研究：粗化预电镀引线框架产品，有望实现国产化替代！-易镀表面处理

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引线框架是集成电路封装的主要结构材料，在电路中起到连接外部电路、传递电信号、向外界散热、支撑和固定芯片的重要作用，是集成电路中形成电气回路的关键组成部分，绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架，是电子信息产业中关键的基础材料。

1989年德州仪器引入预电镀引线框架(PrePlatingframeFinish，PPF)，预电镀引线框架是指在引线框架表面电镀镍层、钯层和金层，因预电镀引线框架能够保证焊锡质量，因而可以免去芯片封装后的电镀锡或电镀铅工序。

预电镀引线框架不仅是无铅零锡须风险、符合绿色环保要求，而且因免去封装后的电镀工序而极大节约成本与时间，因而受到了广泛研究与应用。

预电镀引线框架经过20多年的发展，电化学沉积技术与工艺已经十分成熟，与芯片塑封后的产品广泛应用于人工智能、物联网、智能制造、生物医疗等领域。

但预电镀引线框架与环氧树脂塑封料的结合力较差，使得芯片、预电镀引线框架与环氧树脂塑封料三种主要材料完成塑封封装后，其湿气敏感性等级最高达到MSL-3，无法满足MSL-1以及更高等级的可靠性要求，从而限制了预电镀引线框架的应用范围。

在提高引线框架可靠性等级方面，业内普遍采用的方法是选择性电镀以减少电镀区域面积、增加引线框架表面的锁料结构以及微蚀铜材使引线框架表面粗糙化。

对于预电镀引线框架产品，选择性电镀的工艺成本较高，增加引线框架表面的锁料结构对于大尺寸芯片封装后可靠性等级的提升并不明显，因此业内普遍采用构筑粗糙表面结构的方法，增加框架与塑封料之间的接触面积以增大二者之间结合力，从而提高预电镀引线框架的可靠性等级要求。

目前，先进半导体材料(AdvancedSemiconductorMaterials)公司通过其专利技术-第二代微蚀技术-在铜材表面构筑粗糙结构，再依次电镀镍层、钯层、金层，形成粗化镍钯金产品，经塑封后可满足MSL-1以及车规级的可靠性要求，但由于该种粗化镍钯金产品是通过微蚀铜材构筑，必将使得铜材厚度减薄并破坏铜材结构，导致引线框架的强度减弱，因此在封装过程中会无法避免翘曲问题的产生。

与微蚀铜材以构筑镍钯金产品粗糙表面结构不同，日本的三井、韩国的HDS等公司通过在铜材表面直接电镀一层粗糙的镍层，再依次电镀钯层和金层，形成粗化镍钯金产品，经塑封后可满足MSL-1以及车规级的可靠性要求，且避免了破坏引线框架强度的问题。

电镀粗糙的镍层结构需要以特定的电化学沉积液为基础，目前在国内尚未有商业化的电镀粗镍用电化学沉积液，因此国内的引线框架制造厂无法生产制造粗化预电镀引线框架产品，国内芯片封装厂所用的粗化镍钯金产品皆需要从国外购买。

通过自行研发电镀粗镍用电化学沉积液，并打通粗化预电镀引线框架的生产制造工艺，实现粗化预电镀引线框架产品的国产化替代具有十分重要的现实意义。

本文以公司自行研发的电镀粗镍用电化学沉积液以及生产制造工艺为基础，对制造出的粗化预电镀引线框架的可键合性进行了研究。

众所周知，引线框架的可键合性是其应用过程中首要关注的性能之一，也是评价产品质量的标准之一。

研究结果表明，我司通过自行研发的粗镍用电化学沉积液以及生产制造工艺制备的粗化预电镀引线框架，其可键合性完全满足行业内的应用要求，有望实现粗化预电镀引线框架产品的国产化替代。

实验部分

1.1 电镀粗镍用电化学沉积液配方

电镀粗镍用电化学沉积液配方由我司自行研发，配方成分主要包含开缸剂、稳定剂、微结构剂以及分散剂等四种成分。

本研究所用电镀粗镍用电化学沉积液中四种成分的具体含量为：开缸剂200g/L、稳定剂40g/L、微结构剂50g/L、分散剂3～10g/L。其中，图1中的新恒汇粗化镍钯金是本机构自主制备的产品，对应的制备条件为：开缸剂200g/L、稳定剂40g/L、微结构剂50g/L、分散剂6g/L。

1.2 粗化预电镀引线框架制备工艺

本研究所用粗化预电镀引线框架制备工艺流程为：除油→酸洗→水洗→电镀粗镍→水洗→电镀钯→水洗→电镀金→水洗→Anti-EBO处理→水洗→烘干。

此外，所用铜材型号为A194，厚度为0.203mm，产品类型为方形扁平无引脚封装用引线框架(QFNLeadframe)。

1.3 粗化预电镀引线框架的可键合性测试

引线框架产品的可键合性通过第二焊点拉力值、第二焊点报警率以及第二焊点残金三个指标进行定量化描述。

其中，第二焊点拉力值采用GJB548—2005方法2011.1进行测试，拉钩位置处于双键合点的中间位置，完成第二焊点拉力测试后，残金面积是通过测量残金的长度与宽度进行相乘计算而得到。

本研究使用KSElite引线键合设备完成粗化预电镀引线框架的可键合性测试，其中键合用线材为线径20μm的镀钯铜线，该线材对应的第二焊点拉力值要求为拉力最小值≥3gf，第二焊点报警率≤100×10−6，第二焊点残金面积≥键合面积的15%。

1.4 粗化预电镀引线框架的表面形貌测试

预电镀引线框架产品以及不同厂家的粗化预电镀引线框架产品的表面形貌皆使用型号为AperoS的扫描电子显微镜进行测试，其中普通镍钯金与粗化镍钯金为本机构自主制备的产品，而1号、2号、3号供应商粗化镍钯金产品分别为HDS、Shinko、井厂家生产的粗化镍钯金，用于形貌测试的样品是直接购买三家供应商的成品。

结果与讨论

2.1 粗化预电镀引线框架的表面形貌分析

由图1可知，普通镍钯金产品的表面形貌平整，其表面纹路由铜材的表面纹路所导致，而粗化镍钯金产品的表面形貌是具有明显结构特征的非平整表面。

对比四家引线框架制造商的粗化镍钯金产品，其表面结构、结构尺寸各不相同，而相同之处在于，都是通过构筑具有一定结构的非平整表面以增加产品的表面积，从而增大塑封树脂与框架之间的接触面积，以实现更高等级的可靠性要求。

图1 镍钯金与粗化镍钯金产品的SEM照片

引线框架的作用是通过引线将框架与芯片进行键合连接，从而保证塑封后芯片功能的正常发挥，因此引线框架的可键合性是评估其质量的关键方面之一。

而粗化镍钯金产品因镀镍用电化学沉积液的药水成分与普通镀镍用电化学沉积液的药水成分不同，且生产制造工艺不同，因此需要对粗化预电镀引线框架的可键合性进行研究。

2.2 分散剂含量对二焊点可键合性的影响

在镀粗镍用电化学沉积液中，分散剂是电镀颗粒状镍的关键成分之一，因此首先从二焊点拉力值以及二焊点残金两个方面探究了溶液中分散剂含量对粗化镍钯金产品可键合性的影响。

从图2(a)中可以看出，当粗镍电化学沉积液中的分散剂含量为3、6和9mL/L时，随着分散剂含量的增加，二焊点拉力值呈现增大的趋势，但从二焊点残金来看，如图2(b)所示，在三种分散剂含量下制备的产品所对应的二焊点残金面积无明显区别。

图2 分散剂含量对二焊点拉力值及残金的影响

表1分散剂含量对二焊点拉力值影响的方差分析

表2分散剂含量对二焊点拉力值影响的Tukey分析

采用统计学检验中的方差分析检验了分散剂含量对二焊点拉力值影响的显著性，结果如表1所示。

通过表1的分析结果可知，P值为0.000，小于0.05，因此分散剂含量是影响二焊点拉力值的显著性因素。

为进一步比较两种分散剂含量对应的二焊点拉力值是否存在显著性差异，在方差分析的基础上进行了Tukey分析，通过表2可知，分散剂含量为6mL/L和9mL/L时，对两种分散剂含量对应的二焊点平均拉力值之差进行Tukey分析，统计分析的结果是P值为0.195，大于0.05，说明分散剂含量为6和9mL/L时，二者之间的二焊点拉力值无显著性差异。

同理，在分散剂含量为3mL/L和6mL/L以及3mL/L和9mL/L时，Tukey分析的结果是P值皆小于0.05，说明分散剂含量为6mL/L和9mL/L时对应的二焊点拉力值，同分散剂含量为3mL/L对应的二焊点拉力值之间具有显著性差异。

结合图2(a)可知，与分散剂含量为3mL/L相比，分散剂含量为6mL/L及9mL/L时，有助于提升二焊点拉力值。

2.3 表面粗糙度对二焊点可键合性的影响

引线框架在引线键合的过程中，键合用劈刀与框架之间的接触面积是影响二焊点可键合性的因素之一。

为提高引线框架第二焊点的可键合性，可将劈刀表面进行粗化，从而增大劈刀与框架之间的接触面积。

同理，粗化镍钯金框架产品，将框架表面进行粗化，同样能够增大劈刀与框架之间的接触面积，因此，粗化镍钯金表面的粗糙度可能是二焊点键合性的影响因素之一。

从图3(a)中可以看出，粗糙度为1.4～1.5与粗糙度1.2～1.3的引线框架相比，两种粗糙度引线框架对应的拉力值无明显差别，且都未能满足最小拉力值大于3gf的要求。

此外，从图3(b)中可以看出，粗糙度为1.4～1.5的引线框架对应的残金面积要明显大于粗糙度为1.2～1.3的引线框架对应的残金面积，但都未能达到残金面积大于键合面积的15%的要求。

结合统计学检验结果可知(图3(a))，双样本t检验的结果是P值为0.366，大于0.05，说明表面粗糙度不是影响粗化镍钯金产品二焊点拉力值的显著性因素。

图3 表面粗糙度对二焊点拉力值及残金的影响

2.4 镀层厚度对二焊点可键合性的影响

在普通镍钯金产品中，行业内部规定镍层、钯层、金层的厚度范围分别为0.5～2.5μm、15～40nm以及5～15nm，三种镀层的厚度在该范围内波动时，普通镍钯金产品均具有可键合性[14-15]。

因此，以普通镍钯金产品的镀层厚度为基础，探究了镍、钯、金三种镀层的厚度对粗化镍钯金产品可键合性的影响。

如图4所示，将镀镍层厚度固定为1.0μm，镀钯层厚度固定为15nm，探究金层厚度为5nm以及10nm时，对二焊点的拉力值以及残金的影响。从图4中可以看出，金层厚度10nm对应的二焊点拉力值要高于金层厚度5nm对应的二焊点拉力值，且从残金图中看出，金层厚度为10nm时的二焊点残金面积要大于金层厚度为5nm对应的二焊点残金面积，说明金层厚度的增加有助于提高粗化镍钯金产品第二焊点的可键合性。

图4 镀层厚度对二焊点拉力值及残金的影响

将镍层厚度固定为1.0μm，金层厚度固定为5nm，探究钯层厚度为15nm以及30nm时，对二焊点的拉力值以及残金的影响。

从图4中可以看出，钯层厚度为30nm对应的二焊点拉力值要高于钯层厚度15nm对应的二焊点拉力值，且从残金图中可以看出，钯层厚度为30nm时的二焊点残金面积要大于钯层厚度为15nm对应的二焊点残金面积，说明钯层厚度的增加有助于提高粗化镍钯金产品第二焊点的可键合性。

在探究镍层厚度对粗化镍钯金产品二焊点可键合性的实验中，将钯层厚度固定为15nm，金层厚度固定为5nm，镀镍层厚度分别为0.55μm以及1.0μm。从图4中可以看出，当镍层厚度降低到0.55μm时，与镍层厚度为1.0μm相比，拉力值增加且拉力值的波动范围减小，从残金图上可以看出，镍层厚度为0.55μm对应的残金面积要明显大于镍层厚度为1.0μm对应的残金面积。

表3 镀层厚度对二焊点拉力值影响的双样本t检验

通过统计学验证中的双样本t检验对图4中的拉力值数据进行了进一步验证，以判断镀层厚度对二焊点拉力值影响的显著性。

从表3中可以看出，金层厚度、钯层厚度以及镍层厚度对应的双样本t检验结果皆为P值小于0.05，说明金层、钯层以及镍层的厚度对粗化镍钯金第二焊点拉力值的影响皆具有显著性。

2.5 粗化镍钯金第二焊点报警率的显著性影响因素

在对引线框架进行引线键合的作业过程中，第二焊点报警率也是评估引线框架可键合性的重要因素之一。

在引线键合作业过程中，无法键合、短尾、断尾都会导致第二焊点报警。

本文通过统计学检验中的卡方检验以判断分散剂含量、表面粗糙度、金层厚度、钯层厚度以及镍层厚度对二焊点报警率影响的显著性。

在针对粗化镍钯金可键合性进行研究时，通常会进行至少两万次的引线键合，记录两万次引线键合过程中失效的次数，失效次数与总键合数的比值乘以一百万，即可得到报警率。

表4为三种分散剂含量对应粗化镍钯金产品的引线键合的合格次数与不合格次数，并通过统计学检验中的卡方检验可知，P值为0.199，该值大于0.05，说明分散剂含量对第二焊点报警率影响是不显著的。

同理，针对表面粗糙度、金层厚度、钯层厚度以及镍层厚度对二焊点报警率影响的显著性进行分析，结果如表5所示。

卡方检验结果为，表面粗糙度、金层厚度以及钯层厚度都非影响二焊点报警率的显著性因素，仅镍层厚度是影响二焊点报警率的显著因素。

表4 分散剂含量对二焊点报警率影响的卡方检验

表5 二焊点报警率影响因素的卡方检验

2.6 粗化镍钯金产品可键合性的优化结果

通过上述实验可知，对于粗化预电镀引线框架的二焊点拉力值，分散剂含量、金层厚度、钯层厚度以及镍层厚度是具有显著性的影响因素，而表面粗糙度是非显著性的影响因素。

对于粗化预电镀引线框架的二焊点报警率，仅有镍层厚度是具有显著性的影响因素，而分散剂含量、表面粗糙度、金层厚度以及钯层厚度皆为非关键因子。

结合上述实验的结论，将粗镍电化学沉积液中的分散剂含量调整为6mL/L，并将生产线制备的粗化镍钯金引线框架的金层厚度管控在10～12nm，钯层厚度管控在30～35nm，镍层厚度管控在0.5～0.6μm。

从图5(a)中可以看出，优化后的粗化镍钯金引线框架二焊点拉力值提升且最小拉力值为6.312gf;从图5(b)中可以看出二焊点拉力测试后的两种残金情况，第一种情况为引线在引线中部断裂，残金处可以观察到引线，此时残金面积几乎与二焊点键合区域面积相同，第二种情况为引线在二焊点处断裂，残金面积依然超过二焊点键合区域面积的50%。

此外，第二焊点在引线键合过程中的报警率降低至58×10−6。从拉力值、残金面积及报警率来看，优化后的粗化镍钯金引线框架的可键合性能有明显提升。