镀铜厚度对裸铜框架抗氧化性能的影响

张胡军，张进兵，安 飞，雷育恒，温莉珺，刘殿龙，李习周

（天水华天科技股份有限公司，天水 741000）

1 引言

铜合金由于具有优良的导电导热性能，已经成为集成电路封装中引线框架的主要材料。近年来，随着Au、Ag市场价格的激增，加速了裸铜框架（表面没有镀Ag区域）在封装领域的应用。然而，铜合金容易被氧化，并且在封装工艺中，如芯片粘接、丝压焊、模塑包封等工序，框架要经受150～250 ℃的温度，必然会在其表面形成一层氧化膜。在裸铜框架封装工艺中，框架的氧化会严重影响丝压焊的质量；而且框架表面的氧化膜也是塑料封装产品在回流焊工艺中导致分层和裂纹的主要因素之一[1～4]。因此，引线框架的氧化引起了封装行业的广泛关注。

目前主要采用俄歇能谱分析（AES）、能量色散X射线光谱分析（EDX）及X射线衍射分析（XRD）等方法分析裸铜框架的氧化情况，研究不同温度对氧化层厚度、氧化物成分和环氧塑封料（EMC）粘接强度的影响[5～7]。

然而，关于生产环境中氧浓度和框架表面镀铜处理对框架氧化影响的报道甚少。而且，AES、EDX等检测方法的制样麻烦且成本较高。本文采用的双臂电桥法测量了不同试验条件下裸铜框架的电阻，进而分析了不同氧浓度和温度对裸铜框架氧化的影响，并研究了框架表面镀铜厚度对裸铜框架氧化程度的影响。

2 实验

2.1 实验材料和装置

实验材料分别为未镀铜裸铜框架（简记为LF0）、镀铜0.5 μm裸铜框架（简记为LF0.5）和镀铜1.0 μm裸铜框架（简记为LF1.0），框架基材为CDA194铜合金，其成分如表1所示。低温烘箱内气氛与空气相近，高温烘箱内充氮气并使氧含量低于0.1%。测试装置为双臂电桥测试电路，原理如图1所示[8]。

表1 CDA194铜合金成分

图1 双臂电桥原理图

图1所示的电路中，R1、R2、R3和R4为电路双臂的电阻；Rs为调节电路以达到平衡的电阻，均采用天水长城电工生产的ZX21型直流多值电阻器；Rx为待测框架的电阻。检流计为杭州电表厂生产的J0409型灵敏电流表。根据双臂电桥原理，电桥平衡时（流过检流计的电流为0）待测电阻Rx为：

2.2 实验过程

将LF0、LF0.5和LF1.0三种框架按照表2所示的条件进行处理，然后用图1所示的电路进行电阻测量。为了减小测量误差和全面反映框架不同区域的电阻大小，测试范围覆盖框架正反两面的各个部分，重复测量10次。

表2 烘烤工艺条件

3 结果与讨论

未氧化的裸铜框架的电阻率约为2.5×10-8Ω.m；而氧化产物为半导体材料，电阻率很高，约为5～5 000 Ω.m。因此，通过比较框架氧化前后的电阻率就可以分析框架的氧化情况。由于实验中采用同一种引线框架，在加工误差范围内框架的尺寸是相等的，因此框架的电阻率变化可以通过框架的电阻变化来描述，即：

其中，k为一常数；ρ为框架的电阻率。

对于LF0、LF0.5和LF1.0裸铜框架中的任何一种，如果令未烘烤框架的平均电阻为RNO，低温烘烤后框架的平均电阻为RLO，高温烘烤后框架的平均电阻为RHO，则由低温烘烤造成的框架电阻值的变化为：

高温烘烤造成的框架电阻值的变化为：

3.1 不同烘烤条件下裸铜框架的氧化程度

实验测得LF0、LF0.5和LF1.0三种裸铜框架的平均电阻RNO、RLO和RHO，如图2所示。

图2 三种框架经过不同烘烤处理后的电阻值

从图2看出，对于LF0、LF0.5和LF1.0中的任意一种框架，经过低温烘烤和高温烘烤后的框架电阻均大于未烘烤框架的电阻，这是框架发生氧化后的必然结果。为了分析不同烘烤条件对框架氧化的影响，根据图2结果计算得到LF0、LF0.5和LF1.0三种框架的ΔRL和ΔRH，如表3所示。

表3 低温烘烤和高温烘烤后框架电阻的增加量

从表3中可以看到：对于任何一种框架，低温烘烤后框架的电阻值增加量（ΔRL）很小，LF0、LF0.5和LF1.0经过低温烘烤后电阻值增加量分别为1.66 mΩ、0.47 mΩ和0.33 mΩ，这说明低温烘烤造成的框架氧化很小。对于未镀铜框架LF0，高温烘烤造成的框架电阻值的增量为低温烘烤造成的框架电阻值增量的3.69倍；对于LF0.5，高温烘烤造成的框架电阻值的增量为低温烘烤造成的框架电阻值增量的3.34倍；对于LF1.0，高温烘烤造成的框架电阻值的增量为低温烘烤造成的框架电阻值增量的1.94倍。由此可见，裸铜框架在氧浓度为0.1%的氮气保护环境中，180 ℃条件下烘烤60 min后，其氧化程度大于无氮气保护下100 ℃烘烤60 min后的氧化程度。根据金属氧化理论，裸铜框架氧化过程依赖于铜离子和氧原子在氧化膜内的扩散，并且以铜离子的扩散占主导地位。高温烘烤条件下，氧化环境为富铜环境，铜离子充足，并且随温度升高，铜离子的迁移率显著提高，从而加快了框架的氧化速率。而在低温烘烤条件下，虽然铜离子也较充足，但温度较低，铜离子的扩散较慢。因此，高温烘烤对裸铜框架造成的氧化程度大于低温烘烤造成的氧化程度，这与一些实验研究[5,6]结果相似。

3.2 框架表面镀铜厚度对裸铜框架抗氧化性能的影响

对于LF0、LF0.5和LF1.0三种裸铜框架，低温烘烤和高温烘烤造成的框架电阻值的变化ΔRL和ΔRH如图3所示。

图3 裸铜框架的电阻增量与镀铜厚度的关系

图3展示了ΔRL和ΔRH随裸铜框架表面镀铜厚度的变化情况。经过低温烘烤后，LF0.5框架的ΔRL比LF0的ΔRL降低了71.1%，LF1.0框架的ΔRL比LF0.5和LF0的ΔRL分别降低了29.8%和80.1% ；经过高温烘烤后，LF0.5框架的ΔRL比LF0的ΔRL降低了74.4%，LF1.0框架的ΔRL比LF0.5的ΔRL降低了59.2% 。由此可见，相同烘烤条件下，框架电阻的增加量ΔR随着镀铜厚度的增加而减小，并且两种镀铜框架（LF0.5和LF1.0）的电阻值增量远小于未镀铜框架（LF0）电阻值的增量。这说明镀铜1.0 μm裸铜框架的抗氧化能力优于镀铜0.5 μm裸铜框架的抗氧化能力，未镀铜裸铜框架的抗氧化能力最差。这是因为裸铜框架表面镀铜后，表面更加平整光洁，减小了框架与氧气的接触面积，从而提高了框架的抗氧化能力。

4 结论

研究表明，在无氮气保护的环境中，100 ℃条件下烘烤60 min后，裸铜框架的氧化程度很小。而在氧含量≤0.1%的氮气保护环境中180 ℃烘烤60 min后，裸铜框架的氧化程度大于无氮气保护下100 ℃烘烤60 min后的氧化程度。框架表面镀铜处理能有效提高框架在100～180 ℃范围内的抗氧化能力，并且框架的抗氧化能力随着镀铜厚度的增加而增加。这一研究结果可以为生产中裸铜框架的选择和烘烤参数的优化提供指导。

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