电子封装用硅铝合金镀金黑点分析

田阳，杨洋，唐勇刚，吕滨草，李枘，高天乐

成都四威高科技产业园有限公司，四川 成都 611731

微波T/R(发射/接收)组件对小型化、高功率密度、高集成度、高可靠性等方面的技术要求越来越高[1]，新的封装材料和集成工艺不断涌现。高硅铝合金封装材料因具备密度低，热膨胀系数与微波组件内部芯片和基板相匹配，以及机械加工性能良好等优点，在航空航天、电子器件等领域获得较为广泛的应用[2]。

作为封装材料，硅铝合金经电镀后才能与其他电子器件连接。电镀主要有两个作用：一是改善材料的表面性能，提高对焊料的浸润性；二是镀层作为阻挡层能够阻止焊料的渗透，保证材料的稳定性。硅铝合金通常在化学镀中间镀层后再镀Ni或Au[3-4]。硅铝合金腔体镀Au后与低温共烧陶瓷(LTCC)基板焊接，经丝焊、带焊完成信号互连，最后通过激光封焊来实现腔体气密封装。

1 问题描述

某微波T/R组件选用喷射沉积法制备的 Si质量分数为 42%的硅铝合金作为微波腔体，其电镀工艺流程为：除油→粗化→超声清洗→浸Zn→碱性化学预镀Ni→化学镀Ni→水洗→镀Au→烘干。镀Au后发现腔体表面出现细小的黑点(见图1a)，在Zeiss Stemi 2000体视显微镜下可见黑点呈散点状分布(如图1b所示)。在同一生产线上采用相同工艺对Si质量分数为50%的硅铝合金微波腔体电镀时却并未出现上述故障。

图1 故障件镀Au层的外观(a)和微观形貌(b)Figure 1 Appearance (a) and micromorphology (b) of defective Au-coated part

2 缺陷分析

2.1 基底组织的初步分析

先采用400目金相砂纸彻底磨掉表面镀层，露出硅铝合金基底，未发现明显的疏松组织或孔洞；继续采用1 000目砂纸抛光，在Zeiss Axio Imager A2m金相显微镜下依旧未发现明显的疏松组织或其他缺陷，如图2所示。因此排除基底材料缺陷这一因素。

图2 缺陷区域基体的外观(a)和金相照片(b)Figure 2 Appearance (a) and metallographic images (b) of the substrate at defective area

2.2 Au镀层的表面形貌和成分分析

采用Hitachi SU1510扫描电镜观察缺陷区域和正常区域的Au镀层形貌。从图3可知，正常区域Au镀层致密、完整，晶粒尺寸均匀。缺陷区Au镀层虽也基本覆盖完整，但晶粒堆积较散乱，高低不平，存在开裂和孔隙，未发现明显的腐蚀现象。

图3 无缺陷区(a)和缺陷区(b)的Au镀层表面形貌Figure 3 Surface morphologies of Au coatings at normal area (a) and defective area (b)

如图4所示，采用扫描电镜附带的能谱仪对镀层正常区域和缺陷区域进行分析，结果列于表1。

表1 无缺陷区和缺陷区的镀层元素组成Table 1 Elemental compositions of Au coatings at normal areas and defective area

图4 无缺陷区(a)和缺陷区(b)能谱分析的取样点Figure 4 Normal areas (a) and defective areas (b) to be analyzed by EDS

从表1可知，镀层表面的主要成分为Au，含少量C和O，缺陷区仅C和O的含量略高于无缺陷区，无其他元素存在。

2.3 Au镀层的金相截面分析

基体表面状态对镀层结构和形貌具有重要影响，在缺陷区断面取样打磨拋光后，使用金相显微镜观察镀层和基体的横截面形貌。从图5a可知，硅铝合金的微观组织主要由深灰色的初晶硅和浅灰色的铝基体组成，初晶硅呈现不规则的块状，均匀分布在铝基体中，部分连接成网状结构，部分弥散分布。镀层均匀地覆盖在基体表面，从外到内依次为镀层、粗化所得的富Si层和基材，部分硅颗粒凸起，比基体表面高出约20 μm，使样品表面局部不平整。

从图5b的高倍图可看出，黑点的纵剖面(见箭头所示)是由硅颗粒和镀层组成的疏松结构，镀层不再连续，内部包覆的硅颗粒有脱落迹象。疏松结构仅分布在表面镀层中，并未渗透到基体内部，说明黑点不是材料内部组织疏松或孔洞缺陷，而是电镀过程中硅颗粒脱落形成的孔洞[5]。

图5 镀金硅铝合金缺陷区的断面金相形貌Figure 5 Cross-sectional metallographs of gold-coated Si-Al alloy at defective area

2.4 原因分析

喷射沉积所得硅铝合金的微观形貌与Si含量密切相关。Si质量分数为27%时，大部分Si相呈球形，并弥散分布在铝基体中；Si质量分数为42%时，部分Si相开始连接并形成网状结构，部分仍弥散分布，容易脱落；Si质量分数为50%时，Si相能够形成较为完整的三维网状结构，并且具备一定的强度[6]。

本批次硅铝合金T/R组件所用的粗化液由700 ～ 800 mL/L硝酸和150 ～ 200 mg/L氟化铵组成，粗化时间2 ～ 4 min。粗化过程中基体会发生一定的腐蚀，有大量Si颗粒脱落并附着于表面。因T/R组件结构较为复杂，后续超声清洗时Si颗粒若未被除尽则会继续松散地附着，电镀Au后才脱落而留下坑洞，最终形成黑点缺陷。

3 改进措施

采取以下措施后，镀金黑点缺陷得到控制，未再出现类似故障。

(1) 控制前处理粗化过程的腐蚀程度，将硝酸添加量降低至500 ～ 600 mL/L，处理时间缩短为1 ～ 3 min。

(2) 将超声清洗时间从原先的5 ～ 10 min延长至10 ～ 15 min，并对清洗后材料表面状态按批次进行抽检。