铜线上电镀铜层厚度的测量在跌落试验中的应用

背景

电子元器件的外电极上常使用多种材料通过电镀形成多层复合镀层结构，以满足产品的综合性能1。电子元器件的外电极的镀层厚度直接影响电子元器件的工作性能、稳定性、可靠性和寿命2。因此，电子元器件镀层的准确制样及检测直接影响了可靠性研究和失效分析结果的准确性。

市面上很多电子元器件均需要在铜电极上按顺序电镀Cu、Ni和Sn三种镀层（如图1）。

图1 某产品外电极结构示意图

图片来源于顺络内部

以可靠性研究为例：在研究某元器件跌落可靠性水平时，发现部分样品从焊接的基板上脱落，且脱落断裂点普遍发生于样品的电镀Cu层（如图2）。

图2 某产品跌落测试相关图片。（a）跌落前，焊接于基板上；（b）跌落后，从基板上脱落；（c）失效位置切片图。图片来源于顺络内部

为了验证电镀Cu层厚度对跌落可靠性的影响，需要对不同跌落水平样品的电镀Cu层厚度进行测量。但是铜电极与Cu镀层由于材料相同且连接致密，无法采用光学显微镜（金属光学色泽差异）、扫描电子显微镜（Scanning Electronic Microscope，SEM）（背散射电子衬度差异）或能量色散型X射线光谱（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，EDS）（元素差异）进行区分（如图3）。

图 3铜线及其镀层原始形貌图像。（a）500X金相图像；（b）3000X二次电子图像；（c）3000X背散射电子图像；（d）Cu、Ni和Sn的Mapping。图片来源于顺络内部

图3（a）：光学显微镜图片，仅能看见呈浅黄褐色的Cu及其上较薄的灰褐色的Ni镀层，电镀Cu层无法区分。

图3（b）：SEM-SE图片，无法区分电镀Cu层。

图3（c）：SEM-BSE图片，无法区分电镀Cu层。

图3（d）：EDS-Mapping图片，仅能区分Cu与电镀Ni层，无法区分电镀Cu层。

因此，需寻找或者开发一种便捷准确的方法对Cu镀层观察测量，从而得到Cu镀层厚度与跌落试验结果间关系。

本文基于金相腐蚀及光学成像原理，介绍一种通过腐蚀将Cu电极与电镀Cu层界面显露从而区分的方法。

实验方法及原理描述

金相样品制备：使用400#砂纸将样品磨到电极截面区域，再逐步使用800#、1200#、2000#、2500#和4000#砂纸进行研磨，每次研磨将上一道研磨形成的划痕去除。随后先使用3μm的金刚石悬浮液粗抛光5分钟，再使用1μm的金刚石悬浮液精抛光3分钟。最后将样品冲洗干燥。

腐蚀方法：腐蚀液由10g FeCl3.6H2O、10ml HCL和100ml去离子水均匀混合后制成，所用化学材料都为分析纯。腐蚀方法为将样品浸在腐蚀液中，到达时间后使用竹镊子将样品取出，并使用大量的清水冲洗以去除表面残留腐蚀液。最后使用风枪将样品进行干燥。

金相腐蚀原理：金属材料会与特定的腐蚀液发生化学反应而溶解。但金属中不同晶粒、不同相以及晶界与晶粒之间的自由能不同，尤其是Cu电极与电镀层的界面，由于存在微孔洞或微裂纹，其自由能更为活跃，所以容易被腐蚀形成一道特别窄的沟槽，从而区分出二者。

结果与讨论

腐蚀后：铜线及其镀层的金相形貌如图4所示。

图4铜线及其镀层不同腐蚀时间的500X金相图像。（a）腐蚀60秒；（b）腐蚀90秒；（c）腐蚀150秒。图片来源于顺络内部

图4（a）：腐蚀60s，箭头处隐约出现Cu电极与电镀Cu层的界线。

图4（b）：腐蚀90s，界线更加明显。

图4（c）：腐蚀150s，界线已清晰可见。

小结：经特殊腐蚀处理的切片样品，可以区分Cu电极与电镀Cu层。

结论

由于铜会和腐蚀液中的Fe3+离子发生氧化还原反应而Ni镀层不发生反应，反应方程式为Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+，所以Ni镀层与Cu镀层之间会形成高度差在金相显微镜下形成明显的界面。而Cu电极与电镀Cu层由于工艺不同所以其晶粒大小以及晶粒取向存在的差异会导致二者间的显著不同。通过使用三氯化铁盐酸水溶液对抛光后含Cu/Ni/Sn镀层的铜线进行腐蚀，由于电镀Cu层、Ni层和Cu电极之间的腐蚀速率不同而形成明显的界面。该界面可在金相显微镜下观察，最后通过测量清晰的电镀Cu层的上下界面可得到电镀Cu层的厚度。

表1.某产品电镀Cu层测试结果

图片来源于顺络内部

跌落试验中的应用

通过采用“铜线表面电镀Cu层的测量方法”技术，可有效辅助产品设计，提高了产品的抗跌落性能。某型产品跌落次数从47次提升至108次，符合并超出了客户标准。

结语

随着科学技术的进步以及人们生活水平的提高，小型机电产品特别是便携式电子产品在日常生活中得到极大的应用。由于产品的便携性使得消费者在携带或使用过程中将其失手跌落的意外时有发生，从而导致产品的破损。而且，作为精密的高科技产品，便携式电子产品往往价格不菲，且其损坏带来的隐形损失甚至超出产品本身价值因而，消费者购买产品时，在满足基本功能的条件下会更加青睐有着良好耐撞性能的产品。产品的跌落冲击耐撞性能已成为产品质量的重要特性和产品的核心竞争能力3。

自从1945年Mindlin发表的奠基性论文《Dynamics of Package Crushing》开始，跌落冲击耐撞性研究一直为研究者们所关注，行业内在产品、集成电路板两个层次上进行的试验已普遍展开。顺络公司致力于成为电子元器件领域专家，我们对电子元器件跌落试验开展了广泛而深入的研究，并将这些成果应用于产品设计中。只有掌握了产品设计参数、跌落冲击参数与耐撞性能的关系，以及不确定性传递规律，才能获得产品稳健设计方案（设计参数）。

本电镀Cu层厚度的测量方法对产品设计人员在可靠性设计参数上提供更多数据支撑，保证了良好的抗跌落设计，有助于更透彻的理解产品，为消费者提供更为安全、可靠的产品。

 

审核编辑：汤梓红