背景

電子元器件的外電極上常使用多種材料通過(guò)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(cè)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(lái)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(cè)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(lái)源于順絡(luò)內(nèi)部

為了驗(yàn)證電鍍Cu層厚度對(duì)跌落可靠性的影響，需要對(duì)不同跌落水平樣品的電鍍Cu層厚度進(jìn)行測(cè)量。但是銅電極與Cu鍍層由于材料相同且連接致密，無(wú)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(lái)源于順絡(luò)內(nèi)部

圖3（a）：光學(xué)顯微鏡圖片，僅能看見(jiàn)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(wú)法區(qū)分。

圖3（b）：SEM-SE圖片，無(wú)法區(qū)分電鍍Cu層。

圖3（c）：SEM-BSE圖片，無(wú)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(wú)法區(qū)分電鍍Cu層。

因此，需尋找或者開(kāi)發(fā)一種便捷準(zhǔn)確的方法對(duì)Cu鍍層觀察測(cè)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(guò)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(huì)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(lái)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(jiàn)。

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(huì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致二者間的顯著不同。通過(guò)使用三氯化鐵鹽酸水溶液對(duì)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(guò)測(cè)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(cè)試結(jié)果

圖片來(lái)源于順絡(luò)內(nèi)部

跌落試驗(yàn)中的應(yīng)用

通過(guò)采用“銅線表面電鍍Cu層的測(cè)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(yǔ)

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(guò)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(lái)的隱形損失甚至超出產(chǎn)品本身價(jià)值因而，消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品時(shí)，在滿足基本功能的條件下會(huì)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(jìng)爭(zhēng)能力3。

自從1945年Mindlin發(fā)表的奠基性論文《Dynamics of Package Crushing》開(kāi)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(kāi)。順絡(luò)公司致力于成為電子元器件領(lǐng)域?qū)＜?，我們?duì)電子元器件跌落試驗(yàn)開(kāi)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(cè)量方法對(duì)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