CN111962116A - 一种防粗铝丝脱键的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子元器件封装外壳领域，特别涉及一种防粗铝丝脱键的方法。包括如下步骤：镀镍前清除金属外壳表面的油污和氧化层→对金属外壳进行三层镀镍→将金属外壳置于450℃退火处理→镀薄层金→360℃退火处理；清除金属外壳表面的油污和氧化层的步骤包括：煮沸或超声去油→清洗→过盐酸→清洗→喷砂→过去离子水→过盐酸→过去离子水→过还原液；三层镀镍的工艺过程包括：电镀冲击镍→过去离子水→电镀整平镍→过去离子水→化学镀镍→过去离子水→烘干或吹干。本发明设计的一种防粗铝丝脱键的方法，化学镀镍后，将外壳置于450℃中退火，避免了化学镀镍层被拉起，提高了化学镀镍层与电镀镍层的结合能力。

Description

一种防粗铝丝脱键的方法
技术领域
本发明涉及电子元器件封装外壳领域，特别涉及一种防粗铝丝脱键的方法。
背景技术
电子元器件封装外壳是电子领域常用的零部件，主要有以下几类：有机封装、低温玻璃封装、陶瓷金属封装等，一般只能应用于低可靠性的民用市场领域，不能用于高可靠领域，尤其是军事装备领域。在军用领域，芯片和金属外壳引线用粗铝丝进行连接。目前，粗铝丝金属外壳常存在脱键问题，主要表现在三个方面：一是粗铝丝直接将键合区金层从镀镍层上带起，造成镀金层脱落；二是经温度环境后键合点完全脱落，拉力值很小或甚至接近于0，脱开界面在镀镍或镀金表面，铝丝几乎没有焊点残留；三是经温度环境后键合点脱落，但有一定的拉力值，一般低于65gf，有一定的焊点残留。
发明内容
为解决背景技术中提到的脱键问题，本发明展示了一种防粗铝丝脱键的方法。
为实现上述目的，现提供技术方案如下：
一种防粗铝丝脱键的方法，包括如下步骤,
S1、镀镍前清除金属外壳表面的油污和氧化层；
S2、对金属外壳进行三层镀镍；
S3、将金属外壳置于450℃退火处理,可避免化学镀镍层被拉起，提高化学镀镍层与电镀镍层的结合能力；
S4、镀薄层金,使得键合后形成的IMC数量更少，造成的键合区断裂更小；
S5、360℃退火处理，
进一步的，所述S1包括，
S1.1、煮沸或超声去油；
S1.2、清洗；
S1.3、过盐酸；；
S1.4、清洗；
S1.5、物理方式去除氧化层，例如喷沙和等离子清洗的方式。
S1.6、过去离子水；
S1.7、过盐酸；
S1.8、过去离子水；
S1.9、过还原液。
进一步的，述S2包括，
S2.1、电镀冲击镍；
S2.2、过去离子水；
S2.3、电镀整平镍；
S2.4、过去离子水；
S2.5、化学镀镍；
S2.6、过去离子水；
S2.7、烘干或吹干。
为进一步消除金铝化合物对键合的影响，提供如下方案：
一、在键合区钎焊铜铝复合片,适用于外壳芯片焊接区无接地线且在隧道炉或石英管炉中焊接芯片的情况。
二、键合区局部镀镍,适用于外壳芯片焊接区无接地线且在隧道炉或石英管炉中焊接芯片的情况。
三、进行整体镀金,对金层开展镀层优化，适用于芯片需要接地或使用板炉的情况。
本发明的有益效果：
1、本发明设计的一种防粗铝丝脱键的方法，化学镀镍后，将外壳置于450℃中退火，避免了化学镀镍层被拉起，提高了化学镀镍层与电镀镍层的结合能力。
2、本发明设计的一种防粗铝丝脱键的方法，三层镀层工艺提高了铝丝和镍层之间的可键合性，而针对金铝化合物对键合的不利影响所提出方案包括：在键合区钎焊铜铝复合片；键合区局部镀镍；整体镀金。这三个方案进一步消除金铝化合物对键合的影响。
3、本发明设计的一种防粗铝丝脱键的方法，有效解决了代表性产品高温贮存或寿命试验后的粗铝丝键合脱键问题，提高了金属外壳粗铝丝键合质量稳定性、长期可靠性。
附图说明
图1是不同温度下，键合处金、铝及其化合物之间的转化。
图2是外延模型示意图。
图中标注：
1.镍-金外延；2.镍-金基本外延；3.两层无外延；4.多层无外延；5.Au；6.Ni；7.Au；8.Ni；9.Au；10.Ni；11.Au；12.Ni。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明技术方案，下面结合附图对本发明技术方案进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
1、镀镍金属外壳脱键失效机理分析与工艺优化：
(1)失效机理分析
a.由于化学镍与电镀整平镍结合不良，导致键合时，化学镍层被拉起，从电镀镍层脱落；
b.镀镍金属外壳镀镍层通过扫描电镜对键合点界面进行成分线扫描发现，界面并没有形成大量化合物，所以Al-Ni键合中的主要问题是可键合性的优化问题，而非稳定性。一方面因为Ni表面易慢慢氧化而影响可键合性，另一方面是因为普通镀镍层表面的不平整导致粗铝丝键合不稳定。
(2)优化处理
a.为了避免化学镀镍层被拉起，提高化学镀镍层与电镀镍层的结合能力，可以在化学镀镍后，将外壳放置于450℃中退火；
b.为解决粗铝丝与镍层键合不上的问题，首先需要在镀前使用各种表面准备技术清除镍层表面油污与氧化层以提高可键合性：煮沸或超声去油→清洗→过盐酸→清洗→物理方式(如喷砂、等离子清洗等方式)去除氧化层→过去离子水→过盐酸→过去离子水→过还原液。
其次，对镍层和镍层表面的设计改进为三层镀层工艺：电镀冲击镍→过去离子水→电镀整平镍→过去离子水→化学镀镍→去离子水→吹干、烘干→退火。具体过程：在基底材料上先进行冲击镍，消除基底材料氧化层，形成良好结合，厚度约为0.1μm～0.2μm；冲击镍上电镀整平镍，通过改变镀液成分和调整电镀参数，促使镍层表面形成镍离子自动填充低谷处，提高镍层与铝丝键合接触面积，厚度约为4μm～6μm。电镀可键合镍后再进行化学镀Ni-P，提高可键合性和可焊性，厚度约为0.8μm～1.5μm。化学镀Ni-P时，化学镀低磷镍，淀积的镀层中的P含量不能超过6％wt～8％wt，否则会引起可靠性和可键合性问题。
2.镀金层脱键失效机理分析与工艺优化：
(1)失效机理分析
a.键合时因镀金层与镀镍层结合不良，粗铝丝直接将键合区金层从镀镍层上带起，造成镀金层脱落；
b.键合后经过温度环境而形成脱键主要是因为金属间化合物(IMC)的影响。普通镀金层金铝键合系统可能出现的IMC种类复杂，包括AuAl2、AuAl、Au2Al、Au5Al2、Au4Al等，形成的温度条件不同；且根据温度的不同，几种化合物会相互转化，如图1所示。经过高温试验后，键合区域内金铝化合物成分更加复杂，由于多种化合物属性又存在很大差别，所以容易造成脱键。
(2)优化处理
a.因镀金层与镀镍层结合不良导致的脱键失效问题可在镀金完成后，外壳进行360℃退火处理，实验证明可有效提高金层与镍层结合力；
b.减薄镀金层，Au层厚度较薄时，键合后形成的IMC数量更少，造成的键合区断裂更小，但并不能完全消除。
为进一步解决金铝化合物对键合的不利影响，本发明提出以下三个方案。
①.键合区钎焊铜铝复合片，适应于外壳芯片焊接区无接地线且在隧道炉或石英管炉中焊接芯片的情况。
若选择金锗焊料，则在356℃下氢氮气氛中进行焊接；若钎焊芯片时，可选择金锡焊料，在280℃下氢氮气氛中进行焊接。
②.键合区局部镀镍，适应于外壳芯片焊接区无接地线且在隧道炉或石英管炉中焊接芯片的情况。
相对于键合区镀金，Ni-Al键合不会形成大量的金铝化合物和空洞，经过镀可键合镍，粗铝丝在镍层上的键合稳定性会有良好保障。如果外壳镀镍后再镀金，而引线和接地键合区仍是镍层，将粗铝丝直接键合在镍层上，也是一种提高键合稳定性的方式。
③.当芯片需要接地或使用板炉时，须进行整体镀金，对金层开展镀层优化。根据国外研究显示，金层中的块状镀金层会与镍形成晶体大颗粒外延，且块状镀金层中的杂质约为70ppm，晶格边界更少；而冲击镀金层与铝形成的晶粒中杂质约为120ppm，晶格边界数量多，更易储存杂质。可见块状镀金层更有利于键合稳定性，如图2所示。
仅从降低金层厚度着手并不能完全消除脱键隐患。需要对镀金层内部结构进行分析。电镀大颗粒金与镍形成了外延的大颗粒晶体，减少了普通镀金后形成的多层内部结构，也减少了晶格边界的数量，从而降低了杂质在边界存储能力。电镀大颗粒金关键技术是通过改进电镀工艺和镀液成分的调整，促使在微观下金层内部形成可外延的块状镀金层。
以上所述，仅是本发明的的最佳实施例而已，并非对本发明的任何形式的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下利用上述揭示的方法和内容对本发明做出的许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (6)

1.一种防粗铝丝脱键的方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、镀镍前清除金属外壳表面的油污和氧化层；
S2、对金属外壳进行三层镀镍；
S3、将金属外壳置于450℃退火处理；
S4、镀薄层金；
S5、360℃退火处理。
2.根据权利要求1所述的一种防粗铝丝脱键的方法，其特征在于：所述S1包括，
S1.1、煮沸或超声去油；
S1.2、清洗；
S1.3、过盐酸；
S1.4、清洗；
S1.5、物理方式去除氧化层；
S1.6、过去离子水；
S1.7、过盐酸；
S1.8、过去离子水；
S1.9、过还原液。
3.根据权利要求1所述的一种防粗铝丝脱键的方法，其特征在于：所述S2包括，
S2.1、电镀冲击镍；
S2.2、过去离子水；
S2.3、电镀整平镍；
S2.4、过去离子水；
S2.5、化学镀镍；
S2.6、过去离子水；
S2.7、烘干或吹干。
4.根据权利要求1所述的一种防粗铝丝脱键的方法，其特征在于：还包括在键合区钎焊铜铝复合片。
5.根据权利要求1所述的一种防粗铝丝脱键的方法，其特征在于：还包括键合区局部镀镍。
6.根据权利要求1所述的一种防粗铝丝脱键的方法，其特征在于：还包括进行整体镀金。
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