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| 發表時間：2023-07-20

高密度陶瓷封裝外殼是一種應用于集成化、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沾污，電鍍鎳金時容易在鍵合間形成金層，嚴重時可能導致鍵合間連通，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中最關鍵的一項技術，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化釬焊生產過程，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。

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構如圖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。電鍍鎳采用低應力氨基磺酸鎳體系鍍液，電鍍金采用日本田中貴金屬工業株式會社生產的鍍金液。根據GJB1420B–2011《半導體集成電路外殼通用規范》中3.7.4條的規定和用戶要求，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工藝電鍍后，產品的鍍層厚度和可靠性都滿足技術要求，但在采用NikonSMZ800N高倍顯微鏡觀察時發現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，發現在裝配釬焊后陶瓷表面已有一定程度的異質沾污(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，當這些沾污與陶瓷金屬化鍵合指相連時，電鍍后即產生了漲金現象。這說明釬焊后的異質污染是導致外殼漲金的根源，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，結果見圖6和表1。沾污區域的主要成分為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，沾污程度較輕的區域(圖6中區域4、5和6)中C的質量分數為2.92%~4.32%，這部分沾污應該采用常規清洗方法就可去除。但沾污嚴重區域(圖6中區域1、2和3)中C的質量分數達24.66%~36.77%，采用常規清洗方法難以去除。

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沾污有密切關聯，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鍵在于規避異質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，令污染物在后續的化學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清洗技術，它是利用低真空狀態下高頻電場的作用，產生輝光放電，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氧化，繼而利用Ar的大原子結構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，焊接區域附近的異質污染不再出現，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。