长结晶、外来物质附着引起的变色，比例分别为50％、10%、40%。其次，通过模拟实验验证了高温下铜层二次结晶产生的形貌变化会引起镀层的变色，变色区域存在大量颗粒状物质或者孔洞，与正常相比均无成分上差异。明确了其原因是镀层表面受到高温影响出现亮色颗粒堆积、针孔等缺陷，与正常镀层表面平整性存在差异，粗糙表面的不规则性会对互补光辐射产生一定影响。物质所显示的颜色与其内部结构有一定的关系，在宏观上表现为环状颜色差异。最后，通过实验证明镀液中的碱和氰根离子吸收空气中的二氧化碳，产生大量碳酸钾盐，高温后会在镀层上生长结晶，宏观上表现为变色。
　　（3）电子元器件镀金层的微观研究。通过对放大器中场效应晶体管（MESFET）的微观分析，明确了MESFET栅条镀金层的金电迁移导致其信号输出不稳定现象的机理。针对腔体表面镀金层出现的大量黑斑现象进行微观研究，明确了其出现的原因为氯离子引起镀金层下可伐合金电化学腐蚀，产生的内应力使得金层产生细小裂纹，腐蚀产物集中于此，宏观上显示为黑斑。针对引脚搪锡除金工艺，根据国军标对于金层厚度小于2.5μm的除金规定，检验了搪锡除金的合格性是否可以通过测量焊接位置金的质量比小于3%来进行侧面评价；针对引脚搪锡处出现的大量球状团簇物进行微观研究，明确了绕制电感失效现象的原因是引脚处产生大量硫和铜的化合物。
　　（4）封装腔体表面化学镀镍层的微观研究。针对封装腔体表面化学镀镍层常出现的镀液污染和镀层斑点问题进行微观分析，并进行实验室模拟，明确了此类问题产生的原因，化学镀的镀液残留于死角、螺纹口附近，产生龟裂痕迹，宏观上表现为镀层脱落；高磷沉积的镀层局部区域晶粒胞块间往往容易存在一些裂纹。氢气残留于镀层之中，镀层容易起泡，甚至加剧裂纹，镀液中钠盐及硫酸盐渗入胞块间的裂纹及起泡区域，产生镀液腐蚀，宏观表现为镀层斑点。
　　通过以上工作，认识到镀层微观研究的重要性，积累了丰富的镀层微观案例，为企业镀层质量的提升提供了帮助。

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第一章 绪 论

1.1电镀技术在电子元器件及其封装材料中的应用和发展

1.2 课题研究现状与意义

1.3 本文工作

第二章 镀层的电子显微分析方法研究

2.1 镀层微观研究方法的选择与确定

2.2扫描电镜不同成像模式的研究与选择

2.3 加速电压的选择对镀层碳元素能谱分析结果的影响

2.4 小结

第三章 引线框架镀铜层微观分析研究

3.1 引线框架正常镀铜层形貌及成分的确立

3.2 铜层形貌变化引起的变色

3.3 盐类结晶产生花瓣状形貌引起的变色

3.4 铜层表面污染物附着引起的变色

3.5 小结

第四章 镀金层微观分析研究

4.1 栅极导电层Au迁移导致放大器失效原因分析

4.2 可伐合金腔体表面镀金层斑点显微分析

4.3 引脚搪锡去除镀金层相关质量问题

4.4 小结

第五章 化学镀镍层微观分析研究

5.1 化学镀镍层镀液污染与模拟实验

5.2 化学镀镍层黑斑原因分析

5.3 小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果