张明杰，高 成，傅成城，黄姣英



国产与进口管壳金镍镀层质量特性分析

张明杰，高 成，傅成城，黄姣英

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

国产金镍体系管壳在鉴定检验中，常出现腐蚀、掉字等镀层质量问题，直接影响器件的封装可靠性。结合镀层常见质量问题，分析镀层的厚度、结构等影响因素；利用扫描电镜和能谱分析，从外观、厚度、结合力、耐热性、结构和成分六方面，进行了国产与进口管壳样品的镀层质量特性分析；选取国产与进口管壳样品各10只，开展湿热试验和盐雾试验，分析Au/Ni管壳的薄弱环节和抗腐蚀性能。结果表明，国产管壳相比进口管壳的不足，主要表现在打标方式不成熟、金层厚度较为单薄、镀层结构不够合理、材料纯度相对较低等方面；在打印标记处和平行焊缝处，管壳的抗腐蚀性能较弱。

金镍镀层；管壳；质量特性；薄弱环节；抗腐蚀；可靠性

镀层对于元器件封装有着不可替代的作用，金镀层具有优异的耐蚀性及易焊性，适合做电子元器件的保护层。由于金层容易与印刷板上的铜层相互迁移形成合金，通常采用镍层做铜与金之间的扩散阻挡层，因此Au/Ni镀层体系在器件制造、封装工艺方面应用十分广泛[1-2]。目前，在微电子、光电子等领域中，军用电子元器件外壳多为陶瓷、金属等封装，这些封装也多采用Au/Ni镀层体系，Au镀层为镀层的最外层，Ni镀层作为镀金层的底镀层。镀层不仅提高了元器件在使用环境中抗变色、抗氧化和耐腐蚀的抗蚀性能，而且提高了元器件的诸多工作性能[3]。

近年来，在军用电子器件鉴定检验中，国产新研器件，特别是使用国产镀金管壳的器件，在耐溶剂、盐雾、湿热试验等后腐蚀、掉字等质量问题严重，通过率较低。镀层的腐蚀不仅仅会破坏外观、光洁度，还会导致表面粘接性降低，接触不良等。镀层只有具有较高的质量才能满足国家军用标准对其的考核指标，承研承制单位普遍在工艺要求方面采取了提高镀金层厚度的措施，但由于影响镀层质量的因素较为复杂，质量问题仍然存在[4]，国内外文献中也很少对此类问题进行分析。

本文从结构和工艺的角度对镀层常见质量问题进行了分析，选取了国产与进口Au/Ni镀层管壳样品，通过试验对比分析国产与进口电子元器件管壳镀层的质量特性和耐腐蚀性能，并寻找质量差距。

1 影响镀层质量因素及分析

1.1 影响因素

(1) 镀层厚度

镀层厚度影响镀层应力及镀层孔隙率，从而影响镀层质量。镀层厚度，尤其是镀镍层厚度的增加，会增大镀层应力，引起盖板变形，在外界压力下，这种变形会使镀层产生微裂纹，导致基体材料暴露引起盖板锈蚀[5]；且镀层本身应力很大，镀覆太厚则会出现“爆皮”现象。而镀层厚度减薄则会使镀层孔隙率增大，也导致锈蚀[6-7]。据有关文献，镀层孔隙率与镀层厚度成反比，随着镀层厚度的增加，孔隙率降低速度先快后慢，直到饱和。当镀层厚度在1 μm以下时，金层孔隙率很高；当镀层厚度为3 μm时，孔隙率较少；达到一定厚度时，孔隙有可能减少到几乎没有[8]。

(2) 镀层结构

目前，Au/Ni体系镀层主要有单层镀镍、金镍双镀和交叉电镀等结构。多层交叉电镀避免了孔穴的叠加效应，因此这种结构的样品抗盐雾能力很强。多层交叉电镀结构示意图如图1所示：基板上面是镍层，上面再镀金，进行多次交叉。镀镍层能够有效地提高抗盐雾能力，外表面的金层则用于保护镍层。

图1 交叉镀层结构

进口质量等级高的元器件基本上都是交叉电镀的多层结构，国内重点工程上使用的元器件镀层也采用多层结构[9]。交叉镀层的技术难点在于需要多次换挂具，如果界面处理不好，容易起皮、起泡。

(3) 镀层缺陷

镀层有缺陷必然不能很好地保护金属基材，各类元器件中普遍存在的镀层缺陷主要有不均匀、不完整、不严密等，此类缺陷的原因主要来自工艺[10]。

一是镀前工艺不良会影响镀层结合力，导致镀层易从基体金属表面上剥离[11]。镀层结合力是指镀层与基体金属或中间镀层的结合强度，即单位表面积的镀层从基体金属或中间镀层上剥离所需要的力，一般采用胶带牵引试验进行测试。

二是电镀工艺影响镀层本身的致密性和杂质含量等指标，从而影响其抗腐蚀性能，统计结果表明，抗盐雾能力强的样品镀层覆盖均匀、致密，无明显的凹坑和凸起。

三是元器件管壳和引脚与玻璃的封装工艺一般是先烧结后电镀，由于元器件结构、形状较为复杂，可能使得脚根部位镀层不完整、有裂缝。

四是电镀之后的元器件管壳可能会在其他加工工序中受到热、机械等应力的作用，使得玻璃体脆裂，导致镀层裂缝的产生或扩大。

1.2 镀金层常见质量问题及分析

(1) 金层颜色异常

镀金层的颜色与正常的金层颜色不一致，出现这种问题的因素主要是镀层缺陷，即因电镀工艺不良致镀层存在杂质。出现这种问题的具体原因可能是：a、镀金原材料含杂质；b、镀金液老化；c、硬金镀层中合金含量发生变化；d、镀金电流或电流密度过大。

(2) 镀层起皮起泡

在外壳电镀生产过程中，有时会出现镀层起泡现象，主要是镀镍层起泡；在镀后检验镀层结合力时，有时会遇到焊线孔在压扁时镀层有起皮现象，有时在高温检测试验发现金层有极细小的鼓泡现象发生。出现这种问题的具体原因可能是：a、镀前处理不彻底，各工序间的清洗不够充分；b、基体镀前活化不完全；c、镀镍溶液中的杂质过多；d、底镀层或中间镀层内应力过大。

(3) 耐盐雾性能差

耐盐雾性能差这一问题的成因比较复杂，镀金层厚度过薄、孔隙较多等结构问题、结合力差等镀层缺陷问题，都有可能导致镀金层的抗盐雾性能较差，而具体造成这些特性较差的原因大多由工艺问题导致。

2 国产与进口管壳镀层特性分析

2.1 外观分析

根据调研和对比样品的外观，发现国内镀金管壳的标识更多使用油墨打标的方式，而进口管壳更多使用激光打标的方式，这是由于国外环保要求，且激光刻蚀工艺相对成熟。目前，油墨打标主要在国内老产品和定型产品上，这种打标方法易受有机溶剂影响、有污染、抗腐蚀性差，常常出现标识不清的情况。

2.2 厚度分析

国军标对管壳的金层厚度没有具体规定，对于引线镀金，国外1.3 mm×0.0254 mm，国内1.27 mm× 0.0254 mm；对于镀镍层，规定镍的厚度为1.3~8.9 μm。

管壳的镀层厚度数据采用X射线荧光测厚仪测得，选用国产和进口管壳各5种型号，每种型号选取2个样品，在管壳正面中心选取一点进行测试，测得外层金层和镍层的厚度数据如表1所示。

表1 各型号管壳样品镀层厚度

Tab.1 The coating thicknesses of the cap samples μm

测试结果表明，国产管壳1#存在镀金层过薄的现象，可能带来镀层致密性不足的问题，导致管壳抗腐蚀性能降低。对于其余9种型号的国内外管壳，虽国产镀金层厚度略薄于进口，但这种金层厚度的差异十分细微。而镍层厚度数据则较为分散，薄的镀层不足1 μm，较厚的镀层达10 μm。

2.3 结合力分析

对选用的管壳样品进行镀层结合力检查，使用3M5413聚酰亚胺胶带，粘接并拉脱3次胶带，国产和进口管壳镀层均未发生剥离。试验结果表明，国产和进口管壳在结合力方面全部合格。

2.4 耐热性分析

根据GJB1941—94《金电镀层规范》中对镀层耐热性试验的规定，样品在（260±14）℃下放置至少30 min，镀层以不出现气泡、褪色或可见的白色结晶膜为合格。

对国产和进口管壳遵循上述试验规定进行耐热性试验。实际试验温度为260℃，时间为2.4 h。试验后观察管壳镀层，2只国产器件出现颜色加深的现象，这是由于管壳表面涂覆的保护剂受热造成的，而其他各个型号管壳未发现气泡、颜色变化等现象。耐热性试验结果表明，镀层表面未出现气泡、褪色或可见的白色结晶膜，国产与进口管壳的耐热性试验全部合格。

2.5 结构分析

选取国产和进口各个型号的管壳各一只，对样品进行截取、镶嵌、磨研、抛光等处理，然后使用扫描电镜观察，国产1#至5#管壳样品的镀层的微观结构如图2(a)~(e)所示。

图2 扫描电镜下国产管壳镀层结构

从微观结构可以观察到，试验样品中国产1#和国产5#镀层存在均匀性和连续性较差的问题，国产2#的外层金存在不纯的问题，使用双镀层结构的国产3#和使用交叉镀层结构的国产4#镀层均匀性和连续性比较好。

使用扫描电镜观察5种进口型号管壳镀层的微观结构如图3(a)~(e)所示，从微观结构可以看出，5只进口管壳中4只采用的Au-Ni-Au-Ni的交叉镀结构，且进口3#、进口4#、进口5#镀层的连续性和均匀性较好，进口1#的双镀层存在外层金较薄且不够平整的问题，进口2#采用双镀层的结构，但在激光打标处出现金层变薄的现象，会导致抗腐蚀性能降低。

图3 扫描电镜下进口管壳镀层结构

就整体而言，国产管壳镀层的质量参差不齐，与质量较为稳定的进口管壳镀层存在差距。

2.6 成分分析

通过能谱对管壳镀层的各层成分进行分析，得到国产与进口管壳样品镀金层金的质量分数如表2所示。通过能谱对管壳镀层的各层成分进行分析，得到国产与进口管壳样品镀镍层镍的质量分数如表3所示。

表2 国产与进口管壳镀金层金的质量分数

Tab.2 The gold mass fractions of gold-plating on domestic and imported caps

表3 国产与进口管壳镀镍层镍的质量分数

Tab.3 Nickel mass fractions of nickel-plating on domestic and imported caps

通过能谱分析结果可以发现，在最外镀金层部分，国产管壳镀金层的金含量明显低于进口管壳的金含量，有4只国产管壳金的质量分数低于90%。对于镀镍层，国产与进口镍层镍的质量分数均在97%以上，进口3#~5#的镍的质量分数达99%以上。

通过能谱对管壳基板成分进行分析，得到样品基板材料各元素质量分数如表4所示。通过能谱分析结果可以发现，国产与进口管壳样品的基板材质存在一定差异。

表4 国产与进口管壳基板元素质量分数

Tab.4 The element mass fractions of substrates on domestic and imported caps w/%

进口5只管壳和国产4#的基板材料为铁钴镍质量分数为54%，17%，29%的B4J29可伐合金，其中国产4#管壳的能谱图如图4所示。

可伐合金因含钴成分故较为耐磨，同时还具有热膨胀系数小、稳定性好的优良特性。而除国产4#外，其他国产管壳全部为铁镍质量分数分别为60%，40%的铁镍合金。据调研了解，在可靠性要求不太高的场合，国内厂商为降低成本，会使用GB4J42（铁质量分数约58%，镍约42%）代替GB4J29，使用该材料的基板的可焊性较差。

图4 国产管壳4#能谱分析

Fig.4 The energy spectrum analysis of domestic caps 4#

3 国产与进口管壳镀层抗腐蚀性能研究

3.1 湿热试验

GJB1941—94《金电镀层规范》中对于镀金层湿热试验规定采用GJB360B中的试验方法，湿热试验是遵照GJB360B的稳态湿热试验进行的。试验中的实际试验条件为温度40℃，湿度93%，试验选取每个型号管壳2只，共20只进行试验，试验时间设置为10 d。

湿热试验后进口管壳5#外观如图5所示，经过10 d的湿热试验后观察到，试验样品表面未发生腐蚀。

图5 湿热试验后进口管壳5#外观

3.2 盐雾试验

GJB1941—94《金电镀层规范》中对于镀金层抗腐蚀的盐雾试验规定采用GJB360B中的试验方法，故盐雾试验遵照GJB360B的中性盐雾试验。

中性盐雾试验的试验条件是盐溶液质量分数5%，pH值实测是6.9，温度35 ℃，盐雾沉降率实测值为1.28 mL/h，试验周期24 h和96 h。盐雾试验延续使用湿热试验使用的国产和进口管壳各5种型号，每种型号选取2个样品进行试验。

经盐雾试验后，国产与进口管壳样品均发生了不同程度的腐蚀，进口管壳5#在进行24 h盐雾试验和96 h盐雾试验后的外观分别如图6(a)和(b)所示。

图6 盐雾试验后进口管壳5#外观

盐雾试验后观察到，国产与进口管壳抗腐蚀性能较弱的地方有两个，分别是打印标记和平行焊缝处，且国产和进口使用油墨打印标记的管壳标记都存在不同程度的掉字。

打印标记处腐蚀较为严重，是因为对于使用激光打标的器件，激光打标会使标记区域的镀层变薄，这可能会降低管壳的抗腐蚀性能。平行焊缝处抗腐蚀性能较弱的原因是，盖板缝焊后焊边保护镀层损伤，使基材暴露在盐溶液环境下，形成原电池腐蚀。平行缝焊封盖集成电路在潮湿、盐雾等各种恶劣环境下出现的焊边锈蚀，是影响集成电路长期可靠性的重要隐患。

4 结论

国产和进口管壳镀层的质量特性如下：

(1) 国产镀金管壳的标识更多采用油墨打标的方式，而进口产品激光刻蚀工艺相对成熟，多采用激光打标；

(2) 国产管壳镀金层样品中存在金层厚度略薄于进口管壳样品的现象；

(3) 国产与进口管壳样品结合力试验和耐热性试验均合格，无明显差距；

(4) 国产管壳样品多采用镀Au-Ni双层结构，部分样品镀层均匀性和连续性较差，镀金纯度不高，而进口管壳样品中多采用交叉镀Au-Ni-Au-Ni结构，连续性和均匀性较好；

(5) 国产管壳样品管壳金层和镍层纯度低于进口管壳样品，国外质量等级高的管壳基板成分是可伐合金，国内有些情况下使用GB4J42代替GB4J29；

(6) 国产与进口管壳样品经10 d的湿热试验，表面均未发生腐蚀，经盐雾试验表现出打印标记处和平行焊缝处两个抗腐蚀性能较弱的地方。

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（编辑：陈渝生）

Quality analysis of gold and nickel plating for domestic and imported caps

ZHANG Mingjie, GAO Cheng, FU Chengcheng, HUANG Jiaoying

(School of Reliability and Systems Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Domestic gold-nickel plating caps occur corrosion and marks desquamate frequently in qualification. This issue can directly influence on the reliability of the electronic component device package. Influences of thickness and structure of plating on quality were analyzed, with the common quality problems in projects. The appearance, thickness, adhesion, thermostability, structure and composition were compared by using metallographic examination and energy spectrum analysis. 20 samples(domestic and imported 10 pieces, respectively) were tested in humid heat test and salt spray test. The weak link and anti-corrosion performance of gold-nickel plating caps were analyzed. The results indicate that the plating quality of domestic caps are weaker than those of imported in respects of marking methods, gold-plating thickness, plating structure and purity. Markers and parallel welding seams are easy to be corroded.

gold-nickel plating; cap; quality features; weak link; anti-corrosion; reliability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.020

TN406

A

1001-2028（2017）08-0111-06

2017-05-01

黄姣英

国家自然科学基金资助项目（No. 61376042）

黄姣英（1977－），女，湖南邵阳人，高级工程师，主要从事元器件可靠性评价、测试和分析的研究，E-mail: huangjy@buaa.edu.cn ；张明杰（1994－），男，吉林白山人，研究生，研究方向为电子元器件可靠性，E-mail: zmj@buaa.edu.cn。

网络出版时间：2017-07-31 11:33

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1133.020.html