高密度陶瓷外壳电镀涨金等离子清洗解决方案

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-07-20

高密度陶瓷封装外壳是一种应用于集成化、小型化要求的封装形式，具备较多的输入和输出端口，端口间距窄，为生产制造带来诸多难点]。图1是几种常见的高密度陶瓷封装外壳。这类外壳在装配钎焊过程中不可避免地存在异质沾污，电镀镍金时容易在键合间形成金层，严重时可能导致键合间连通，外壳失效，这就是所谓的涨金问题。该问题的解决是陶瓷封装外壳镀覆行业中最关键的一项技术，然而目前几乎没有这方面的研究报道。

图 1 几种常见高密度陶瓷封装外壳

本文针对某型号高密度陶瓷封装外壳出现的涨金失效问题，采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线镀层厚度测试仪对失效样品进行分析，得出此类外壳涨金失效的原因。随后针对这种失效模式，在不改变陶瓷组件和钎焊工艺的情况下，通过引入适合的等离子清洗工艺和优化钎焊生产过程，令涨金比例大幅下降，并且不影响外壳绝缘电阻、引线抗疲劳等可靠性指标。

高密度陶瓷封装外壳的主要制程

某型号高密度陶瓷封装外壳的结构如图2所示，含240个引出端。该类外壳采用高温共烧陶瓷(HTCC)工艺制成陶瓷组件。利用装配治具，将外壳所需的金属零件定位装配后，通过高温钎焊的方式将金属引线与瓷件焊接成型，键合间距均为120μm。钎焊完成后，陶瓷外壳经除油、酸洗、活化和去离子水清洗后依次电镀镍、金。电镀镍采用低应力氨基磺酸镍体系镀液，电镀金采用日本田中贵金属工业株式会社生产的镀金液。根据GJB1420B–2011《半导体集成电路外壳通用规范》中3.7.4条的规定和用户要求，控制镍层厚度为1.27~8.90μm，表面金层厚度为1.27~5.70μm。

图 2 某型号高密度陶瓷封装外壳示意图

电镀涨金问题分析

高密度陶瓷封装外壳按照常规工艺电镀后，产品的镀层厚度和可靠性都满足技术要求，但在采用NikonSMZ800N高倍显微镜观察时发现存在较大比例的涨金失效问题，涨金位置在陶瓷键合指之间的陶瓷表面(见图3)

图 3 外壳的涨金位置

逐一检查陶瓷外壳制造各工序后的陶瓷外壳表面，发现在装配钎焊后陶瓷表面已有一定程度的异质沾污(见图4)。

图 4 钎焊后部分瓷件沾污的照片

为验证该类污染在镀覆清洗后是否无法去除，并最终造成涨金失效，分别在钎焊后和电镀后采用SMZ800N高倍显微镜对同一样品的3个位置进行拍摄，结果见图5。在位置1可看到，钎焊后瓷件表面附着一些沾污，这些沾污在电镀后仍然存在。而在位置2和3可看到，当这些沾污与陶瓷金属化键合指相连时，电镀后即产生了涨金现象。这说明钎焊后的异质污染是导致外壳涨金的根源，并且普通的电镀前处理清洗工艺无法彻底去除这些沾污。

图 5 钎焊后和电镀后瓷件不同位置的沾污情况

采用JEOLJSM-5900扫描电镜(SEM)附带的能谱仪(EDS)分析沾污处的成分，结果见图6和表1。沾污区域的主要成分为C、O、Al、Si，其中Al和Si是陶瓷本身的成分，即沾污的主要元素组成为C或C和O。由表1可以看出，沾污程度较轻的区域(图6中区域4、5和6)中C的质量分数为2.92%~4.32%，这部分沾污应该采用常规清洗方法就可去除。但沾污严重区域(图6中区域1、2和3)中C的质量分数达24.66%~36.77%，采用常规清洗方法难以去除。

图 6 采用能谱仪分析瓷件沾污部位的编号
表 1 瓷件沾污区域的元素组成

综上可知，高密度陶瓷封装外壳的涨金问题与装配和钎焊过程中引入的异质沾污有密切关联，这些沾污可能是有机物或石墨污染，并且C含量越高，其去除难度越高。因此，解决外壳涨金问题的关键在于规避异质污染物的引入和寻找可高效地将其去除的方法。

电镀涨金问题等离子清洗解决方案和效果

镀覆前对陶瓷件进行退火和等离子清洗
镀覆前，先在200°C下对陶瓷件退火处理5~10min，以便将瓷件吸附或者装架钎焊过程中带来的污染物氧化，令污染物在后续的化学清洗过程中更容易被去除。

在退火后，增加O2和Ar气氛的等离子清洗，等离子清洗是一种干法物理化学清洗技术，它是利用低真空状态下高频电场的作用，产生辉光放电，将工艺气体电离成离子流，轰击工件表面，达到清洗的目的。利用O2的氧化性同时对污染物进行物理轰击和进一步的化学氧化，继而利用Ar的大原子结构特性对污染物及生成的氧化物进行物理轰击，使得陶瓷件表面更加洁净并且提高陶瓷基底的亲水性能。进行等离子清洗后再电镀,镀层与基体的结合更良好。

改进效果
取10个高密度陶瓷封装外壳，采用改进的工艺路径进行装配钎焊和电镀。从图7可知，金属化键合指之间的轻微石墨污染得以有效去除，焊接区域附近的异质污染不再出现，电镀后无涨金失效问题。

图 7 采用等离子清洗改善方案的电镀前(a)、后(b)瓷件的照片

高密度陶瓷封装外壳作为封装小型化、集成化的重要载体，具备广泛的应用前景。但由于其包含了上百个输入和输出端口，端口间距狭窄，在设计及工艺操作方面的难度都很大。本文针对某型号240端口高密度封装外壳，对其制造过程中存在的键合间异质污染所造成的涨金失效问题进行了分析，并给出了等离子清洗解决方案，在不影响高密度陶瓷外壳可靠性的情况下，令涨金失效问题得以解决。