论文总字数：27221字

摘 要

功率电子器件运行的工作温度较高，促进焊点界面处金属间化合物的过度生长，易造成功率电子器件可靠性降低等问题，需要引入扩散阻挡层来有效抑制界面金属间化合物的生长。但是，传统Ni-P扩散阻挡层存在高温性能差，镀层致密性不够等问题，在功率电子领域的应用受到限制。为了解决这些问题，学者们通过在镀层中添加第三元素来改善镀层性能。电子器件在使用过程中不可避免地会接触到腐蚀介质，因此研究镀层耐蚀性能对提高焊点可靠性有重要意义。本研究采用化学镀方法在铜基板上制备Ni-Mo-P、Ni-W-P、Ni-Fe-P三种三元镀层，借助扫描电镜、能谱仪等仪器分析表征镀层表面微观结构和组成成分；并通过文献调研、归纳、总结，分析三种镀层的耐蚀性能及其背后的机理。调研结果显示，从镀层孔隙率、胞状物尺寸等方面分析，三种三元镀层微观形貌均有所改善，经适当热处理后，镀层耐蚀性能进一步提升；钼能提升镀层高温性能和致密性，镀层表面光滑、胞状物排列紧密；钨能降低镀层孔隙率，提升镀层高温稳定性，并在镀层表面生成致密的WO₃氧化膜；铁能改善镀层表面状态，减少镀层缺陷。本课题研究对三元镀层性能改善以及工艺应用推广提供了理论支持。

关键词：化学镀；耐蚀性；Ni-Mo-P；Ni-W-P；Ni-Fe-P

Abstract

The power electronic devices work in high temperature, which promotes the excessive growth of IMCs at the interface of solder joints and tends to reduce the reliability of power electronic devices, the growth of IMCs at the interface needs to be effectively inhibited by the introduction of Diffusion barrier. However, the traditional Ni-P Diffusion coating has some problems, such as poor high-temperature performance and low coating compactness, which limits its application in power electronics. In order to solve these problems, scholars add the third element in the coating to improve the performance of the coating. It is inevitable for electronic devices to come into contact with corrosive medium, so it is essential to study the corrosion resistance of the coating, improving the reliability of solder joint. Ni-Mo-P, Ni-W-P and Ni-Fe-P ternary coatings were prepared on copper panel by electroless plating. The microstructure and component of coatings were observed by SEM and EDS, and corrosion resistance and mechanism of coatings were reviewed. Conclusion could be drawn that microstructure of coatings have been improved from analysis of porosity and size of cell. After proper heat treatment, the corrosion resistance of the coating was further improved. Mo could improve the compactness of coating, making the surface smooth and cells arrange tightly, it can also improve the high temperature performance of coating. W reduces the porosity of coating, improve high temperature stability and help to form a dense WO₃ oxide film on the surface of coating. Fe could improve surface state and reduce defects of coating.

The study provides theoretical support for the improvement of the properties of ternary coating and the application of the technology.

Key words: electroless plating; corrosion resistance; Ni-Mo-P; Ni-W-P; Ni-Fe-P

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2化学镀概述 2

1.3 Ni-P镀层概述 3

1.4三元镀层研究现状 4

1.5本文研究内容 6

第二章 实验方法及步骤 7

2.1实验器材及设备 7

2.1.1实验材料 7

2.1.2实验设备 7

2.2基体材料前处理 8

2.3化学镀步骤 9

2.3.1镀液组成及配置 9

2.3.2操作步骤 11

2.4镀层结构表征 12

第三章 三元镀层分析及研究现状 13

3.1镀层微观形貌及成分分析 13

3.2三元镀层性能研究现状 18

3.2.1Ni-Mo-P三元镀层性能研究现状 18

3.2.2 Ni-W-P三元镀层性能研究现状 20

3.2.3 Ni-Fe-P三元镀层性能研究现状 21

3.5 三种镀层结构性能比较 23

第四章 课题结论与展望 25

4.1结论 25

4.2展望 25

参考文献 27

致谢 30

第一章 绪论

1.1引言

在功率电子器件中，依靠芯片互连层将陶瓷基板与芯片紧密连接起来，以实现电子器件的电气连接和机械连接，保证电子器件稳定、可靠地在各种使用环境下工作^[1]，所以封装技术工艺和质量对功率电子系统的可靠性及成本控制有重要影响^[2]。随着电子工业的高速发展，微型化成为电子元器件发展的重要方向，电子元器件被应用到网络基础设施、航空航天等民用和军工的各个重要领域^[3]，因此对焊点和器件在力学热力学等方面提出了更高的要求。电子器件在使用过程中不可避免地需要承受复杂而剧烈的力、温度等条件的变化^[4]，同时受到环境等因素对焊点的腐蚀，如最常见的潮湿环境。因此，为了确保电子器件在腐蚀环境中工作的可靠性，避免因焊点腐蚀而造成的失效，研究电子器件中焊点在腐蚀介质（如NaCl、HCl溶液等）中的电化学腐蚀现象对电子封装技术的发展具有重要意义。

由于Pb对环境的污染和对人体肝脏以及中枢系统的伤害^[5]，世界各国开始通过立法禁止传统的Sn-Pb焊料在电子领域的应用，并大力推进无铅焊料的研发和产品升级工作，目前应用最广、各项性能最优的是具有良好力学性能和润湿性且熔点低的Sn-Ag-Cu系无铅焊料^[6]。相较于传统Sn-Pb焊料，SAC无铅焊料中Sn含量超过90%，这使SAC焊料具有高熔点的特性，提高了钎焊所需的温度，同时焊料中Sn含量的增加使得Cu与Sn更容易反应生成金属间化合物IMC，对焊点使用过程中的可靠性产生影响^[7]。脆性的IMC对焊点的影响规律非常复杂，厚度适中的IMC层有促进焊料与基体、元器件间形成冶金结合的作用，这能有效延长焊点的使用寿命；然而IMC存在热膨胀系数与基体、元器件相差过大的问题，因此过厚的IMC在热循环条件下将形成应力集中，使结合面成为裂纹源，且IMC中的Cu₆Sn₅在焊接和时效过程中会继续长大和粗化，致使焊点韧塑性降低，使裂纹能够快速扩展，最终导致焊点失效；Cu₃Sn与Cu界面间生成的大量孔洞，也会使焊点抗剪切能力下降，削弱焊点力学性能^[8]。为了解决以上问题，学者们主要通过两种途径抑制过厚IMC的生成，一是在原有焊料的基础上添加强化相，得到性能更好的复合焊料，但此方法的发展受到了强化相添加量及强化相分布不均等问题的限制；第二种方法是在基体表面制备扩散阻挡层，抑制焊接和时效过程中Cu与Sn的反应，最常见的即通过成本低且操作简易的化学镀技术，在基体表面制备镀层，阻碍原子的扩散过程，进而抑制IMC的生成^[8]。镀层的存在有效减缓了Cu与Sn的反应，减小金属间化合物的厚度，是阻止过厚的金属间化合物生成的有效手段。因此，合适的镀层将显著提高电子器件的可靠性和使用寿命。

1.2化学镀概述

电镀方法受电场线的影响，镀层往往厚度不均、表面质量不理想，相比而言，化学镀有着低成本、操作简便等优点，更容易获得均匀、表面质量良好的镀层^[9]。因此，综合考虑以上因素，本课题选用化学镀方法制备三元镀层。

化学镀是一种常见的表面处理方法，它是指在不通电的情况下，以氧化还原反应为基础，由还原剂提供电子而镀液中的金属离子获得电子，从而在镀件表面沉积形成金属的方法。根据金属离子获得电子的途径，化学镀可大致分为以下三种^[9]：第一种，置换法。具有强氧化性的金属离子和强还原性的镀件反应，在镀件表面沉积出金属镀层。第二种，接触法。该方法采用原电池的原理，选一低电位金属与待镀工件相连接，作为反应阳极，溶解并提供电子，镀件为阴极，获得电子并在表面沉积金属镀层。第三种，还原法。镀液中含有还原剂，且还原剂提供电子，镀液中的金属获得电子并在镀件表面沉积形成镀层。本课题将采用第三种方法制备三元镀层。

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