氮化铝表面分层电镀制备金锡共晶薄膜工艺

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氮化铝表面分层电镀制备金锡共晶薄膜工艺

牛通* 纪乐 王从香 夏海洋

（南京电子技术研究所）

摘要：

采用分层电镀技术在氮化铝基板上制备了金锡共晶薄膜，主要工序为磁控溅射铜、电镀镍、电镀锡、电镀金和热处理。研究了电镀工艺和热处理的相关因素对金锡共晶膜层性能的影响，得到了可制得 Au、Sn 质量分数分别为(80 ± 1)%和(20 ± 1)%的金锡共晶合金膜的工艺参数。所得共晶膜可焊性良好，剪切强度优异。

正文：

金锡共晶合金焊料(Au80Sn20)具有优异的可焊接性、抗蠕变性、抗疲劳性、导电性和导热性，以及在焊接时无需助焊剂等优点，被广泛应用于功率芯片焊接、大功率激光器焊接、电子器件的陶瓷封盖封装等场合，是替代锡铅合金焊料的理想材料，尤其在高可靠电路封装、芯片焊接等方面受到了广泛的关注。

目前已经研究成熟的金锡焊料制备工艺大致可以分成金锡叠层法、熔铸法和电镀法。近年来有学者提出采用机械合金化法来制备金锡焊料 。采用金锡叠层法、熔铸法和机械合金化法均难以获得微米级厚度的金锡薄膜，也难以直接粘附在硅、氮化铝等基板上，这在一定程度上增大了界面热阻，而电镀法可以直接沉积在基板上，可有效降低界面热阻。在热管理领域，一般认为界面热阻约占总热阻的 60%左右，因此降低界面热阻具有重要的现实意义。电镀法又分为分层电镀和共沉积电镀，共沉积所需药水特殊，工艺控制困难，其应用远不如分层电镀法广泛。金锡分层电镀是按照 Au80Sn20 的质量分数计算厚度后，先分别电镀单层 Au 和 Sn 得到金锡叠层结构，随后通过适当的共晶热处理形成金锡共晶层。

本文先采用分层电镀法在氮化铝基板上制备了金层和锡层，再通过热处理得到金锡共晶薄膜。分析了金锡共晶薄膜的膜层结构，通过研究不同因素对膜层性能的影响确定了膜层结构(制备工序)，优化了金锡共晶热处理的工艺条件，最后对金锡膜层的性能进行分析。

1 金锡共晶薄膜制备工艺

采用边长为 2 in(相当于 5.08 cm 左右)的氮化铝(AlN)方片作为基板，氮化铝具有较高的热导率和与功率芯片相匹配的热膨胀系数。主要工序包含清洗、磁控溅射铜、电镀镍、电镀锡、电镀金和热处理。

从图 1 可知，溅射的铜种子层均匀、致密，厚约 3 μm，表面粗糙度(Ra)为 68.8 nm，铜晶粒呈多边形。电镀镍层厚约 2 μm，Ra 为 73.3 nm，晶粒的多边形开始模糊化。继续电镀约 2 μm 厚的锡后已看不到金属晶粒，此时氮化铝基板宏观上呈现出镜面反光的效果，Ra 降至 26.7 nm。电镀约 3 μm 厚的金后 Ra增至 52.4 nm。

2 分层电镀金锡工艺对金锡合金的影响

锡与镍、铜及金在一定温度下都有可能产生金属间化合物，因此有必要对分层电镀的膜层体系进行选择和优化。

2. 1 镍层的影响

镍常作为阻挡层和防扩散层，但镍的热导率较铜、金等金属低，在散热要求较高的领域，如果可以不用镍层，则尽可能不用。图 2 是无镍层和有 1 ~ 2 μm 厚的镍层时金锡镀层经 350 °C 热处理 10 s 后的能谱图，热处理前金层厚度约 3 μm，锡层厚度约 2.3 μm。

从图 2a 可见，在无镍层的情况下，热处理过程中 Cu 扩散进入金锡合金中，其质量分数约为 7.8%，将该合金膜加热到 330 °C 甚至 350 °C 仍不能熔化，熔点已明显偏离金锡合金的共晶点温度。这说明不采用镍做阻挡层的话，铜会与金、锡层发生复杂的合金反应，导致金锡合金的熔点升高。

从图 2b 可知，增加镍层后，热处理所得合金中未检测到 Cu，Au、Sn 的质量分数符合金锡共晶成分要求。该金锡合金膜层在 310 °C 下焊接时的润湿性和可焊性都良好。后续进行类似试验进行反复验证均得到该结果。因此，为防止铜与金锡之间发生扩散，必须加入镍阻挡层。

2. 2 电镀金、锡先后顺序的影响

从图 3 可知，先电镀 Sn 再电镀 Au 时，所得膜层表面容易发花，发花处膜层不致密，存在孔洞。此外，该体系膜层还存在镀金后膜层附着力不良和金锡分层现象。这主要是由于在金沉积初期局部有金层迅速融入锡层中，导致这些部位出现镀层发花、沉金慢、附着力不牢等现象。

先电镀 Au 再电镀 Sn 时，所得膜层结晶致密、无孔隙。经 3M 胶带检测，膜层无分层现象，结合力良好。因此，选择先电镀 Au 再电镀 Sn。

2. 3 Au 层和 Sn 层厚度的影响

金锡合金层中 Au 和 Sn 的含量之比决定了合金的熔点和其他性能。理论上而言，Au 和 Sn 的质量分数分别为 80%和 20%，即两者的原子分数比为 2.4∶1 时，属于共晶组织结构。对于双层结构的金锡膜层而言，要得到成分为Au80Sn20的共晶结构，金层和锡层的厚度设计十分重要。因此固定金层厚度为(3.0 ± 0.1) μm，分别电沉积厚度为(2.1 ± 0.1)、(2.4 ± 0.1)和(2.6 ± 0.1) μm 的 Sn 层，再在 350 °C 下共晶热处理 10 s，所得金锡合金膜的表面形貌和组成见图 4。

锡层厚度为(2.1 ± 0.1) μm 时，热处理后得到的金锡合金膜表面存在大量针孔，Au、Sn 的质量分数偏离金锡共晶组织，金含量偏高，该合金即使在 350 °C 下也不会熔化，无实用价值。

锡层厚度为(2.4 ± 0.1) μm时，热处理后所得金锡合金中Au和Sn的质量分数分别为80.30%和19.70%，与金锡共晶点的成分很吻合。在 310 °C 下焊接时的润湿性良好。

锡层厚度为(2.6 ± 0.1) μm 时，热处理后所得金锡合金膜中锡的质量分数偏高，但随后在 310 °C 下焊接时的润湿良好，仍具有实用价值。

可见，金层和锡层的厚度直接决定了金锡合金中各组分的含量。金含量偏高或锡含量偏低时，合金的熔点太高，不利于焊接，无实用价值。锡含量偏高时，合金的熔点变化较小，仍具有实用价值。因此，当金层厚度为(3.0 ± 0.1) μm 时，适宜的锡层厚度范围是 2.3 ~ 2.6 μm。

3 共晶热处理工艺对金锡合金膜的影响

通过分层电镀得到的金锡双层结构需要通过适当的热处理来促使金、锡原子充分融合，才能得到金锡共晶合金。根据金锡相图，设置适当的热处理温度−时间曲线，促使金/锡双层结构转换成 Au80Sn20的共晶结构，同时避免生成 AuSn 2 、AuSn 4 、SnO x 等物质。因此取 Cu、Ni、Au、Sn 层厚度分别为 3.0、2.0、3.0和2.4 μm的氮化铝基试样进行共晶热处理研究，所用仪器为德国ATV公司的SRO704型真空炉。

3. 1 气氛的影响

出于安全考虑和受试验条件的限制，热处理中采用氮气作为保护气氛。最初的热处理工艺采用“充氮气+升温”方式，具体操作为：在1 L的密封腔体内，先以1.5 L/min的流量充氮气3 min，之后以150 °C/min的速率升温至 350 °C。虽然热处理全程都有氮气保护，但所得金锡合金表面依然出现图 5 所示的黑点。对黑点进行能谱(EDS)分析可知，黑点中含 O，说明合金层发生了氧化。将氮气流量从 1.5 L/min 分别提高到 3.0 L/min 和 5.6 L/min 时，黑点依然存在。

于是改用“抽真空+充氮气+抽真空+充氮气+升温”的热处理模式，其中两次抽真空时间均为 5 min，两次充氮气的流量均为 3.0 L/min，首次充氮气时间为 2 min，第二次充氮气则伴随整个热处理过程。采用该热处理模式后金锡合金膜表面的黑点几乎完全消失，因此采用该热处理模式。

3. 2 升温速率的影响

将样品放入真空炉内分别以 100、125、150 和 175 °C/min 的速率升温至 350 °C 后保温 10 s，随炉冷却至室温，整个热处理过程充氮气保护，初期抽真空，氮气流量 3.0 L/min。从表 1 可知，在 100 ~ 175 °C/min的范围内，升温速率对金锡合金的元素组成和表面形貌无明显影响，合金表面都是灰、白两种物相交替均匀分布(见图 6)，在 310 °C 下焊接时与芯片之间的润湿性都良好。其中升温速率为 150 °C/min 时，金锡合金层的 Ra 最小。因此选择升温速率为 150 °C/min。

3. 3 最高温度的影响

其余参数同 3.1 节，以 150 °C/min 的速率分别升温至 350 °C 和 400 °C，然后保温 10 s，所得金锡合金的表面形貌见图 7。

在 400 °C 下保温时，金锡合金表面未能产生金锡合金特有的灰白两相结构，出现明显的针状物和边界，表面粗糙。对针状物进行 EDS 分析发现，不仅金、锡的质量分数之比显著偏离共晶点，还发现有不少的 Ni 和少量的 O(见图 8)。这说明在 400 °C 的高温下保温时，镍扩散至表面，并与金或锡发生合金反应，导致金锡成分明显偏离。因此确定热处理的最高温度为 350 °C。

4 金锡共晶合金膜的性能

4. 1 表面和截面分析

相关文献指出，在扫描电镜照片(图 6)中显示的金锡共晶合金膜表面的白色部分以 Au 5 Sn 相为主，灰色部分以 AuSn 相为主。在图 9 所示的截面形貌中，白色部分便是金锡共晶合金层，其右侧紧连的灰色部分是溅射铜层，最右面的黑色部分是氮化铝基板。截面的能谱线扫描结果显示金锡共晶合金膜层的厚度约 5 μm。

4. 2 可焊性

焊接试验的结果显示，金锡共晶合金膜试样在 310 °C 时完全熔化，并且很好地铺展在芯片表面(见图 10a)。采用尼康 XTH225 型 X 光机观察可见，芯片与氮化铝基板之间无虚焊和孔洞(见图 10b)。由此可见，金锡共晶合金膜的可焊性良好。

4. 3 剪切力

参照 GJB 548B–2005《微电子器件试验方法和程序》，把 4 个尺寸为 3 mm × 2 mm × 0.5 mm 的器件焊接在氮化铝基板上的金锡共晶合金膜表面，测得它们的剪切力分别为 506、555、824 和 799 N，均明显大于 50 N，满足了 GJB 548B–2005 的要求。

5 结语

采用分层电镀技术在氮化铝基板上制备了金锡共晶合金薄膜，并通过实验确定了较优的制备工艺，得到 Au 质量分数为(80 ± 1)%，Sn 质量分数为(20 ± 1)%的金锡共晶合金膜，其可焊性良好，具有很好的应用前景。