周波 ，馬驍 ，陳華三 ，楊磊

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，安徽 合肥 230088；2.合肥圣達(dá)電子科技實(shí)業(yè)有限公司，安徽 合肥 230088）

氮化鋁陶瓷基板由于具有良好的熱導(dǎo)率[＞ 170 W/(m·K)]、抗折強(qiáng)度(＞ 350 MPa)，可以高度集中布線等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于混合集成電路類產(chǎn)品外殼。為了實(shí)現(xiàn)在單一基板上集成更多芯片的目的，當(dāng)前的陶瓷基板具有尺寸大、腔體深、布線密集的特點(diǎn)。由于基板需要與可伐合金的引線、環(huán)框進(jìn)行釬焊，因此需要在鎢金屬化層上鍍鎳，而基板上的鎢金屬化區(qū)孤島較多，需通過化學(xué)鍍鎳實(shí)現(xiàn)其二次金屬化。本文主要分析了一款氮化鋁腔體陶瓷基板在化學(xué)鍍鎳過程中出現(xiàn)局部區(qū)域起泡、腔體部位發(fā)黑異常現(xiàn)象的原因，并提出有效的改善措施。

1 故障特征和分析

1.1 局部區(qū)域起泡特征分析

鍍層起泡是指鍍層在經(jīng)受特定溫度沖擊時(shí)，由于鍍層和基體之間結(jié)合力不好，鍍層熱膨脹后受應(yīng)力向上凸起而形成圓形鼓包，鼓包用尖銳刀片或針頭可以挑破或者按壓后向下癟。

該氮化鋁腔體陶瓷基板正面(見圖1)和背面(見圖2)均發(fā)生起泡，但起泡部位均在環(huán)框的4個(gè)拐角或四周邊處，規(guī)律性較強(qiáng)。化學(xué)鍍過程不同于電鍍過程，沒有電場分布引起的尖端效應(yīng)，因此各受鍍區(qū)域鍍層一般均勻一致。如果出現(xiàn)鍍液異?；蛘咤兏策^程中操作不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)各處均勻分布的起泡或者起皮。因此，初步認(rèn)定是鍍前來料異常。

圖1 正面局部區(qū)域起泡照片F(xiàn)igure 1 Photos showing the blistering of local areas at front side

圖2 背面局部區(qū)域起泡照片F(xiàn)igure 2 Photos showing the blistering of local areas at back side

取來料在日光燈下檢查，初看時(shí)并未發(fā)現(xiàn)異常，但當(dāng)將產(chǎn)品與光線入射方向傾斜45°角觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)在基板環(huán)框的4個(gè)拐角存在明顯亮斑，正面、背面皆有，且僅集中于4個(gè)拐角區(qū)域(見圖3)。

圖3 陶瓷基板拐角正面(a)、背面(b)的亮斑照片F(xiàn)igure 3 Photos showing the bright spots at the corners of ceramic substrate at front side (a) and back side (b)

1.2 腔體部位發(fā)黑特征分析

在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，部分批次產(chǎn)品烘干后出現(xiàn)腔體周圍陶瓷表面發(fā)黑變色現(xiàn)象(見圖4)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，非腔體面(背面)陶瓷表面未出現(xiàn)變色(見圖5)，發(fā)黑印記沿著腔體的邊緣向外擴(kuò)散并逐漸減弱，在陶瓷表面較為明顯，而金屬化層未出現(xiàn)變色。通過跟蹤生產(chǎn)過程分析，推測由于最后一級沖淋洗熱水器加熱速率的限制，有時(shí)鍍后水洗時(shí)水溫較低，且產(chǎn)品腔體較深，并倒扣在托盤中烘干，冷水在腔體中無法快速揮發(fā)，在腔體中被緩慢加熱，于是形成大量高溫水蒸氣，而氮化鋁陶瓷長時(shí)間與高溫的水蒸氣接觸時(shí)容易發(fā)生水解反應(yīng)[如式(1)至(3)][1]所示。由于生成了非晶態(tài)AlOOH和疏松拜耳石態(tài)Al(OH)3的混合物，因此導(dǎo)致表面出現(xiàn)變色。

圖4 陶瓷基板腔體周圍發(fā)黑的照片F(xiàn)igure 4 Photo showing the blackening around the cavity

圖5 非腔體面顏色正常的照片F(xiàn)igure 5 Photo showing the normal color of non-cavity face

2 試驗(yàn)及檢測

2.1 根據(jù)來料狀態(tài)分檔進(jìn)行化學(xué)鍍

按來料環(huán)框四拐角是否有亮斑進(jìn)行分檔，各自化學(xué)鍍鎳后對比是否會(huì)起泡。

2.2 環(huán)框區(qū)域電鍍鎳與化學(xué)鍍鎳的對比

考慮到化學(xué)鍍鎳層為非晶態(tài)，內(nèi)應(yīng)力較大，為保證原因定位的準(zhǔn)確性，取有亮斑組采用常規(guī)流程[2]對環(huán)框部位電鍍鎳進(jìn)行對比。為保證對比的可靠性，第一次鍍鎳層厚度均控制在(1 ± 0.5) μm，最終鎳層厚度控制在(3 ± 1) μm。

化學(xué)鍍鎳工藝流程：除油→蝕刻→活化→鈀活化→一次化學(xué)鍍鎳→退火(810 °C)→二次化學(xué)鍍鎳。

電鍍鎳工藝流程：除油→蝕刻→活化→一次電鍍鎳→退火(810 °C)→二次電鍍鎳。

2.3 不同烘干方式的對比試驗(yàn)

烘干試驗(yàn)方案流程：

(1) 冷水沖洗→腔體面倒扣放置→烘干。

(2) 冷水沖洗→腔體面朝上放置→烘干。

(3) 冷水沖洗→切水→腔體面倒扣放置→烘干。

(4) 熱水沖洗→腔體面倒扣放置→烘干。

(5) 熱水沖洗→切水→腔體面朝上放置→烘干。

烘干溫度均為(100 ± 10) °C。

2.4 測試及表征方法

二次鍍鎳后鍍層結(jié)合力均在810 °C、氮?dú)浠旌蠚夥障驴己?5 min，檢驗(yàn)外觀是否起泡。

鍍層厚度采用Fischerscope X-ray XDRL測厚儀進(jìn)行測試。微區(qū)形貌及成分分別采用ZEISS Sigma500場發(fā)射掃描電鏡(SEM)和Oxford INCA能譜儀(EDS)進(jìn)行分析。光學(xué)放大照片采用Leica MR5000光學(xué)顯微鏡拍攝。

3 結(jié)果與討論

3.1 來料狀態(tài)分檔化學(xué)鍍的對比

對來料分檔后進(jìn)行化學(xué)鍍，有亮斑組起泡比例100%，起泡位置均發(fā)生在4個(gè)拐角處，與來料亮斑存在對應(yīng)關(guān)系，而無亮斑的均未發(fā)生起泡。

為進(jìn)一步分析亮斑區(qū)域和正常區(qū)域的差異，分別對這兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行了SEM和EDS分析。通過對比可見，中心正常區(qū)域鎢層結(jié)構(gòu)較為致密，鎢金屬化層(見圖6)在氮化鋁陶瓷(見圖7)上均勻分布，形成連續(xù)的織網(wǎng)結(jié)構(gòu)，鎢層上方無大的二次相浮塊。這說明二次相未發(fā)生聚集，而是在鎢層下方的氮化鋁顆粒晶界間呈孤島狀分布[3]，不會(huì)對表面的鎢層與鍍鎳層之間的結(jié)合力造成影響。

圖6 中心正常區(qū)域鎢層的掃描電鏡照片及能譜圖Figure 6 SEM image and EDS spectrum of tungsten layer at the central normal area

圖7 中心正常區(qū)域氮化鋁陶瓷基體的掃描電鏡照片及能譜圖Figure 7 SEM image and EDS spectrum of aluminum nitride ceramic at the central normal area

然而，四周邊發(fā)白區(qū)域的鎢層結(jié)構(gòu)較為疏松，未能形成互相交錯(cuò)的連續(xù)性膜層，且有大量塊狀二次相聚集于鎢層上方(見圖8)，二次相是陶瓷燒結(jié)助劑，主要成分為YAlO3(YAP)、Y4Al2O9(YAM)，均為非金屬玻璃態(tài)物質(zhì)。當(dāng)它們分布集中且在鎢金屬化層表面時(shí)，鍍鎳層無法與其形成金屬鍵，咬合力不強(qiáng)，因此發(fā)生起泡。這與文獻(xiàn)[4]報(bào)道的鎢導(dǎo)體中氧化釔成分偏高或偏析會(huì)影響鍍層附著力的情況相符，需要進(jìn)一步優(yōu)化漿料配方和燒結(jié)工藝。

圖8 四周邊發(fā)白區(qū)域二次相的掃描電鏡照片及能譜圖Figure 8 SEM image and EDS spectrum of secondary phase at the white area on a corner

3.2 有亮斑的環(huán)框區(qū)域電鍍鎳與化學(xué)鍍鎳的對比

僅對有亮斑的產(chǎn)品中環(huán)框區(qū)域進(jìn)行電鍍鎳，結(jié)果(如圖9所示)發(fā)現(xiàn)，起泡部位仍為環(huán)框拐角部位，與化學(xué)鍍鎳后的現(xiàn)象相同，說明鍍層自身的內(nèi)應(yīng)力差異并非導(dǎo)致起泡的原因，根本原因還是前述的基材問題。

圖9 環(huán)框區(qū)域電鍍鎳后拐角起泡的照片F(xiàn)igure 9 Photo showing the blistering at the corner after nickel electroplating on the outer ring area

3.3 不同烘干方式的對比

2.3節(jié)中5種烘干方式的試驗(yàn)結(jié)果如圖10-14所示。試驗(yàn)1復(fù)現(xiàn)了批生產(chǎn)中相同的產(chǎn)品腔體邊緣發(fā)黑現(xiàn)象。試驗(yàn)2證明了當(dāng)不形成封閉空間時(shí)，烘干加熱時(shí)形成的水蒸氣可以快速脫離腔體表面，不會(huì)與氮化鋁長時(shí)間接觸反應(yīng)，也不會(huì)引起腔體區(qū)域發(fā)黑變色，但由于背面與托盤接觸，水分加熱后無法及時(shí)排出，因此背面出現(xiàn)了發(fā)黑變色現(xiàn)象。試驗(yàn)3和試驗(yàn)5則證明采用壓縮空氣在烘干前將產(chǎn)品腔體內(nèi)部、表面多余的水分切除，可有效避免烘干時(shí)形成大量的水蒸氣，從而避免水解反應(yīng)的發(fā)生。對比試驗(yàn)4與試驗(yàn)2會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡管采用了熱水沖洗后水分在進(jìn)入烘箱前揮發(fā)較快，殘留在腔體中的水較少，但由于倒扣放置形成了封閉空間，因此仍發(fā)生了輕微發(fā)黑現(xiàn)象。

圖10 試驗(yàn)1腔體發(fā)黑照片F(xiàn)igure 10 Photo showing the blackening of cavity in test No.1

由于試驗(yàn)5的方案疊加了熱水沖洗、切水、腔體面朝上放置這幾種優(yōu)化措施，因此效果最優(yōu)。最終選擇了試驗(yàn)5的烘干方案作為固化工藝，后續(xù)生產(chǎn)中未再出現(xiàn)發(fā)黑變色現(xiàn)象。

圖11 試驗(yàn)2背面發(fā)黑照片F(xiàn)igure 11 Photo showing the blackening of back side in test No.2

圖12 試驗(yàn)3腔體不發(fā)黑照片F(xiàn)igure 12 Photo showing the cavity without blackening in test No.3

圖13 試驗(yàn)4腔體輕微發(fā)黑照片F(xiàn)igure 13 Photo showing the slight blackening of cavity in test No.4

圖14 試驗(yàn)5不發(fā)黑的正面(a)和背面(b)照片F(xiàn)igure 14 Photos showing the front side (a) and back side (b) without blackening in test No.5

4 結(jié)語

通過制定來料檢驗(yàn)圖譜，在鍍前對來料進(jìn)行篩選，可以有效避免起泡問題。由此加深了對來料會(huì)影響化學(xué)鍍的認(rèn)識(shí)。在其他鍍覆生產(chǎn)過程中也應(yīng)多觀察來料的表面狀態(tài)是否存在差異，提前識(shí)別出問題點(diǎn)并加以改善。

通過出槽后熱水沖洗和切水，并在烘干時(shí)令腔體朝上放置，有效避免了發(fā)黑變色問題。由此加深了對化學(xué)鍍過程控制的認(rèn)識(shí)。產(chǎn)品的清洗和干燥由于發(fā)生在鍍后，通常不被重視，但對產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)帶來巨大影響。只有不放過每一個(gè)細(xì)節(jié)，才能將產(chǎn)品質(zhì)量做到最好。

解決工藝問題必須找到根因，對癥下藥才能取得效果。只要原因定位清楚了，有理論支撐，并且能做到故障復(fù)現(xiàn)，問題一定會(huì)迎刃而解。