电镀铜参数对铜箔性能与无铅焊点界面空洞的影响

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铜箔因其具有良好导热性、高抗电迁移性和低电阻率等优点而被应用于电子信息产品领域。电镀铜技术也因此渗透到了整个电子材料制造领域并成为现代微电子制造中必不可少的关键电镀技术之一。随着电子信息产品向小型化、轻量化、薄型化、多功能和高可靠方向发展,印刷电路板变得更密集,更薄和更平坦,因此对电解铜箔质量的要求也变得更加苛刻。然而在电镀过程中,电镀液中的杂质不可避免的会被引入到铜箔中,这将会加速钎焊接头反应界面上柯肯达尔空洞的形成,从而严重影响接头的力学性能。本文选取电流密度、沉积厚度和添加剂三种电镀参数作为研究切入点,采用环境扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)等分析手段表征铜箔表面形貌、晶粒取向、杂质种类和含量以及接头反应界面的微观组织形貌,研究并分析它们对电解铜箔性能和Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)/Cu界面空洞形成的影响,旨在得出获得最佳性能的铜箔与钎焊接头的规律。回流焊后,界面反应层中只检测到扇贝状Cu6Sn5金属间化合物(IMC),在时效过程中才形成Cu3Sn IMC。随着电流密度增加,Cu颗粒的尺寸不断增大,铜箔的表面粗糙度也不断增加。较高电流密度的电沉积倾向于抑制铜箔(111)织构的生长而促进铜箔(220)织构的生长。焊点界面空洞的总面积随着时效时间或电流密度的增加而逐渐增加,电流密度的变化不影响界面IMC的生长速率。随着沉积厚度的增加,Cu颗粒的尺寸不断增大,而铜箔表面粗糙度先减小后增大,且当沉积厚度为8μm时,铜箔表面粗糙度达到最小值(99.67 nm)。较厚铜箔的电沉积倾向于抑制铜箔(111)织构的生长而促进铜箔(220)织构的生长。焊点界面空洞的总面积随着时效时间或沉积厚度的增加而逐渐增加,沉积厚度的变化不影响界面IMC的生长速率。当Cl-单独作用时,铜箔表面粗糙度最大,而当Cl-作为复合添加剂组分时能够改善铜电沉积层结构,从而得到表面光滑的电解铜箔。铜箔织构主要以(111)和(220)为主,且不同添加剂制备的铜箔织构也有差异。添加剂的加入可能会导致铜箔中有机分子的存在。当电镀液中无添加剂或含Cl-,PEG和SPS添加剂时,经过长时间的时效,在焊点界面Cu3Sn层中只检测到一些空洞;而当含Cl-与PEG或Cl-与SPS添加剂时,在回流后的焊点界面Cu3Sn层中观察到许多空洞,并随着时效的进行逐渐凝聚成裂缝或开口。另外,添加剂成分的变化不影响界面IMC的生长速率。
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