功率器件电镀的原理和步骤

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了功率器件电镀的原理以及步骤。

概述

在功率半导体制程里，电镀扮演着举足轻重的角色，从芯片前端制程到后端封装，均离不开这一关键工序。目前，我国中高档功率器件在晶圆背面金属化方面存在技术短板，而攻克这些技术难题的关键在于电镀。借助电镀实现功率器件晶圆背面金属化，可使其能够承受高电压、大电流，从而拓展功率器件的应用场景。在后端封装工序中，电镀能提升功率器件的可焊性，利于热量传导，还具备出色的防腐蚀性能，保障芯片在特殊环境中长时间稳定使用。

正金与背金

在中高档功率器件制造时，芯片正面和背面的金属导出都依赖电镀工艺。通过电镀实现的表面金属化，可将功率器件的性能导出最大化，使其能承受高电压、大电流，足见电镀工艺的重要性。

芯片正面金属导出，是在芯片正面铝基材基础上，经二次沉锌后，在沉锌表面依次沉积镍、钯、金三层金属。芯片正面的金层确保了芯片与金线的可靠连接，保障电路稳定运行。添加钯层，可防止镍离子迁移至金层，避免出现黑金现象，影响焊接牢固性。

芯片背面金属导出，对于大功率器件承受高电压、大电流极为关键。传统真空热蒸方式只能将金属层厚度控制在约10μm，而电镀方式可使背面金属层达约80μm，保障功率器件在高电压、大电流环境下正常工作。具体流程是先通过真空热蒸在芯片背面依次覆盖钛、镍、银三层金属，再用电镀在银层表面镀上80μm的银层，银层厚度依据功率器件要求设计，目前车载和高铁功率器件银层厚度一般在50μm左右。传统真空热蒸的厚银层仅适用于低档功率器件，增加厚度会出现中间薄、四周厚的情况，且银层易分层，影响性能。

本文介绍的TO类功率器件电镀属于引线框架类电镀，是在功率器件封装工序中，在芯片引脚上镀覆金属锡层，以此提高功率器件的可焊性，同时防止其受腐蚀，延长使用寿命。

去飞边

TO类电镀的首要步骤是去飞边（Flash）。塑封时，塑封料沿模具导路流动，受压力挤压在模腔填充成形，会有塑封料溢出并在后烘固化后黏附在框架引脚或基板上。因塑封料绝缘，会影响电气连接，且塑封料内添加的润滑剂会在封装体表面形成薄膜，影响后续激光打标质量，所以需进行表面处理。

去飞边主要有三种方式：第一种是电化学软化加高压去除；第二种是化学浸泡软化加高压去除；第三种是高压喷砂去除。目前多采用前两种方式，高压喷砂因会影响塑封表面，较少使用。随着技术发展，出现激光烧灼去飞边方式，原理简单、定位精准，可轻松去除溢料，但效率低、成本高，常用于功率模块等高附加值封装。

电化学方式软化是利用电化学反应产生的氢气泡使飞边松散，再用高压水去除。化学浸泡方式则是将产品浸泡在软化药水中软化飞边，然后用高压水去除溢料。电化学方式所用高压水压力相对较低，约50kgf即可去除飞边；化学浸泡方式所需压力较大，通常在100kgf以上。此外，产品引脚金属表面在空气中易氧化，产生黑色与红色杂质，电镀前需用酸去除氧化层，相关反应为：CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O（反应较快），Cu + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂（反应较难发生） 。

在金属表面电镀前，还需进行活化处理，以增强镀层附着力，减少电镀不良。表面活化是在产品表面形成细小齿痕，通过增大反应表面积，提高反应速度和表面附着性。去飞边、去氧化、活化过程中，产品表面的反应变化过程（预处理过程）。

上述去飞边、去氧化、活化、预浸过程统称预处理过程，工程上称为电镀前处理，简称前处理。封装经前处理后，便可进行电镀。

电镀工序主要目的包括：防止引脚表面在恶劣环境下氧化和腐蚀；利于传热，提高可焊性；增加特殊物理性质，提升产品附加值。电镀的电化学反应过程为：在含游离金属离子的溶液中通直流电，电镀金属在阳极失电子成为金属离子溶解于溶液，金属离子受电流作用向阴极移动，在阴极得电子还原成金属并附着在待镀产品引脚表面，形成金属薄膜。具体反应为：阳极发生氧化反应，Sn - 2e⁻ = Sn²⁺ ，锡呈离子态析出到镀液中；阴极发生还原反应，在引脚表面形成锡层，强电流下会产生H₂ 。因此，电镀时需控制电流和排出氢气，防范爆燃危险。

电镀工序完成后，需进行后处理，主要是去除产品表面附着的酸性电镀液，并烘干产品。去除酸性溶液采用中和反应，利用碱性溶液中和，同时防止镀层变色。

早期，引线框架外引脚可焊性镀层多采用Sn-Pb合金，因其综合性能优良、成本低廉，广泛应用于电子连接和组装，且形成了成熟工艺和完善评价体系。近年来，全球无铅化运动打破原有格局。经多年研究，可焊性镀层无铅化取得较大进展，主要包括Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Ag合金镀层、纯Sn镀层以及预电镀（Pre-Plating Frame Finish，PPF）技术。如今，许多公司已推出无铅电镀药品和工艺，并得到实际应用。