背景
電子元器件的外電極上常使用多種材料通過電鍍形成多層復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu),以滿足產(chǎn)品的綜合性能1。電子元器件的外電極的鍍層厚度直接影響電子元器件的工作性能、穩(wěn)定性、可靠性和壽命2。因此,電子元器件鍍層的準(zhǔn)確制樣及檢測直接影響了可靠性研究和失效分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
市面上很多電子元器件均需要在銅電極上按順序電鍍Cu、Ni和Sn三種鍍層(如圖1)。
圖1 某產(chǎn)品外電極結(jié)構(gòu)示意圖
圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
以可靠性研究為例:在研究某元器件跌落可靠性水平時(shí),發(fā)現(xiàn)部分樣品從焊接的基板上脫落,且脫落斷裂點(diǎn)普遍發(fā)生于樣品的電鍍Cu層(如圖2)。
圖2 某產(chǎn)品跌落測試相關(guān)圖片。(a)跌落前,焊接于基板上;(b)跌落后,從基板上脫落;(c)失效位置切片圖。圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
為了驗(yàn)證電鍍Cu層厚度對跌落可靠性的影響,需要對不同跌落水平樣品的電鍍Cu層厚度進(jìn)行測量。但是銅電極與Cu鍍層由于材料相同且連接致密,無法采用光學(xué)顯微鏡(金屬光學(xué)色澤差異)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscope,SEM)(背散射電子襯度差異)或能量色散型X射線光譜(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy,EDS)(元素差異)進(jìn)行區(qū)分(如圖3)。
圖 3銅線及其鍍層原始形貌圖像。(a)500X金相圖像;(b)3000X二次電子圖像;(c)3000X背散射電子圖像;(d)Cu、Ni和Sn的Mapping。圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
圖3(a):光學(xué)顯微鏡圖片,僅能看見呈淺黃褐色的Cu及其上較薄的灰褐色的Ni鍍層,電鍍Cu層無法區(qū)分。
圖3(b):SEM-SE圖片,無法區(qū)分電鍍Cu層。
圖3(c):SEM-BSE圖片,無法區(qū)分電鍍Cu層。
圖3(d):EDS-Mapping圖片,僅能區(qū)分Cu與電鍍Ni層,無法區(qū)分電鍍Cu層。
因此,需尋找或者開發(fā)一種便捷準(zhǔn)確的方法對Cu鍍層觀察測量,從而得到Cu鍍層厚度與跌落試驗(yàn)結(jié)果間關(guān)系。
本文基于金相腐蝕及光學(xué)成像原理,介紹一種通過腐蝕將Cu電極與電鍍Cu層界面顯露從而區(qū)分的方法。
實(shí)驗(yàn)方法及原理描述
金相樣品制備:使用400#砂紙將樣品磨到電極截面區(qū)域,再逐步使用800#、1200#、2000#、2500#和4000#砂紙進(jìn)行研磨,每次研磨將上一道研磨形成的劃痕去除。隨后先使用3μm的金剛石懸浮液粗拋光5分鐘,再使用1μm的金剛石懸浮液精拋光3分鐘。最后將樣品沖洗干燥。
腐蝕方法:腐蝕液由10g FeCl3.6H2O、10ml HCL和100ml去離子水均勻混合后制成,所用化學(xué)材料都為分析純。腐蝕方法為將樣品浸在腐蝕液中,到達(dá)時(shí)間后使用竹鑷子將樣品取出,并使用大量的清水沖洗以去除表面殘留腐蝕液。最后使用風(fēng)槍將樣品進(jìn)行干燥。
金相腐蝕原理:金屬材料會與特定的腐蝕液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而溶解。但金屬中不同晶粒、不同相以及晶界與晶粒之間的自由能不同,尤其是Cu電極與電鍍層的界面,由于存在微孔洞或微裂紋,其自由能更為活躍,所以容易被腐蝕形成一道特別窄的溝槽,從而區(qū)分出二者。
結(jié)果與討論
腐蝕后:銅線及其鍍層的金相形貌如圖4所示。
圖4銅線及其鍍層不同腐蝕時(shí)間的500X金相圖像。(a)腐蝕60秒;(b)腐蝕90秒;(c)腐蝕150秒。圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
圖4(a):腐蝕60s,箭頭處隱約出現(xiàn)Cu電極與電鍍Cu層的界線。
圖4(b):腐蝕90s,界線更加明顯。
圖4(c):腐蝕150s,界線已清晰可見。
小結(jié):經(jīng)特殊腐蝕處理的切片樣品,可以區(qū)分Cu電極與電鍍Cu層。
結(jié)論
由于銅會和腐蝕液中的Fe3+離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)而Ni鍍層不發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)方程式為Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+,所以Ni鍍層與Cu鍍層之間會形成高度差在金相顯微鏡下形成明顯的界面。而Cu電極與電鍍Cu層由于工藝不同所以其晶粒大小以及晶粒取向存在的差異會導(dǎo)致二者間的顯著不同。通過使用三氯化鐵鹽酸水溶液對拋光后含Cu/Ni/Sn鍍層的銅線進(jìn)行腐蝕,由于電鍍Cu層、Ni層和Cu電極之間的腐蝕速率不同而形成明顯的界面。該界面可在金相顯微鏡下觀察,最后通過測量清晰的電鍍Cu層的上下界面可得到電鍍Cu層的厚度。
表1.某產(chǎn)品電鍍Cu層測試結(jié)果
圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
跌落試驗(yàn)中的應(yīng)用
通過采用“銅線表面電鍍Cu層的測量方法”技術(shù),可有效輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高了產(chǎn)品的抗跌落性能。某型產(chǎn)品跌落次數(shù)從47次提升至108次,符合并超出了客戶標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人們生活水平的提高,小型機(jī)電產(chǎn)品特別是便攜式電子產(chǎn)品在日常生活中得到極大的應(yīng)用。由于產(chǎn)品的便攜性使得消費(fèi)者在攜帶或使用過程中將其失手跌落的意外時(shí)有發(fā)生,從而導(dǎo)致產(chǎn)品的破損。而且,作為精密的高科技產(chǎn)品,便攜式電子產(chǎn)品往往價(jià)格不菲,且其損壞帶來的隱形損失甚至超出產(chǎn)品本身價(jià)值因而,消費(fèi)者購買產(chǎn)品時(shí),在滿足基本功能的條件下會更加青睞有著良好耐撞性能的產(chǎn)品。產(chǎn)品的跌落沖擊耐撞性能已成為產(chǎn)品質(zhì)量的重要特性和產(chǎn)品的核心競爭能力3。
自從1945年Mindlin發(fā)表的奠基性論文《Dynamics of Package Crushing》開始,跌落沖擊耐撞性研究一直為研究者們所關(guān)注,行業(yè)內(nèi)在產(chǎn)品、集成電路板兩個(gè)層次上進(jìn)行的試驗(yàn)已普遍展開。順絡(luò)公司致力于成為電子元器件領(lǐng)域?qū)<遥覀儗﹄娮釉骷湓囼?yàn)開展了廣泛而深入的研究,并將這些成果應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。只有掌握了產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)、跌落沖擊參數(shù)與耐撞性能的關(guān)系,以及不確定性傳遞規(guī)律,才能獲得產(chǎn)品穩(wěn)健設(shè)計(jì)方案(設(shè)計(jì)參數(shù))。
本電鍍Cu層厚度的測量方法對產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在可靠性設(shè)計(jì)參數(shù)上提供更多數(shù)據(jù)支撐,保證了良好的抗跌落設(shè)計(jì),有助于更透徹的理解產(chǎn)品,為消費(fèi)者提供更為安全、可靠的產(chǎn)品。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:銅線上電鍍銅層厚度的測量在跌落試驗(yàn)中的應(yīng)用
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